誤差分離方法在多級低壓渦輪轉(zhuǎn)子不同心度測量中的應(yīng)用研究

摘要：本文針對某型大涵道比渦扇發(fā)動機多級低壓渦輪裝配中不同心度測量基準(zhǔn)調(diào)整困難的問題，提出了在現(xiàn)有裝配測量條件下，應(yīng)用最小二乘法的轉(zhuǎn)子不同心度測量誤差分離方法，保障了裝配過程測量精度，降低了基準(zhǔn)安裝調(diào)整難度，實現(xiàn)了低渦轉(zhuǎn)子初始不平衡量的有效控制。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機;測量;誤差分離;不同心度

航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子不同心度對轉(zhuǎn)子初始不平衡量和轉(zhuǎn)靜子碰磨等有直接影響，進而影響發(fā)動機振動品質(zhì)和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性。[1][2]某型大涵道比渦扇發(fā)動機低壓渦輪具有級數(shù)多、質(zhì)量大、轉(zhuǎn)速高、負荷大的特點，因此多級渦輪轉(zhuǎn)子裝配后的不同心度對發(fā)動機振動品質(zhì)和穩(wěn)定性影響更加重要，需要在裝配過程中進行精確測量并加以控制。

1問題提出

在某臺大涵道比渦扇發(fā)動機多級渦輪轉(zhuǎn)子裝配過程中，出現(xiàn)后修正面初始不平衡量超限的問題，通過采用工藝手段逐項排查，主要由于該臺多級渦輪轉(zhuǎn)子裝配不同心度超差造成。因此，對多級渦輪轉(zhuǎn)子裝配不同心度的測量要求、測量方法及誤差來源進行分析。某型號低壓渦輪轉(zhuǎn)子為五級，盤與盤之間為精密螺栓定位連接，連接螺栓位置度偏差最大為0.05mm，同時各轉(zhuǎn)子件自身有加工形位公差，因此盤與盤之間存在一個最優(yōu)角向位置，使各級盤組合后不同心度最低。

目前，多級低壓渦輪轉(zhuǎn)子（及靜子）的不同心度測量及裝配均在專用裝配測量轉(zhuǎn)臺上進行。低壓渦輪轉(zhuǎn)子不同心度測量方法及裝配為：將一級盤組件落在裝配轉(zhuǎn)臺基準(zhǔn)座上，利用一級盤前端面進行端面定位，利用一級盤盤心進行柱面定位。調(diào)節(jié)一級盤和轉(zhuǎn)靜子裝配轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸同心，壓緊三個壓板，對一級盤定位。然后逐級進行二～五級渦輪盤、二～五級靜子組件裝配，并檢查二～五級渦輪盤組件的跳動，要求徑向跳動不大于0.05mm，見圖1。

經(jīng)過分析，多級低壓渦輪轉(zhuǎn)子不同心度測量的誤差來源主要包括：轉(zhuǎn)子測量回轉(zhuǎn)誤差、測量基準(zhǔn)（一級盤）端面及柱面定位誤差。其中轉(zhuǎn)子測量回轉(zhuǎn)誤差由工裝回轉(zhuǎn)部分保證，利用滑動摩擦副的小間隙長尺寸配合，經(jīng)試驗驗證回轉(zhuǎn)精度達到0.005mm。測量基準(zhǔn)端面定位誤差由工裝轉(zhuǎn)子支撐部分加工精度保證，經(jīng)檢驗由端面定位誤差引起的不同心度最大為0.003mm，對不同心度測量影響較小。

測量基準(zhǔn)柱面定位誤差即一級盤安裝偏心誤差是由于一級盤與工裝定位面間隙大、工裝定位面加工精度差，以及手動調(diào)節(jié)基準(zhǔn)不可靠引入。一級盤和裝配臺的扇形定位塊柱面為間隙配合（間隙0.125mm～間隙0.05mm）。裝配時手動調(diào)節(jié)一級盤位置，采用壓板壓緊方式對一級盤定位。結(jié)構(gòu)如圖3，其中1是壓板，3是壓緊螺母。由于手動調(diào)節(jié)基準(zhǔn)的局限性及裝配卡緊過程引入偏心，使低渦一級盤安裝后不可避免的偏離裝配臺回轉(zhuǎn)軸線，即低渦一級盤這一跳動測量基準(zhǔn)存在一定的安裝偏心誤差，該誤差是低渦轉(zhuǎn)子徑向跳動測量結(jié)果主要影響因素。

由于測量值要求較小，僅僅依靠提高轉(zhuǎn)臺加工精度、裝調(diào)精度是不盡合理的，既不經(jīng)濟又難以達到目的。比較經(jīng)濟有效的方法是準(zhǔn)確測出誤差，然后進行修正。

