航空發(fā)動機多級低渦轉(zhuǎn)子葉片裝配工藝設(shè)計

楊洋 龍洋 孫貴青 李昊軒 趙宇

摘 要：為解決航空發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片裝分操作中存在的緣板易損、葉冠錯齒、裝配應力大等問題，提出一種可施加平穩(wěn)載荷，對葉片與渦輪盤相對軸向距離進行無級調(diào)控的新型裝配工藝。設(shè)計的轉(zhuǎn)子葉片裝分裝置，能夠滿足裝配需求，可為發(fā)動機其他轉(zhuǎn)子類似結(jié)構(gòu)的裝配工藝提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；低壓渦輪；轉(zhuǎn)子葉片；裝配工藝

1 概述

大涵道比渦扇發(fā)動機普遍追求大推力、大功率等性能指標。為了驅(qū)動大風扇、提高效率，渦輪結(jié)構(gòu)一般采用多級低壓渦輪。[1]低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片作為其中重要零件之一，不僅加工難度大，制造成本昂貴，工作時又需要在高溫高壓狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，承載受力大，工況復雜。[2]面對如此惡劣的條件，轉(zhuǎn)子葉片表面微小的損傷都極有可能被催化放大，進而產(chǎn)生裂紋、掉塊等故障，嚴重威脅發(fā)動機可靠性和穩(wěn)定性。因此無論從控制投入成本、生產(chǎn)周期亦或保障發(fā)動機性能角度考慮，轉(zhuǎn)子葉片的表面質(zhì)量都需要全方位嚴加要求。

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計特殊性，低渦轉(zhuǎn)子葉片榫頭安裝到盤組件榫槽時，需要克服一定阻力。為避免施加裝配外力造成轉(zhuǎn)子葉片表面損傷，國外安裝轉(zhuǎn)子葉片采用專用裝配工藝，而國內(nèi)在該工藝研究方面一直處于瓶頸狀態(tài)。[3-4]目前國內(nèi)采用手動敲擊葉片的裝配方式，易造成葉片損傷、葉冠錯齒等情況，存在安全隱患，影響裝配質(zhì)量。

本文基于對多級低壓渦輪盤片組件的結(jié)構(gòu)分析，提供了一種轉(zhuǎn)子葉片的新型裝配工藝，操作方式簡單，在一定程度上降低了裝配應力，確保發(fā)動機裝配質(zhì)量和性能。

2 結(jié)構(gòu)分析

鋸齒形葉冠為發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片常用葉冠形狀。由于相鄰葉片間葉冠鋸齒存在咬合，因此該型葉冠葉片在盤組件上的裝分操作，需要整圈葉片沿盤組件同時軸向移動方能實現(xiàn)。

受機件加工誤差、葉片間相互約束等因素影響，整圈葉片需克服一定阻力才能沿盤組件移動。而鑒于轉(zhuǎn)子葉片和渦輪盤的裝配結(jié)構(gòu)特點和可操作性，轉(zhuǎn)子葉片的外力可作用位置僅限于內(nèi)緣板附近位置。國內(nèi)現(xiàn)多采用橡膠錘或其他類似工具敲砸緣板的方法施加沖擊外載：操作者首先將所有葉片榫頭搭接到渦輪盤榫槽上，同時確保葉片葉冠處于正常咬合狀態(tài)；準備好后手持橡膠錘，敲砸若干相鄰葉片的緣板，使其軸向移動一小段距離，接著再對鄰近若干葉片敲擊，如此逐組進行，整圈葉片得以軸向移動一定距離，重復操作，最終實現(xiàn)葉片裝分。這種方法看似簡單，但實際存在很大安全風險：人工施加沖擊外載，難以控制施力大小，力過小無法實現(xiàn)葉片安裝，力過大容易損傷葉片，且葉片內(nèi)緣板結(jié)構(gòu)較窄，強度不高，現(xiàn)場已多次出現(xiàn)緣板砸傷事故。

3 工藝設(shè)計

3.1 總體方案

轉(zhuǎn)子葉片在渦輪盤組件上的裝配工藝設(shè)計，主要即加載裝置和支承裝置兩大工藝裝置的設(shè)計。加載裝置，主要為葉片裝分提供穩(wěn)定均勻載荷，受裝配結(jié)構(gòu)限制，僅可設(shè)置在葉片內(nèi)緣板附近位置加載；支承裝置，在裝分過程中支承定位葉片和渦輪盤組件，具備無級調(diào)控兩者相對軸向距離的功能，可適應過程中葉片和渦輪盤組件的任意軸向狀態(tài)。此外，考慮到低渦的多級結(jié)構(gòu)，因此該工藝設(shè)計需要具有通用適應性，加載裝置和支承裝置應能實現(xiàn)各級轉(zhuǎn)子葉片的裝分。

