航空發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子鎖緊結(jié)構(gòu)裝配檢測要求研究

對于雙轉(zhuǎn)子直驅(qū)渦扇發(fā)動機，高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可達10000r/ min以上，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達2000r/min以上，需通過正確提出轉(zhuǎn)子前后鎖緊結(jié)構(gòu)的裝配要求，來保證發(fā)動機的安全、可靠和正常運轉(zhuǎn)。

航空發(fā)動機的裝配是制造組裝的最后環(huán)節(jié)，其中裝配要求尤其是裝配過程檢測尺寸要求，決定了產(chǎn)品運行的可靠性和安全性，是表明產(chǎn)品裝配及交付是否合格的關(guān)鍵要素。目前，航空發(fā)動機大多為典型高低壓雙轉(zhuǎn)子構(gòu)型，高壓轉(zhuǎn)子由高壓壓氣機轉(zhuǎn)子、高壓渦輪轉(zhuǎn)子組合而成，轉(zhuǎn)子在工作中高速旋轉(zhuǎn)，其常用的轉(zhuǎn)子鎖緊方式為前后大螺母擰緊。按照《航空發(fā)動機適航規(guī)定》（CCAR-33-R2）第33.93條要求，針對發(fā)動機掛飛試驗、地面試驗、高空試驗等試驗驗證后，以及發(fā)動機長時服役返廠維護時，需進行分解至零組件級的維護檢查，且要求不允許出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。例如，過度的松開扭矩，與安裝力矩對比過大或過小的松開力矩。對高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)裝配檢測尺寸要求開展研究，可以解決分解力矩過小問題，保障高速旋轉(zhuǎn)件可靠運行。

高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)

高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)的主要功能為將中央傳動齒輪箱（IGB）主動錐齒輪及3號支點軸承（由一個滾珠軸承和一個滾棒軸承組成）壓緊至高壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，確保滾珠軸承（承受軸向力）及滾棒軸承（承受徑向力）隨高壓轉(zhuǎn)子安全可靠的工作。高壓轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)下（熱態(tài)），軸向載荷由壓氣機轉(zhuǎn)子前軸頸與IGB的過盈、壓氣機轉(zhuǎn)子前軸頸與IGB的套齒結(jié)構(gòu)傳遞到滾珠軸承，由滾珠軸承傳力至承力機匣，由承力機匣傳遞至安裝節(jié)傳出；徑向載荷由滾棒軸承通過承力機匣傳遞至安裝節(jié)傳出。設(shè)計要求轉(zhuǎn)子連接結(jié)構(gòu)在工作過程中不脫開，須可靠傳遞各種工作載荷。

高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示，由前承力機匣（核心機試驗件）/中介機匣（整機）、3號支點軸承及IGB組件、高壓壓氣機轉(zhuǎn)子前軸頸、壓緊螺母4部分組成。其中，3號支點軸承及IGB組件，通過主動錐齒輪以過盈配合及套齒傳力的形式與高壓轉(zhuǎn)子組裝在一起；3號支點軸承通過止口過盈與螺栓配合的形式與承力機匣組裝在一起；壓緊螺母以擰緊的形式將3號支點軸承及IGB組件、高壓轉(zhuǎn)子前軸頸結(jié)構(gòu)等連接在一起。

圖1 高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)

圖1中示出了IGB轉(zhuǎn)子件與高壓轉(zhuǎn)子之間軸向配合。BA1 ～BA6、Zmes、Zcal、ΔZ為軸向尺寸，對ΔZ提出裝配尺寸檢測要求。其中，BA1為前軸頸前端面至與篦齒環(huán)后端配合面軸向尺寸；BA2為篦齒環(huán)軸向尺寸；BA3為主動錐齒輪前端面至跑道組件后端面軸向尺寸（BA3由調(diào)整墊1、調(diào)整墊2保證，不同發(fā)動機機型略有差異）；BA4為壓緊螺母軸向長度；BA5為高壓壓氣機轉(zhuǎn)子狀態(tài)下的前軸頸至篦齒環(huán)前端面長度；BA6為直接測量得到的前軸頸前端面至主動錐齒輪前端面軸向長度；BA1 ～BA6需要滿足在裝配過程中的單件或組件狀態(tài)下的尺寸限制值要求；Zcal為前篦齒壓緊螺母前端面至高壓壓氣機前軸頸前端面軸向距離計算值；Zmes為前篦齒壓緊螺母前端面至高壓壓氣機前軸頸前端面軸向距離實測值；ΔZ為實測值（Zmes）-計算值（Zcal），ΔZ需要滿足最終的裝配尺寸限制值要求。

IGB轉(zhuǎn)子件與高壓轉(zhuǎn)子之間徑向配合要求為過盈配合。在裝配過程中，采用加熱3號支點軸承及IGB組件的方式確保徑向順利裝配，圖2為裝配工藝說明。

圖2 裝配工藝說明

高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)

螺母分解力矩過小問題

在已有各臺核心機地面臺大氣進氣試驗、加溫加壓試驗、高空試驗后的分解檢查過程中發(fā)現(xiàn)部分臺份次分解力矩過小的情況。螺母分解力矩過小表示此處螺母在試驗過程中發(fā)生了松動情況；存在螺母脫出，極端情況有可能發(fā)生高壓轉(zhuǎn)子從3號支點軸承及IGB組件上松脫，導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)靜子軸向碰磨，影響試驗安全。

