渦軸發(fā)動機轉靜子間隙精密測量與控制技術研究

夏華騰 唐湘林 王鐵 黃曉鳴

摘要：新型渦軸發(fā)動機設計性能要求高，轉靜子間隙小，對裝配過程中的測量與控制提出了更高的要求。本文研究了一種模擬壓氣機轉子在旋轉狀態(tài)下與靜子流道配合間隙動態(tài)變化情況的測量方法，可精確有效地測量轉靜子的徑向間隙，通過修配控制，解決了轉靜子異常刮磨問題，提高了發(fā)動機性能和質量，降低了轉靜子卡滯故障發(fā)生率，確保了發(fā)動機性能可靠和使用安全。

關鍵詞：壓氣機；轉靜子徑向間隙；旋轉半徑測量法；刮磨

Keywords： compressor；rotor-stator radial clearance；rotation radius measurement method；scraping

0 前言

壓氣機轉靜子葉尖徑向間隙對壓氣機性能有重要影響，衡量壓氣機氣動性能的參數如壓比、效率以及失速裕度都隨著徑向間隙的變化而變化。常規(guī)裝配工藝僅要求轉靜子間隙平均值與理論值相符，未考慮因機匣變形、轉子偏心、零件尺寸公差等工藝原因造成的非軸向對稱的葉尖間隙分布，導致葉尖徑向間隙存在最大間隙點和最小間隙點。在最大間隙處，葉片壓力面上的高壓氣體通過葉尖間隙流向吸力面，形成泄漏二次流，導致葉尖泄漏量過大，致使壓氣機效率和壓比下降，裝配間隙增加1%，壓氣機效率下降2%；在最小間隙處，轉靜子易發(fā)生刮磨，影響發(fā)動機安全。

隨著渦軸發(fā)動機的進一步發(fā)展，為提高壓氣機壓比、效率，轉靜子結構設計得極為緊湊，軸承腔的油路、氣路封嚴采用大量蓖齒封嚴結構，間隙最小值已達到單邊0.025mm。傳統(tǒng)的通過測量和控制轉靜子平均間隙來保證發(fā)動機性能及安全的方法已難以滿足實際要求，得出的結果與發(fā)動機實際工作狀態(tài)存在差異，容易造成發(fā)動機轉靜子碰磨、壓氣機喘振、發(fā)動機性能差等問題。因此，更準確地測量并控制新型渦軸發(fā)動機轉靜子間隙成為行業(yè)重點研究技術之一。

1 測量方法現(xiàn)狀

傳統(tǒng)采用靜態(tài)三坐標測量法，具體過程如下：

1）用三坐標測量儀周向均布測量8～12點，測量壓氣機轉靜子各級葉尖、輪轂或流道半徑。

2）分別找出并記錄測量點最大值、平均值、最小值，平均值為所有測點的均值。

3）根據公式計算出轉靜子配合間隙，見表1。

傳統(tǒng)方法的不足之處主要包括兩個方面：

1）三坐標測量采點的隨機性。如圖1所示，三坐標一般隨機采8～12個點測量，測量點中不能保證包含圓的最大點（即跳動高點）或最小點（即跳動低點），導致其所測的最小值、最大值較實際值有誤差。

2）未考慮測量基準及轉子的轉動特性。如圖2所示，轉子轉動時，理論轉動中心與工作狀態(tài)下轉子實際轉動中心線存在差異，高低點也會隨著轉動。

2 測量方法的改進

針對傳統(tǒng)方法的不足，開展了多級壓氣機轉靜子間隙精密測量技術研究，驗證并總結了一種模擬壓氣機轉子旋轉狀態(tài)下與靜子流道配合間隙動態(tài)變化的測量方法——旋轉半徑測量法。通過該方法近似測量發(fā)動機運轉過程中轉靜子之間的間隙狀態(tài)，可以提高裝配工藝的可靠性，在保證發(fā)動機性能的同時兼顧發(fā)動機轉靜子在極小間隙下安全運轉，避免發(fā)動機運轉過程中轉靜子件的異常刮磨，從而提高發(fā)動機的安全性、可靠性。

2.1 旋轉半徑測量法

平均間隙測量方法與常規(guī)方法相同。蓖齒封嚴間隙測量方法與壓氣機轉靜子間隙測量方法類似。

通過以上測量方法，可測算出轉靜子真實的最小間隙，提高了裝配質量的穩(wěn)定性。

2.3 效果驗證

通過上述各轉靜子間隙測量方法的改進，得出的轉靜子最小間隙較真實，提高了裝配質量。某新型渦軸發(fā)動機自實施壓氣機轉靜子間隙測量改進方案以來，壓氣機轉子葉尖刮磨問題從40%降低至2%，下降明顯。

3 結論

通過轉靜子間隙測量方法的研究，針對現(xiàn)有測量方法的不足提出旋轉半徑測量法，較原方法有明顯優(yōu)勢，已在多型批產和科研渦軸發(fā)動機中廣泛應用，顯著提高了發(fā)動機的裝配質量和安全性。該方法適用于各類發(fā)動機，有較好的推廣應用意義。