航空發(fā)動機結構設計中可裝配性案例分析

孫貴青，趙 哲，季益鈴，王 彤

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

裝配作為產(chǎn)品制造過程中的終端，是最為重要的制造環(huán)節(jié)之一[1]。航空發(fā)動機的綜合技術指標，如性能、可靠性等，主要是在零件加工合格后通過最終的裝配工藝過程來實現(xiàn)和保證。由設計確定的材料、形狀、結構、連接方式、精度等結構要素，對裝配工藝的影響稱為可裝配性[2]。可裝配性直接關系到發(fā)動機的裝配質量和效率，對發(fā)動機的工作性能和可靠性起到重要作用。目前，國內外對可裝配性設計的指導原則及評價技術研究較多[2-7]，在航空發(fā)動機方面，國外先進航空發(fā)動機CFM56、V2500等借助總體結構優(yōu)化、先進設計技術、新工藝等設計簡化手段，通過減少零部件數(shù)量和采用單元體設計來簡化整機裝配流程，通過開展人機工程與維修性設計來提高裝配質量，其可裝配性設計已經(jīng)發(fā)展到較高的應用水平[8-10]。

與國外相比，國內的航空發(fā)動機可裝配性水平相對落后，大多借鑒國外裝配經(jīng)驗。從宏觀角度來看，發(fā)動機主要零組件一般不會出現(xiàn)重大問題，故障往往出現(xiàn)在一些細小、易被忽略的地方，抑或是設計者尚未充分認識到的問題。本文結合科研生產(chǎn)實踐，對航空發(fā)動機的某些結構設計案例進行可裝配性分析和總結，為發(fā)動機結構設計提供參考。

1 可裝配性案例分析

1.1 分組設計

在航空發(fā)動機壓氣機轉子設計中，后幾級葉片通常采用環(huán)形燕尾榫頭固定，即在輪緣上車出1個環(huán)形燕尾槽安裝葉片，使加工簡單，裝配方便?？紤]到葉片在工作中受熱膨脹以及為了有利于安裝分解，葉片榫頭與鼓筒榫槽設計為間隙配合，為防止工作狀態(tài)葉片甩開后，緣板出現(xiàn)周向碰摩或較大串動，靜態(tài)裝配時要求葉片周向總間隙M在合理范圍內。

葉片首次裝配或更換新葉片后，通常會出現(xiàn)總間隙M小于規(guī)定要求的情況，操作者會將最后1個葉片（不帶鎖緊槽的葉片）暫時不裝，將安裝的葉片手動排除活動間隙后，用卡尺測量空缺位置的緣板間隙，比對最后1個安裝葉片的緣板寬度，計算二者差值，即為裝配工序留給加工修磨工序的修磨值，通過修磨值確定對1片或多片葉片進行修磨。目前設計要求為：如果裝配后不能滿足總間隙M的要求，允許修磨葉片緣板的2個周向側面（如圖1所示），但每邊葉片修磨量有上限要求。有時會發(fā)生葉片修磨過量，導致葉片修磨后仍無法滿足要求，需要更換葉片進行重新修磨，造成葉片的損壞或浪費。

圖1 葉片周向間隙要求

在V2500、PW4000發(fā)動機中，高壓壓氣機葉片分為正常和偏窄2種，主要通過選配偏窄葉片來滿足周向間隙。如V2500發(fā)動機第6級高壓壓氣機葉片，偏窄葉片比正常葉片窄0.4 mm，周向間隙要求0.20～0.70 mm，因此在操作上先安裝正常葉片，根據(jù)間隙情況換裝偏窄葉片。允許最多使用26片偏窄葉片，能夠完全滿足要求，減少或避免了葉片緣板的修磨。

類似的還有平衡配重塊設計，某型發(fā)動機高壓渦輪平衡配重塊只有2個組別（質量分別為9 g和17 g），每次使用都需要進行大量修磨，以滿足配重需要。當修正面的初始不平衡量過小，通過1個配重塊無法平衡時，需要在平衡時加裝更多的配重塊（一般需要2～3件），并配合以合適的角度來消除轉子產(chǎn)生的剩余不平衡量，但配重塊數(shù)量的增加會增大試車振動的風險。在CFM56發(fā)動機中，高壓渦輪平衡配重塊分別設計為6、7種組別（見表1、2），可以做到直接選配使用，不需要額外修磨。

