某研制機低壓渦輪轉(zhuǎn)子裝配工藝改進

王威+武曉龍

摘 要：航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是多樣的，結(jié)構(gòu)特性則決定平衡工藝路線，傳統(tǒng)航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子根據(jù)其支承方式大體分為一般結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的動平衡和外部懸轉(zhuǎn)子的動平衡兩種，根據(jù)轉(zhuǎn)子相應(yīng)的結(jié)構(gòu)來選擇平衡方法。根據(jù)轉(zhuǎn)子相應(yīng)的結(jié)構(gòu)來選擇平衡方法。該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響實現(xiàn)平衡過程的因素多，需要針對該轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)來完成平衡工藝方法制定及工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；動平衡；低壓渦輪轉(zhuǎn)子；特殊結(jié)構(gòu)；工裝設(shè)計

引言

航空發(fā)動機裝配工藝中，最重要的一個工藝就是動平衡工藝，航空轉(zhuǎn)子動平衡工作是保證航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子正常運轉(zhuǎn)的必要工作，轉(zhuǎn)子的不平衡量偏大在轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下會產(chǎn)生大的離心力，而這種離心力則會造成發(fā)動機的振動，所以動平衡工作也是控制發(fā)動機振動的一種重要工藝。轉(zhuǎn)子動平衡的實現(xiàn)，要取決于轉(zhuǎn)子自身的結(jié)構(gòu)，所以要實現(xiàn)一個轉(zhuǎn)子動平衡過程，準確地實現(xiàn)平衡技術(shù)條件，要考慮的方面很多。傳統(tǒng)發(fā)動機轉(zhuǎn)子一般結(jié)構(gòu)較為簡單，多數(shù)可用轉(zhuǎn)子本身的支點軸承進行支承，這樣可以更好的接近發(fā)動機支承狀態(tài)，這樣可以使平衡前裝配的難度降低。部分轉(zhuǎn)子由于結(jié)構(gòu)原因要適當(dāng)改變支承方案和動平衡的方案，以保證能有效的校正其不平衡量。一般要采用特殊的工藝方法，適當(dāng)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)子的支承位置，調(diào)整其支承方案，保證有效的采集動不平衡數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)進行校正，達到最終完成轉(zhuǎn)子動平衡的目的。

1 研究目標

1.1 任務(wù)來源

該課題為某研制發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子動平衡工藝研究，課題主要來源于某科研發(fā)動機的工藝準備任務(wù)。對于設(shè)計圖紙的工藝分析時，發(fā)現(xiàn)由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特殊性，而無法用傳統(tǒng)的方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的動平衡，必須考慮采用其他合理有效的方案來滿足其設(shè)計要求。這也需要針對該組件結(jié)構(gòu)和其他成熟的動平衡方法，合理的借鑒和針對性分析論證動平衡方案，針對動平衡方案設(shè)計合理的工藝裝備，完成其動平衡工藝準備，最終完成工藝研究工作。

1.2 設(shè)計要求

根據(jù)圖紙可知，轉(zhuǎn)子長軸單盤結(jié)構(gòu)，單盤前后共有兩個支點，即四支點和五支點，其中四支點軸承為滾子軸承且僅裝配軸承外套，軸承外套預(yù)先裝配在軸承座內(nèi)，五支點軸承為滾子軸承，但由于五支點軸承位置內(nèi)縮與封嚴環(huán)組件內(nèi)側(cè)，即若需要以五支點軸承進行支承，則要考慮支承點的變化。同樣由于四支點位置的特殊結(jié)構(gòu)且距離五支點較近，不能實現(xiàn)帶軸轉(zhuǎn)子的動平衡，所以另外的支點應(yīng)考慮長軸的周端，軸端自身無支承位置，所以需要選擇適合的支承位置和設(shè)計適用的工藝裝備來完成起支承方案的確定。

動平衡要求平衡轉(zhuǎn)速不低于1300r/min。裝葉片前先對轉(zhuǎn)子進行動平衡，找出輕、重點，排列各級葉片的位置，把轉(zhuǎn)子不平衡量消除在400g·cm范圍內(nèi)。加裝平衡塊消除不平衡量，使兩修正面的殘余不平衡量不超過17g·cm。

