壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子檢測設(shè)備

王廷俊

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110168）

0 引言

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子是透平機(jī)械領(lǐng)域常見的部件，隨著航空發(fā)動機(jī)等領(lǐng)域的技術(shù)高速發(fā)展，對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子加工和裝配的精度要求越來越高。傳統(tǒng)的檢測壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子精度的方法為手工檢測，工作效率低，檢測精度受外部客觀環(huán)境影響大。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子檢測設(shè)備可以通過位移檢測傳感器自動對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢測，并根據(jù)工藝要求對檢測的結(jié)果綜合分析，具有較高的檢測精度，可以大幅提高工作效率。

1 檢測機(jī)介紹

如圖1～3所示，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子檢測機(jī)由X向驅(qū)動機(jī)構(gòu)1、Y向驅(qū)動機(jī)構(gòu)2、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)3、支撐機(jī)構(gòu)4、工作臺5和位移檢測傳感器7構(gòu)成。其中位移檢測傳感器7用于檢測壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6的葉片9的葉尖到軸心的距離以及每一組葉片9的葉根部盤軸的徑向跳動。

圖1 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子檢測機(jī)正視位

圖2 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子檢測機(jī)俯視位

圖3 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子檢測機(jī)側(cè)視位

X向驅(qū)動機(jī)構(gòu)1安裝在工作臺5上，X向驅(qū)動機(jī)構(gòu)1上設(shè)有可沿X方向往復(fù)移動的X向移動滑臺13，Y向驅(qū)動機(jī)構(gòu)2安裝在X向移動滑臺13上，Y向驅(qū)動機(jī)構(gòu)2上設(shè)有Y向移動滑臺22，Y向移動滑臺22具有X向和Y向2個(gè)移動自由度，即Y向移動滑臺22在Y向驅(qū)動機(jī)構(gòu)2上可沿Y方向往復(fù)移動，位移檢測傳感器7安裝在Y向移動滑臺22上，在位移檢測傳感器7與Y向移動滑臺22之間設(shè)有用以調(diào)整位移檢測傳感器7的高度調(diào)整墊。檢測時(shí)，位移檢測傳感器7上用于檢測的轉(zhuǎn)軸沿Y方向指向壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6，且用于檢測的轉(zhuǎn)軸的中心軸線與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6的中心軸線處于相對于工作臺5的臺面同一高度的水平面上。2個(gè)支撐機(jī)構(gòu)4安裝在工作臺5上，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6的兩端沿X方向裝夾于支撐機(jī)構(gòu)4中，且裝夾好的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6處于位移檢測傳感器7的檢測范圍內(nèi)。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)3通過電機(jī)支架35固定在工作臺5上，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)3通過聯(lián)接法蘭31與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6的一端同軸連接。位移檢測傳感器7可以是非接觸式的位移傳感器，也可以是接觸式的位移傳感器，位移檢測傳感器7為非接觸式，型號ZLDS113-10-70-232-U，生產(chǎn)廠家為英國真尚有集團(tuán)。

如圖4～5所示，X向驅(qū)動機(jī)構(gòu)1還包括底座11，X向滾珠絲杠12，X向聯(lián)軸器14，X向滾動導(dǎo)軌15，X向光柵尺16和X向伺服電機(jī)17，其中底座11上設(shè)有2個(gè)導(dǎo)軌凸臺19，2個(gè)導(dǎo)軌凸臺19均沿X方向設(shè)置，X向滾動導(dǎo)軌15便固定在所述導(dǎo)軌凸臺19上。X向滾珠絲杠12設(shè)置于2個(gè)導(dǎo)軌凸臺19之間且與導(dǎo)軌凸臺19平行，在底座11上沿X方向的兩端分別設(shè)有2個(gè)軸承座18，X向滾珠絲杠12的兩端便插裝于軸承座18中并通過軸承座18支撐定位，其中，X向滾珠絲杠12的一端伸出軸承座18并通過X向聯(lián)軸器14與X向伺服電機(jī)17相連。X向移動滑臺13下表面的兩側(cè)設(shè)有與X向滾動導(dǎo)軌15相配合的導(dǎo)軌滑塊，X向移動滑臺13下表面還設(shè)有與X向滾珠絲杠12相配合的絲母，X向伺服電機(jī)17便通過X向滾珠絲杠12和絲母的傳動帶動X向移動滑臺13在X向滾動導(dǎo)軌15上往復(fù)移動。在2個(gè)導(dǎo)軌凸臺19之間的底座11上，在遠(yuǎn)離支撐機(jī)構(gòu)4的一側(cè)設(shè)置有X向光柵尺16，通過X向光柵尺16的反饋可實(shí)現(xiàn)X向移動滑臺13移動的全閉環(huán)控制，即事先設(shè)定好一個(gè)位置值，當(dāng)X向移動滑臺13尚未移動到該位置時(shí)，X向伺服電機(jī)17驅(qū)動X向移動滑臺13繼續(xù)移動，直至移動到設(shè)定的位置，X向移動滑臺13才停止移動。利用X向光柵尺16實(shí)現(xiàn)X向移動滑臺13移動的全閉環(huán)控制為現(xiàn)有的常用技術(shù)。