3.2 工藝原理

轉(zhuǎn)子葉片裝分原理見圖2。利用支承裝置對葉片和盤組件分別進行定位，通過加載機構(gòu)對葉片內(nèi)緣板根部附近位置/端面施加壓力，同時配合傳動機構(gòu)不斷調(diào)整葉片和盤間的軸向距離，最終實現(xiàn)葉片在盤組件上的裝配/分解。

由于葉片處于盤組件徑向外側(cè)且數(shù)目眾多，相鄰件間又僅存在葉冠鋸齒約束，故支承裝置托舉整圈葉片進行軸向運動實現(xiàn)難度較大，傳動機構(gòu)設(shè)計將十分復雜，相較而言，盤組件的移動更易實現(xiàn)，因此選定盤組件軸向移動、葉片固定作為裝分操作的工作形式。

3.3 裝置設(shè)計

低渦轉(zhuǎn)子葉片裝分工藝裝置結(jié)構(gòu)見圖3，由加載和支承兩大部分組成。加載裝置主要包括壓桿組件、滾輪組件、固緊螺母等；支承裝置主要包括底座、葉片支承組件、盤支承組件、傳動機構(gòu)等。底盤為整個裝置的基座，其上有螺栓孔，用于與工作臺之間的固定和防轉(zhuǎn)；葉片支承組件通過若干支承桿安裝在底盤上，負責支承葉片；傳動機構(gòu)與底座連接，其外螺紋套、壓桿支承套可繞中心軸各自周向轉(zhuǎn)動；盤支承組件用于放置渦輪盤組件，具備與各級盤相應接口，與傳動機構(gòu)的外螺紋套間設(shè)有螺紋傳動可以軸向移動；壓桿組件在壓桿支承套帶動下繞中心軸做周向回轉(zhuǎn)運動，其上裝有滾輪組件，用于對葉片加載。

整個發(fā)明裝置的動力輸入有兩處，分別為扳桿和壓桿組件：轉(zhuǎn)動扳桿，外螺紋套隨之旋轉(zhuǎn)，而與之有螺紋傳動連接的盤支承組件由于被防轉(zhuǎn)銷限制無法轉(zhuǎn)動，故將軸向移動，從而帶動盤組件軸向運動；盤組件向上運動，而葉片受滾輪組件壓制無法移動，葉片榫頭將插入/移出渦輪盤榫槽，推動壓桿組件帶動滾輪組件繞中心軸對整圈葉片轉(zhuǎn)動加載，即實現(xiàn)整圈葉片裝分。

盤組件和葉片相對位置受支承裝置限定，因此可通過調(diào)節(jié)盤支撐組件軸向進給量來控制每次滾輪滾壓時葉片相對盤組件的軸向移動距離，以此避免相鄰葉片移動距離相差過大造成的葉冠錯齒問題。此外，滾輪在壓桿組件上設(shè)有徑向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)低壓渦輪多級盤裝分的通用性。

4 結(jié)語

采用新型裝配工藝，實現(xiàn)航空發(fā)動機低渦轉(zhuǎn)子葉片的裝分，避免了以往操作過程中可能出現(xiàn)的過大沖擊力和葉冠錯齒問題，操作安全性明顯得以提高；此外，裝置的多級接口與滾輪徑向調(diào)節(jié)兩項功能，實現(xiàn)了工藝對于多級低渦結(jié)構(gòu)的通用適應性。經(jīng)現(xiàn)場應用實踐，使用該裝配工藝的操作過程中載荷施加緩慢平穩(wěn)，內(nèi)部裝配應力得以有效降低，一定程度上提高了裝配質(zhì)量。

參考文獻：

[1]楊養(yǎng)花，付依順，劉志江.大涵道比渦扇發(fā)動機渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析[J].航空發(fā)動機，2009，35（3）：8-11.

[2]衛(wèi)煒，周來水，安魯陵，蘭凌.航空發(fā)動機葉片型面測具快速設(shè)計系統(tǒng)[J].航空制造技術(shù)，2012，（11）：43-45.

[3]湯鳳，孟光.帶冠渦輪葉片的接觸分析[J].噪聲與振動控制，2005，（4）：5-7.

[4]袁惠群，張亮，韓清凱.航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子失諧葉片減振安裝優(yōu)化分析[J].振動測試與診斷，2011，31（5）：647-651.

作者簡介：楊洋（1988-），女，遼寧海城人，工程師，工作于中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，研究方向為發(fā)動機裝配工藝設(shè)計。