1.3 零件類型

某研制發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子屬于典型的低壓渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，為一級渦輪，從動平衡方面考慮，該發(fā)動機動平衡方案參照一般發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子動平衡支承方案進行，并對相應(yīng)的平衡用工藝裝備進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

根據(jù)某研制發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，其動平衡用工藝裝備設(shè)計從以下幾個方面考慮。

1.3.1 轉(zhuǎn)子的支承方案，確定完成轉(zhuǎn)子的支承方案，要根據(jù)支承位置設(shè)計一定結(jié)構(gòu)的工裝，來完成轉(zhuǎn)子在平衡機上的支承，結(jié)合太行發(fā)動機低壓渦輪結(jié)構(gòu)和支承方案選擇軸頸前端及五支點軸承位置作為支承位置，但由于五支點軸承位置縮進封嚴盤內(nèi)，所以要考慮通過設(shè)計的工裝來進一步實現(xiàn)其支承點，另外還要考慮與平衡機支承位置相配合的情況，選用鞍型座或者選用滾輪架支承。

1.3.2 工裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計，工裝結(jié)構(gòu)要考慮與機件結(jié)構(gòu)相輔相成，所以要根據(jù)機件的具體結(jié)構(gòu)，來考慮工裝的結(jié)構(gòu)，另外還要考慮工裝的傳動方式及定位面的選擇。

1.3.3 設(shè)計參數(shù)的制定，平衡用工裝設(shè)計參數(shù)主要有幾個方面，一是與裝配位置的配合要求，即根據(jù)定位和裝配情況選擇合理的配合尺寸；二是加工尺寸，要根據(jù)裝配結(jié)構(gòu)和動平衡機承載方式，選用合理的尺寸和公差，保證定位和裝配要求，另外要給出合理的表面粗糙度、跳動、圓度、同軸度等要求，平衡工裝的這些參數(shù)直接影響動平衡的結(jié)果的準確性。

2 設(shè)計論證與結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)前面某研制發(fā)動機發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特性分析，主要涉及兩個方面的工藝裝備設(shè)計。

2.1 前工藝軸套

2.1.1 首先考慮定位位置，根據(jù)低壓渦輪與風(fēng)扇組件的裝配定位位置，選用相同位置進行定位。因正常裝配的基準位置加工的尺寸公差精確，加工要求高，故選擇該位置。

2.1.2 工裝功能的實現(xiàn)，工裝除要作為前部支承點外，還要考慮裝配及軸向定位鎖緊要求，根據(jù)實際與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子組件的裝配結(jié)構(gòu)，選擇軸向定位面（即低渦調(diào)整墊片的端面位置），工裝軸向定位面與其靠緊。

因轉(zhuǎn)子組件的軸端與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子有軸向傳動的套齒，所以考慮轉(zhuǎn)子動平衡時傳動部位通過工藝軸套與該套齒相連并實現(xiàn)傳動，同時要考慮前工藝軸套與平衡機聯(lián)軸器相連部位的結(jié)構(gòu)和尺寸，但考慮工藝軸套裝配后的軸端螺母鎖緊要求，所以考慮聯(lián)軸器相連接的傳動工裝要獨立與平衡軸套，并且與平衡軸套有相應(yīng)的連接方式。

2.1.3 裝配配合的確定，考慮工裝裝配在渦輪轉(zhuǎn)子上以后要保證其支承的剛性，所以要選擇適當(dāng)?shù)呐浜蟻韺崿F(xiàn)，一般選擇較小過盈來保證。由于兩個裝配的基準面的確定，其雙面的同心度也有一定的要求。所以考慮工裝制造時將兩個配合面確定為基準面加工，保證其自身的尺寸同時，其他尺寸以該尺寸進行加工。

2.1.4 支點技術(shù)要求，根據(jù)對轉(zhuǎn)子實際裝配后支點跳動大小影響的不平衡量計算，如支點跳動為與基準的同軸度為Φ0.01，假設(shè)某研制發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子質(zhì)量為100kg，則由此同軸度產(chǎn)生的不平衡量的誤差為：