圖4 X向驅(qū)動機(jī)構(gòu)剖視

圖5 X向驅(qū)動機(jī)構(gòu)俯視

如圖6～7所示，Y向驅(qū)動機(jī)構(gòu)2包括軸承座21，Y向移動滑臺22，Y向滾珠絲杠23，Y向滾動導(dǎo)軌24，Y向聯(lián)軸器25，Y向伺服電機(jī)26和Y向光柵尺27。在X向移動滑臺13上設(shè)有2個(gè)導(dǎo)軌凸臺28，2個(gè)導(dǎo)軌凸臺28均沿Y方向設(shè)置，Y向滾動導(dǎo)軌24便固定在導(dǎo)軌凸臺28上，Y向滾珠絲杠23設(shè)置于2個(gè)導(dǎo)軌凸臺28之間且與導(dǎo)軌凸臺28平行，2個(gè)軸承座21分別設(shè)置于X向移動滑臺13沿Y方向的兩端，Y向滾珠絲杠23的兩端插裝于軸承座21中，并通過軸承座21支撐定位，其中Y向滾珠絲杠23的一端伸出軸承座21并通過Y向聯(lián)軸器25與Y向伺服電機(jī)26相連。Y向移動滑臺22下表面的兩側(cè)設(shè)有與Y向滾動導(dǎo)軌24相配合的導(dǎo)軌滑塊，Y向移動滑臺22下表面還設(shè)有與Y向滾珠絲杠23相配合的絲母，Y向伺服電機(jī)26便通過Y向滾珠絲杠23和絲母的傳動帶動Y向移動滑臺22在Y向滾動導(dǎo)軌24上往復(fù)移動。在2個(gè)導(dǎo)軌凸臺28之間的X向移動滑臺13上，在遠(yuǎn)離X向伺服電機(jī)17的一側(cè)設(shè)置有Y向光柵尺27，通過所述Y向光柵尺27的反饋可實(shí)現(xiàn)Y向移動滑臺22移動的全閉環(huán)控制。

圖6 Y向驅(qū)動機(jī)構(gòu)剖視

圖7 Y向驅(qū)動機(jī)構(gòu)俯視

如圖8所示，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)3除了聯(lián)接法蘭31和電機(jī)支架35外，還包括聯(lián)軸器32，旋轉(zhuǎn)編碼器33和伺服電機(jī)34，其中聯(lián)接法蘭31的一側(cè)端面上設(shè)有固定軸36，所述固定軸36垂直于聯(lián)接法蘭31的端面且設(shè)置于聯(lián)接法蘭31端面的中心處。伺服電機(jī)34安裝在電機(jī)支架35上，伺服電機(jī)34的輸出軸通過聯(lián)軸器32與聯(lián)接法蘭31的固定軸36同軸相連，聯(lián)接法蘭31與待檢測的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6同軸相連。旋轉(zhuǎn)編碼器33安裝于伺服電機(jī)34尾部，旋轉(zhuǎn)編碼器33的作用在于通過對所述旋轉(zhuǎn)編碼器33測量的旋轉(zhuǎn)角度分析可以確定壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6上精度超差地方的角度位置，利用旋轉(zhuǎn)編碼器33確定角度位置為現(xiàn)有的常用技術(shù)。旋轉(zhuǎn)編碼器33型號為E6C2-CWZ6C200P/R2M，生產(chǎn)廠家為歐姆龍。

圖8 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)主視位

如圖9～10所示，支撐機(jī)構(gòu)4包括壓輥41，托輥42，支座43和壓輥支架44，其中支座43包括2個(gè)立板45，托輥42便設(shè)置于2個(gè)立板之間。沿垂直于立板45的方向看去，支座43上設(shè)有用于支撐壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6的U形凹部46，且托輥42設(shè)置于U形凹部46的弧形底面兩側(cè)，且托輥42的輥面高于U形凹部46的弧形底面，這樣壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6便可放置于托輥42上。在U形凹部46一側(cè)的支座43的端部設(shè)有轉(zhuǎn)軸47，壓輥支架44安裝在轉(zhuǎn)軸47上且可繞轉(zhuǎn)軸47中心軸線旋轉(zhuǎn)，在U形凹部46另一側(cè)的支座43的端部設(shè)有鎖定裝置用于鎖住壓輥支架44的自由端，鎖定裝置為活節(jié)螺栓式，為現(xiàn)有的常用技術(shù)。壓輥41設(shè)置于壓輥支架44上，且壓輥41的直徑大于壓輥支架44沿垂直于立板45方向看上去的高度，這樣，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6便只與壓輥41的輥面接觸而觸碰不到壓輥支架44。裝夾壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6時(shí)，先將壓輥支架44抬起，將壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6放入U(xiǎn)形凹部46，再將壓輥支架44落下并鎖住，在U形凹部46內(nèi)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6只與壓輥41和托輥42的輥面接觸，這樣壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6便可以在U形凹部46內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)