2基于最小二乘法的不同心度測量誤差分離方法

本方法的原理是，基于低渦一級盤徑向跳動測量結(jié)果，利用最小二乘法計算得到低渦一級盤安裝偏心誤差，然后對二～五級盤、轉(zhuǎn)子支撐錐盤徑向跳動結(jié)果進行修正，得到消除基準(zhǔn)偏心誤差后的一～五級盤、轉(zhuǎn)子支承錐盤徑向跳動。

在低渦轉(zhuǎn)子跳動測量中，一級盤安裝偏心量為（a，b），即修正后測量基準(zhǔn)相對實際測量基準(zhǔn)偏移（a，b）。將在實際測量基準(zhǔn)下測量的二～五級盤柱跳通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，得到在修正后測量基準(zhǔn)下的柱跳。

計算可得，Δγi′為消除一級盤定位偏心后的徑向跳動。

xi=（Δγi′+R1）cosθi

yi=（Δγi′+R1）sinθi（1）

xi′=xi-a=（Δγi+R1）cosθi-a

yi′=yi-b=（Δγi+R1）sinθi-b（2）

γi′=xi′2+yi′2

=（（Δγi+R）cosθi-a）2+（（Δγi+R）sinθi-b）2（3）

Δγi′=γi′-R2

=（（Δγi+R）cosθi-a）2+（（Δγi+R）sinθi-b）2-R2（4）3 應(yīng)用分析

對出現(xiàn)初始不平衡量超限的多級渦輪轉(zhuǎn)子，利用基于最小二乘法的不同心度測量誤差分離方法，得到低渦一～五盤不同心度的準(zhǔn)確數(shù)值。

以低渦一級盤跳動為例，應(yīng)用第三章得到的公式（4），得到一級盤跳動修正值，結(jié)果見圖3。

同理，對二～五級盤跳動實測值進行修正，得到消除一級盤安裝偏心（a，b）的二～五級盤徑向跳動修正值。

根據(jù)修正后的徑向跳動值，調(diào)整各級渦輪盤裝配的相對角度，將三級盤相對四級盤順航向逆時針旋轉(zhuǎn)約100°，將五級盤相對四級盤順航向逆時針旋轉(zhuǎn)約45°進行裝配，使得不同心度滿足要求?；謴?fù)裝配后重新測量低渦轉(zhuǎn)子初始不平衡量，結(jié)果滿足要求，見下表。并且該臺份發(fā)動機裝配完成后，在試車中表現(xiàn)良好，未出現(xiàn)低壓振動超限的情況。結(jié)果表明，采用誤差分離方法，能夠在現(xiàn)有裝配工裝條件下，簡便高效地得到準(zhǔn)確跳動值，進而降低渦輪轉(zhuǎn)子不同心度，提高了渦輪轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量。

初始不平衡量實際測量值跳動修正后，重新裝配，實際測量值下降百分比C面不平衡量（g.mm）/位置4610∠111°3820∠75°17%D面不平衡量（g.mm）/位置8685∠270°5225∠320°38% 經(jīng)統(tǒng)計分析，采用基于最小二乘法的轉(zhuǎn)子不同心度測量誤差分離方法的多級渦輪轉(zhuǎn)子，未出現(xiàn)過初始不平衡量超限的情況，并在試車中表現(xiàn)良好，未出現(xiàn)低壓振動大、低壓轉(zhuǎn)靜子碰磨等情況，表明該方法對解決工裝定位精度差的問題及提高多級渦輪轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量有重要作用。

4結(jié)論

（1）不同心度測量是發(fā)動機裝配過程中重要的測試指標(biāo)，對某型號多級渦輪轉(zhuǎn)子不同心度測量方法及誤差來源進行分析，得到測量基準(zhǔn)柱面定位誤差是不同心度測量誤差的主要來源。

（2）在現(xiàn)有裝配工裝加工精度較低情況下，通過采用基于最小二乘法的轉(zhuǎn)子不同心度測量誤差分離方法，提高了測量精度，不僅易實現(xiàn)，也相對低廉，取得了令人滿意的效果。

參考文獻：

[1]劉永泉，王德友，等.航空發(fā)動機整機振動控制技術(shù)分析[J].航空發(fā)動機，2013，39（5）：1-8.

[2]孫貴青，吳法勇.航空發(fā)動機不同心度測試技術(shù)研究[C].第六屆中國航空學(xué)會青年科技論壇文集.沈陽：中國航空學(xué)會，2014：1022-1028.

[3]呂玉紅，吳法勇，等.整機裝配階段的同心度測量研究現(xiàn)狀綜述[C].第十五屆中國科技協(xié)會航空發(fā)動機設(shè)計、制造與應(yīng)用技術(shù)研討會論文集.貴陽：中國科技協(xié)會，2013：1-6.

[4]陳光，洪杰，馬艷紅.航空燃氣渦輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

作者簡介：孫慧潔（1989-），女，山東濟南人，工程師，主要研究方向：航空發(fā)動機裝配工藝。