表1 高壓渦輪配重塊前修正面組別質量 g

表2 高壓渦輪配重塊后修正面組別質量 g

國外在風扇增壓級葉片、壓氣機葉片、平衡配重塊等機件設計上普遍采用分組設計方法，避免了修磨，不僅機件質量得到保障，而且提高了裝配效率。

1.2 非均布設計

在某型發(fā)動機設計中，4支點軸承外環(huán)安裝在高壓渦輪后軸頸內，軸向用4支點軸承螺母緊固，采用鎖緊環(huán)防松方法。鎖緊環(huán)安裝在軸承螺母徑向安裝槽內，通過鎖緊環(huán)上的定位銷插入高壓渦輪后軸頸和軸承螺母周向同一個卡槽內防松（如圖2所示）。其中，高壓渦輪后軸頸后端面和軸承螺母后端周向均布12個卡槽（如圖3所示）。要求軸承螺母擰緊至一定的力矩（1193～1342 N·m）后，用鎖緊環(huán)鎖緊。在實際裝配中，在規(guī)定的力矩范圍內，高壓渦輪后軸頸后端面和軸承螺母后端的卡槽只有1次機會重合，或者12個槽全部對上，或者1個也對不上，旋轉角度需為360°÷12÷1=30°，每次都需采用修磨螺母端面的方法解決，既損壞機件連接性能，又耗費人力物力。而在CFM56系列發(fā)動機類似設計中，高壓渦輪后軸頸后端面周向均布12個卡槽，而軸承螺母后端面周向均布11個卡槽，螺母旋轉1周，有11次機會可以對正鎖緊，旋轉角度只需為 360°÷12÷11=2.73°，這樣可使力矩范圍更窄，也能1次對正成功。

圖2 軸承螺母鎖緊

圖3 軸承螺母

1.3 防錯設計

航空發(fā)動機結構功能極其復雜，如果出現(xiàn)零組件裝配錯誤，將直接影響發(fā)動機的結構功能，導致發(fā)動機故障，如裝配錯誤不能被及時發(fā)現(xiàn)，可能造成機毀人亡的重大事故[11]。為避免這些情況發(fā)生，在結構設計時，將容易錯裝的部件設計成僅有1種裝配結構至關重要。

如某型發(fā)動機后蓋組件中的進油管在裝配過程中不可見，裝配完成后是否安裝正確不可檢查，而后蓋組件螺栓安裝孔為24處均布（無角向位置標識），且后蓋組件與相配件及進油管接頭處均有膠圈密封，在裝配過程中呈現(xiàn)緊配合狀態(tài)（如圖4所示）。在實際裝配中，操作者目視預估了進油管角向位置（此時已周向串動了1個螺栓孔位置），將后蓋組件安裝到相配件上，安裝過程中緊度較大，認為是膠圈過緊，用螺釘強行將后蓋組件壓緊，結果進油管接頭未插入油路接嘴，導致支點軸承斷油失效，造成嚴重的發(fā)動機故障。為此在后蓋組件相配件上增加了防差錯臺階銷，避免類似故障發(fā)生。

又如某型發(fā)動機第5級整流葉片外環(huán)前后安裝邊結構及尺寸幾乎相同（如圖5所示），整流葉片反方向裝配（進氣邊與排氣邊顛倒），也可以裝進機匣，而且即使裝配錯誤，在后續(xù)操作中也很難發(fā)現(xiàn)。在科研裝配中及時發(fā)現(xiàn)了該問題，并在工藝文件中進行特殊標記，每次裝配時由工藝人員及檢驗人員多次檢查確認，在葉片進氣邊標記區(qū)別。此問題后續(xù)雖沒有再次發(fā)生，但在不可預知的人為差錯轉化為缺陷之前，利用防錯設計手段避免仍是最好方法。

圖4 后蓋組件安裝

圖5 第5級整流葉片安裝

1.4 考慮工裝與工具的設計

工裝與工具是實現(xiàn)零部件到航空發(fā)動機整機裝配的重要基礎，在目前串行研制模式下，如果設計者關注不足，就會給裝配工藝實施帶來困擾，很難實現(xiàn)發(fā)動機性能及可靠性控制，甚至無法實現(xiàn)裝配。

如某型發(fā)動機增壓級第3級整流器后安裝邊配合柱面是內止口（如圖6所示），與其配合的平衡工裝只能采用外止口，必然使工裝和第4級轉子葉片徑向間隙減小，造成平衡時第4級轉子葉片沒有分解空間，無法調整第4級轉子葉片下的平衡塊，極大影響了平衡精度和平衡效率。而CFM56-5B發(fā)動機類似結構中巧妙地采用外止口結構（如圖7所示），并且第3級整流器機匣較短，有效避免了這一問題的發(fā)生。

圖6 某型發(fā)動機增壓級靜子結構

圖7 CFM56-5B發(fā)動機增壓級靜子結構

類似地，在國內某型發(fā)動機轉子軸上有鎖緊螺母，但在轉子軸上缺少反扭結構，需要利用整個單元體進行反扭，安裝工裝時會給傳動線路上的其他機件帶來劃傷風險和磕碰隱患；對需要水平姿態(tài)裝配的某型發(fā)動機風扇帽罩未設計工藝吊點（如圖8所示），導致在實際裝配時無法安裝吊具；壓氣機鼓筒內連接螺母距離盤心軸線太遠，而距離鼓筒內徑太近，盤心與盤心間距離不足30 mm（如圖9所示），難以使用扳手工具擰緊或分解，操作不僅費時費力，而且不能有效地保障裝配質量。

