探讨航空发动机自动平衡技术发展综述

 探讨航空发动机自动平衡技术发展综述

张睿,朱伟龙,李哲

中国航发黎明沈阳航空发动机有限责任公司 辽宁 沈阳 110043

摘要：航空发动机作为飞机部件中的核心，其自动平衡技术也是航空工程中的关键技术。关键词：航空发动机；自动平衡技术；振动抑制

引言：本文探讨了航空发动机自动平衡技术和自动平衡控制算法，探究了美军涡桨自动平衡的工程应用和航空发动机转子不平衡振动响应特征的研究现状。

一、自动平衡技术的应用领域

目前自动平衡技术主要运用于航空发动机结构、控制算法、工程应用3个方面.基于影响系数法的电磁驱动型自动平衡在美国空军C-130H运输机上得到工程应用,飞行测试4个发动机螺旋处的振动均低于1.27 mm/s,降低了94％,因螺旋桨振动导致的压气机处振动降低了75％.研究结果表明:航空发动机自动平衡技术可实现在线持续动平衡,能有效降低发动机及其组件的振动疲劳损伤,降低发动机维护费用,延长维修周期.自动平衡技术在航空发动机领域得到工程应用是一个循序渐进的过程,还需要进一步开展结构设计、控制策略、系统集成等方面的研究工作,并在航空发动机设计阶段就考虑纳入自动平衡结构.

二、航空发动机自动平衡技术概述

（一）自动平衡装置

自动平衡装置主要分为被动式自动平衡装置和主动式自动平衡装置。其中被动式自动平衡装置，因其对自动定心特性的依赖性，一般无法应用于航空发动机中。而主动式自动屏平衡装置又可细分为三种，第一种是借助外力进行平衡的自动平衡技术，这一技术能够迅速抑制航空发动机的不平衡震动，但是由于其对电流的依赖性较大，一旦发生断电的情况，这一技术的平衡能力就会消失。第二种是通过改变转子质量来完成自动平衡的技术，但由于这一技术所需要的装置体积过于庞大，一般无法适用于航空环境中。第三种是通过调整转子质心位置来完成平衡工作的技术，这一技术能够从源头上消除不平衡振动。

（二）电磁驱动式自动平衡

电磁驱动式自动平衡主要利用电磁驱动和永磁自锁，其主要是通过电磁圈产生非接触驱动力作用于永久磁铁的配重盘，使配重盘进行旋转。这一技术的装置结构较为简单，具有很强的执行力。早在20世纪左右，美国就推出了这一技术，并将其使用于航空发动机中，我国也在近年来研制出了更适合涡桨螺旋桨的新型电磁驱动时自动平衡装置。我国在21世纪初就开始致力于电磁型主动平衡技术的各方面研究，但缺乏发动机自动平衡方面的工业应用。

（三）电动机驱动式自动平衡

电动机驱动式自动平衡需要根据应用的发动机对象不同进行不同的设计，目前电动机驱动式自动平衡技术已经广泛应用于高速磨床中，但在航空发动机领域仍然缺乏工业应用。国外发达国家已经可以通过电动机驱动式自动平衡技术完成自动平衡功能，并申请了这一领域的专利，国外也存在将电动机驱动式自动平衡技术应用于桨扇发动机中的例子，但这一应用并未报道。

三、航空发动机自动平衡控制算法

（一）影响系数法

影响系数法是目前自动平衡控制算法中应用较为广泛的一种方法，是通过确定影响系数得到平衡配重方案的控制算法。在航空发动机的实际应用中，影响系数处于不断变化的状态，并且难以准确测量影响系数的值，只能通过利用影响系数矩阵对影响系数进行估计，采用估计值代替真实值，但如果估计值与真实值之间的误差过大，就会导致振动控制出现问题。我国在2006年对国外一种自矫正自适应主动闭环控制算法进行实验，得出这一算法能够有效减小误差，但是在转子申诉和过临界的情况下，影响系数法无法满足线性假设前提。