U=100kg×0.01mm=1kg·mm

約為6倍的轉(zhuǎn)子不平衡量的公差要求，該計算為假設(shè)的最大的不平衡量考慮。但考慮轉(zhuǎn)子由兩個支點組成，且轉(zhuǎn)子的重心位置距離兩個支點有一定距離，并參照與其配合的機件的加工尺寸要求，結(jié)合設(shè)備加工能力的限制，最終考慮支承位置與基準的同軸度控制為Φ0.008，圓度為Φ0.005。

2.1.5 軸套前段為裝配后的鎖緊螺母空間，要充分考慮預(yù)留位置，前端傳動法蘭盤需與平衡機進行相關(guān)尺寸設(shè)計。

2.1.6 工裝自身的動平衡，參與動平衡的工裝要考慮其自身的動平衡量，由于工裝直接裝配于轉(zhuǎn)子組件上，其動平衡量的結(jié)果直接帶入轉(zhuǎn)子動平衡量本身，所以在設(shè)計工裝時要考慮工裝自身的不平衡量校正和控制方案，必要時應(yīng)考慮二類工裝的設(shè)計，對于該軸套考慮其自身結(jié)構(gòu)來完成動平衡的支承，并設(shè)計相應(yīng)的去重面，其它尺寸要求根據(jù)機件裝配位置要求選定。

2.1.7 拔具設(shè)計，在考慮動平衡工裝時也應(yīng)考慮相應(yīng)的拔具，拔具設(shè)計為使用千斤頂進行分解平衡軸套。

2.2 后工藝軸套的設(shè)計

2.2.1 定位位置，根據(jù)低壓渦輪五支點軸承裝配位置，優(yōu)先選擇該位置進行定位，但考慮該位置無法做動平衡的真正支點，封嚴襯套干涉，所以結(jié)合參考太行發(fā)動機的低渦洞平衡方案，將該動平衡支點進行后移，即避開封嚴襯套。

2.2.2 工裝功能的實現(xiàn)，工裝依靠兩個定位面進行定位，并以五支點軸承螺母壓緊，保證裝配穩(wěn)靠。

該后工藝軸套僅僅做為轉(zhuǎn)子動平衡支承用，所以其他特殊結(jié)構(gòu)可不予以考慮。

同樣根據(jù)平衡用工裝的設(shè)計要求和設(shè)計原則考慮該工裝其他尺寸和技術(shù)條件。

2.2.3 工裝自身的動平衡，由于該工裝自身結(jié)構(gòu)原因，軸向距離較短，外徑較大，所以自身無法在平衡機上進行動平衡，需要設(shè)計二類工裝。

2.2.4 后平衡軸套設(shè)計時考慮設(shè)計的拔具。

2.3 結(jié)果

經(jīng)過對圖紙設(shè)計文件的分析，進行了相關(guān)的動平衡工藝論證，最終確定了動平衡方案，完成了工藝文件的編制后，設(shè)計了對應(yīng)的動平衡工裝，達到了完成某研制發(fā)動機低壓渦輪平衡工藝方法及工裝結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計的預(yù)期目標。

3 結(jié)束語

本攻關(guān)課題主要在于研究某研制發(fā)動機低壓渦輪動平衡工藝，根據(jù)動平衡的一般理論和平衡的一般方法對轉(zhuǎn)子進行分析，無法達到預(yù)期的動平衡的目的，所以有針對性地開展與其他發(fā)動機結(jié)構(gòu)對比、平衡方案對比、工裝對比等多方面論證，最終確定了以設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)前后平衡軸套為平衡支點，適當(dāng)調(diào)整平衡設(shè)置參數(shù)的方法，保證了預(yù)期對轉(zhuǎn)子完成規(guī)定的兩個校正面為校正位置的動平衡理論及工藝方案論證的研究工作，編制相應(yīng)的工藝文件后，最終設(shè)計完成了相應(yīng)的平衡工藝裝備，完成了工藝準備和工藝研究工作，也為后續(xù)首臺投產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻

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[2]陶春虎，王仁智，聶景旭.航空發(fā)動機轉(zhuǎn)動部件的失效與預(yù)防[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

作者簡介：王威（1983，5-），男，民族：漢，籍貫：遼寧鐵嶺，學(xué)歷： 碩士研究生，2008年畢業(yè)于海軍航空工程學(xué)院，職稱：工程師，研究方向：航空發(fā)動機，現(xiàn)從事于航空發(fā)動機專業(yè)。