圖8 風扇帽罩安裝

圖9 壓氣機鼓筒內連接螺母

在國外，對于工裝與工具，尤其對外場保障工具特別關注。由于發(fā)動機固有設計決定著所要求的發(fā)動機裝配和拆卸的保障工具，因此，PW公司從設計之初就將可裝配性（維修性）納入F119發(fā)動機設計中，在開始設計結構草圖之前采取綜合設計。內部設計大綱規(guī)定設計師要認識到必須考慮機械師如何能拆卸和裝配發(fā)動機部件，所以工具也畫在發(fā)動機結構圖上，以確定裝配工具的可達性，以及對操作者裝配這些部件所要求的技術水平。發(fā)動機設計和工裝設計應協(xié)同工作，為設計1種容易裝配和拆卸發(fā)動機的專用工裝而改變發(fā)動機設計的情況時有發(fā)生。F119發(fā)動機所有外場可更換件所用工具僅是8件標準手動工具，與現(xiàn)役發(fā)動機相比，數(shù)目減少60%，質量減輕40%。新工具設計的特點是：采用鋁合金材料、安全系數(shù)為6、工具由1人操作，操作方便，效率極高[12]。

1.5 平衡精度設計

在平衡的技術要求中，存在部分平衡轉速要求和剩余不平衡量要求過高或者對初始不平衡量無要求的情況。

如在某型發(fā)動機試驗件中，要求整體葉盤靜平衡轉速不低于1000 r/min，由于為整體葉盤，不需要利用平衡轉速甩開葉片提高平衡穩(wěn)定性。對剛性轉子而言，不論其實際轉速，還是動平衡轉速，都遠遠低于轉子本身的臨界轉速，因此只要在“低速”時能保證達到動平衡精度要求，轉子在實際工作轉速條件下仍能達到規(guī)定的精度要求。如果轉速過高，對平衡機而言啟動功率、操作時間、潤滑保養(yǎng)等均比低轉速時要求高，加長轉子啟停時間，還會使有靜撓度的轉子在高速下增大其撓度（動撓度），從而造成虛假平衡，增加操作危險性。

SAE ARP平衡標準和GB平衡標準規(guī)定，航空發(fā)動機轉子的平衡品質一般取G6.3，更高的要求達到G2.5，而剩余不平衡量的設計值明顯比依照標準計算的精度高，有的甚至比G1等級還要高，存在優(yōu)化改進空間。

如果轉子的初始不平衡量過大，會使平衡好的轉子內部仍存在較大力矩，在轉子高速運轉過程中形成較大的轉子內部應力，進而破壞轉子本身的平衡狀態(tài)。這將會引起整機振動過大，還將使轉子零部件出現(xiàn)較大的應力、變形、連接松動等，所以應對轉子初始不平衡量給出明確要求，通常取剩余不平衡量的10～15倍為宜。

2 結束語

航空發(fā)動機零部件數(shù)目繁多，結構復雜，精度及性能要求高，型號規(guī)格相似，在生命周期內需要多次裝配、分解及維修，且為手工裝配，工作量大，錯裝、漏裝現(xiàn)象容易發(fā)生。因此，對于航空發(fā)動機這種高度復雜的產(chǎn)品，除了應當完善嚴格的工藝規(guī)劃、裝配操作與流程管理外，更應當在設計初期對產(chǎn)品的可裝配性進行分析，總體上提高產(chǎn)品質量和可靠性，降低成本，縮短發(fā)動機的開發(fā)和制造周期。

3 展望

基于航空發(fā)動機的可裝配性，以下3方面將是產(chǎn)品結構設計與研制的重要發(fā)展方向。

（1）結構輕量化設計。對航空發(fā)動機零部件進行輕量化設計，要求最大程度減少產(chǎn)品數(shù)量，盡可能地簡化結構的復雜程度，并進行各部件間的結構優(yōu)化整合，便于零部件的加工生產(chǎn)和使用管理，大幅度縮短產(chǎn)品的研制生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品的制造裝配效率，易于保證發(fā)動機運轉時的性能穩(wěn)定性和工作壽命。

（2）連接自動化設計。傳統(tǒng)的人工手動裝配方法會使航空發(fā)動機連接面貼合度不均勻，易導致發(fā)動機運轉時轉子發(fā)生振動，同時手動裝配更易產(chǎn)生誤操作，對工作安全構成嚴重威脅，且生產(chǎn)效率極低?；谧詣踊B接技術進行產(chǎn)品結構設計，采用固定力矩和扭角進行安裝，可實現(xiàn)連接面平穩(wěn)貼合，并可永久存儲裝配數(shù)據(jù)，從而大幅度提高裝配效率，更可為發(fā)動機排故和研制提供重要支持。

（3）虛擬預裝配設計。采用虛擬裝配技術，建立航空發(fā)動機結構及工藝數(shù)字化模型，在設計階段即可模擬發(fā)動機裝配過程，設計者無需通過實物樣機就能對發(fā)動機設計結果進行多角度、全方位的分析與驗證，從而使大量的設計、工藝、甚至使用維護問題在產(chǎn)品設計階段提前發(fā)現(xiàn)并解決，以達到提高研制質量、縮短研制周期的目的。