（二）幅-相轮换寻优法

幅-相轮换寻优法是双配重自动平衡技术中应用较为广泛的一种方法，并且这一方法在高端磨床领域的应用已经较为成熟，目前在航空发动机方面仍缺乏工业应用。幅-相轮换寻优法首先要寻找相位平衡，通过在同方向移动两个配重块观察配重块移动时的振动情况，如果振动增大，则改变移动方向，如果振动减小，则按照这一方向继续移动下去，直到振动值低于提前设定的大小或者振动值达到最小值。幅值平衡是指同时反方向移动两个配重块的位置，直到寻找到配重块之间的最佳角度，在配重块移动过程中，如果振动值增大，则缩小配重块之间的夹角，不断改变配重块之间夹角，直到振动值达到最低。在这一原理的应用中，其精确度主要受到步长角度的影响，步长角度越小误差就越小，并且如果相位平衡不准确，误差也会增大。此外，这一技术的准确度还会受到系统振动测量误差等因素的影响。幅-相轮换寻优法的操作较为简单，容易受计算机控制，但其消耗时间较多，比较适用于操作简单，容易控制的发动机平衡中。

（三）神经网络和粒子群优化法

神经网络和粒子群优化法是人工智能技术在自动平衡技术中的应用体现，早在20世纪末，就有利用神经网络解决转子自动平衡的例子，21世纪初，人工神经网络被应用于转子自动平衡中，并通过建立动力学模型，反映了振动矢量与不平衡质量之间的逆向映射关系。目前粒子群优化法经过进一步优化调整和学优涉及已经可以实现整机的自动平衡。粒子群优化法具有收敛速度快。调整参数少的优点，能够利用其自适应调整方法达到全局快速搜索的目的，解决了仅由函数输入输出数据的效率第一问题。而神经网络技术具备非线性拟合能力，能够在振动位移最小的前提下预测出两个配重块的最佳位置。将神经网络与粒子群优化法相结合，能够快速获得最小振动位移值和配重块最佳位置。

三、美军涡桨自动平衡的工程应用

航空发动机自动平衡最典型的应用就是美军涡桨自动平衡中的应用。在美军涡桨发动机方面桨叶不平衡振动是重要的问题之一，而传统的维修方法无法使浆液处于长期稳定地运行条件，并且传统的手动维修方法效率低，耗费人工成本较高，不利于飞机的稳定运行，自动平衡技术能够有效减少桨叶的不平衡情况，延长发动机配件的使用寿命，提高飞机运行的安全性。目前IPBS技术已经被广泛应用于美国空军的飞机发动机自动平衡中， 并且使美军飞机在飞行过程中螺旋桨的振动速度恒定，使飞机的平衡效果大大提高。

四、航空发动机转子不平衡振动响应特性的研究现状

（一）传递矩阵法

传递矩阵法涵盖了多种力学分析方法，是一种简单的工程结构计算方法，传递矩阵法具有计算效率高，计算精确度高，逻辑性强等优点，能够更好地应用于危机解答题中，可以快速计算多转子的临界转速，不平衡响应特性等信息。

（二）有限元法

有限元法是广泛应用于工程结构设计和优化中的数值分析工具，其能够更好地处理复杂的工程问题，在有限元法的研究历程中，其不仅能够应用于结构静力学，还可以应用于动力学和转子动力工程中。目前有限元法还可以保证动态平衡精确度，使动态平衡精确度满足发动机工作要求。

（三）模态综合法

与有限元法和传递矩阵法相比，模态综合法的计算速度更快，能够有效提高动力学分析的有限元精度，使计算规模更小。模态分析法在航空发动机领域也具有良好的应用前景，利用模态分析法可以减少动态平衡对转子启停的次数，有效减少了动态平衡工作中的人力成本和时间成本，提高企业的经济效益。

总结

自动平衡技术在航空发动机领域得到工程应用是一个循序渐进的过程,还需要进一步开展结构设计、控制策略、系统集成等方面的研究工作。总而言之，航空发动机自动平衡技术可以有效减少发动机的维修次数，降低维修成本，延长飞机使用寿命，在研发自动平衡控制策略时，要结合智能检测和控制方法，确保自动平衡系统的有效运行。美国空军已经实现了自动平衡技术在航空发动机上的业务应用，我国也需要从型号设计开始。将自动平衡系统纳入发动机结构设计中，使自动平衡技术能够有效发挥其作用。

参考文献：

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