圖9 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子定心支撐機(jī)構(gòu)左視位

圖10 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子定心支撐機(jī)構(gòu)俯視位

2 工作原理

該壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子檢測設(shè)備可以檢測壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6每一個(gè)葉片9的葉尖到檢測壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6軸心的距離以及每一組葉片9的葉根部盤軸的徑向跳動。以檢測葉片9的葉尖到壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6軸心的距離為例，將壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6裝夾到支撐機(jī)構(gòu)4上之后，按下電氣控制系統(tǒng)8的啟動按鈕，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)3的伺服電機(jī)34驅(qū)動壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6旋轉(zhuǎn)，然后由X向驅(qū)動機(jī)構(gòu)1和Y向驅(qū)動機(jī)構(gòu)2帶動位移檢測傳感器7移動到壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6第一組葉片9的檢測位置，位移檢測傳感器7開始測量。隨著壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6旋轉(zhuǎn)，位移檢測傳感器7測量出每一個(gè)葉片9的葉尖經(jīng)過水平位置時(shí)與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6軸心的距離，然后將這些測量的數(shù)據(jù)傳回電氣控制系統(tǒng)8的電腦中并與設(shè)定的葉尖到壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6軸心距離的標(biāo)準(zhǔn)值相比較，并利用事先編好的程序?qū)?shù)據(jù)予以分析，同時(shí)將檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存或打印，若出現(xiàn)超差自動報(bào)警并通過對旋轉(zhuǎn)編碼器33測量的旋轉(zhuǎn)角度分析確定精度超差地方的角度位置，以便在后續(xù)加工處理中順利找到精度超差的地方。第一組葉片9測量完畢后，X向驅(qū)動機(jī)構(gòu)1帶動位移檢測傳感器7移動到第二組葉片9的檢測位置，按照第一組葉片9的檢測方式繼續(xù)檢測。通過電氣控制系統(tǒng)8控制各個(gè)伺服電機(jī)以及超差自動報(bào)警為現(xiàn)有的常用技術(shù)。

檢測葉片9的葉根部盤軸的徑向跳動時(shí)，則是隨著壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6旋轉(zhuǎn)，通過位移檢測傳感器7測量出葉片9的葉根部盤軸軸面上的每一點(diǎn)經(jīng)過水平位置時(shí)與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子6軸心的距離并傳回電腦與設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)值相比較，并利用事先編好的程序予以分析，超差自動報(bào)警。

另外，通過電腦對測出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，還可以分別得出每一組葉片的徑向跳動、多組葉片的同軸度、多組葉片盤軸的同軸度、葉尖徑向跳動和盤軸徑向跳動的關(guān)聯(lián)度等，若對上述各數(shù)據(jù)預(yù)置公差，還可對部件是否合格進(jìn)行判斷，超差有報(bào)警。

3 結(jié)語

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子檢測設(shè)備通過位移檢測傳感器自動對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢測，根據(jù)工藝要求對檢測結(jié)果綜合分析，不同于以往傳統(tǒng)的手工檢測，具有非常高的檢測精度，同時(shí)能夠大幅度提高工作效率，在透平機(jī)檢測領(lǐng)域中有非常好的應(yīng)用前景。

[1]Shao-wen Chen ，Hui Shi ，Chen Zhang ，Song-tao Wang ，Zhong-qi Wang.Study on Numerical Simulation of Fouling in Compressor Rotor[J].Int.J.Turbo Jet-Engines，2012，29（3）：179-188.

[2]Yanfei Gao，Yangwei Liu，Luyang Zhong，Jiexuan Hou，Lipeng Lu.Study of the Standard k-ε Model for Tip Leakage Flow in an Axial Compressor Rotor[J].International Journal of Turbo&Jet-Engines，2016，33（4）：350-360.

[3]陳智洋，吳艷輝，安光耀，劉軍，彭文輝.軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性檢測及機(jī)理探討[J/OL]. 推進(jìn)技術(shù)，2017（11）：1-10.

[4]鐘兢軍，韓少冰.融合式葉尖小翼對低速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子氣動性能的影響[J]. 推進(jìn)技術(shù)，2014，35（6）：749-757.

[5]苑星會，李全通.壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和葉片整體模型建立與有限元分析計(jì)算[J]. 航空精密制造技術(shù)，2009，45（2）：19-21.

[6]雷先華，江和甫，王旅生.整體壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].航空動力學(xué)報(bào)，1997（1）：41-43

[7]邱名，周正貴.優(yōu)化方法在軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片氣動設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，45（1）：75-81.