經(jīng)故障樹進行底事件排查（見圖3），因未考慮裝配和工作軸向壓緊變形對鎖緊結(jié)構(gòu)壓緊力矩的影響，原高壓轉(zhuǎn)子裝配尺寸檢測要求ΔZ為-0.25 ～+0.05mm 過于 寬 松，在軸向力較大的試驗狀態(tài)下，3 號支點軸承及IGB 組件、高壓轉(zhuǎn)子前軸頸、篦齒環(huán)等結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)子軸向力壓緊變形后的變形量小于壓緊螺母裝配后的鎖緊位置，導(dǎo)致壓緊螺母軸向力消失。

圖3 前端鎖緊結(jié)構(gòu)螺母分解力矩過小問題故障樹

分析歷次裝配分解數(shù)據(jù)，可以初步判定力矩下降與裝配檢測要求尺寸值ΔZ有關(guān)。在ΔZ壓縮量大于-0.05mm時，出現(xiàn)分解力矩下降25%以上的情況；ΔZ壓縮量小于-0.05mm時，分解力矩?zé)o明顯下降（10%以內(nèi)）。結(jié)合理論計算結(jié)果，ΔZ要求的上限應(yīng)改為-0.05mm才可滿足試驗中高壓轉(zhuǎn)子軸向力較大狀態(tài)時，壓緊螺母不松脫的安全性、可靠性工作要求。

高壓轉(zhuǎn)子鎖緊結(jié)構(gòu)裝配檢測要求設(shè)計方法

針對分解力矩變小的問題，為了確保裝配到位，使轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)下擰緊螺母力矩不下降、且可靠運轉(zhuǎn)，通過設(shè)計高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)在工作過程中變形量的方法來確定和校核高壓轉(zhuǎn)子前端裝配檢測尺寸ΔZ要求范圍。

結(jié)構(gòu)參數(shù)與邊界條件

高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)分為4個整體，包括壓緊螺母、3號支點軸承及IGB組件、壓氣機篦齒環(huán)、前軸頸，所需計算的材料系數(shù)為裝配狀態(tài)溫度和工作狀態(tài)溫度下的熱膨脹系數(shù)、彈性模量。

高壓轉(zhuǎn)子壓緊螺母在裝配過程中須擰緊兩次，第一次是在加熱3號支點軸承及IGB組件和承力機匣后，將高壓轉(zhuǎn)子前端拉入3號支點軸承及IGB組件，使其組裝到位，采用較大的擰緊力矩；第二次是為了保證工作狀態(tài)的擰緊力矩比裝配力矩要小。高壓轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)下的載荷包括轉(zhuǎn)子軸向力載荷、螺母壓緊力載荷以及溫度載荷，其中最大軸向力對應(yīng)整機標(biāo)天起飛工況點（發(fā)動機設(shè)計基準(zhǔn)工況），最小軸向力對應(yīng)整機最小氣動負荷工況，軸向力順航向向前。

徑向變形校核

計算裝配和工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)徑向變形量，此處結(jié)構(gòu)徑向載荷及變形僅考慮結(jié)構(gòu)溫度載荷變化引起的熱變形，即可采用材料力學(xué)經(jīng)典熱變形公式進行快速評估。通過計算結(jié)構(gòu)加工至極限公差情況下的熱變形量徑向計算結(jié)果可以得知，在裝配狀態(tài)下，孔軸之間為間隙配合，可以保證裝配時轉(zhuǎn)子前軸頸穿過IGB主動錐齒輪結(jié)構(gòu)無困難；在工作狀態(tài)下，孔軸之間為過盈配合，可以保證工作時的傳扭和傳力，滿足結(jié)構(gòu)的功能性需求。

軸向變形校核

計算裝配和工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)軸向變形量。在裝配狀態(tài)下，影響軸向變形的載荷主要為壓緊螺母擰緊力矩；在工作狀態(tài)下，影響軸向變形的載荷主要為轉(zhuǎn)子軸向力、溫度載荷。其中，可采用材料力學(xué)虎克定律公式進行快速評估；根據(jù)《機械設(shè)計手冊》可以將擰緊力矩轉(zhuǎn)換為軸向壓緊力。

通過校核裝配過程軸向變形計算結(jié)果可以得知，在裝配過程中，施加兩次擰緊力矩，壓緊螺母、3號支點軸承及IGB組件、壓氣機篦齒環(huán)、前軸頸產(chǎn)生的理論軸向變形為第一次壓縮變形量大，第二次壓縮變形量小。為避免結(jié)構(gòu)受力變形大引起結(jié)構(gòu)損傷，應(yīng)選取受力大的第一次變形壓縮量作為ΔZ的限制要求。

通過校核工作狀態(tài)軸向變形計算結(jié)果可以得知，在整機標(biāo)天起飛狀態(tài)，3號支點軸承承受最大軸向力載荷作用下，對轉(zhuǎn)子前軸頸結(jié)構(gòu)的軸向變形影響較大。須在裝配時將各相關(guān)結(jié)構(gòu)壓緊變形，ΔZ的限制要求應(yīng)滿足承受最大工作軸向力載荷作用下的軸向變形量，才能保證在整機標(biāo)天起飛狀態(tài)以及其他工況狀態(tài)下工作時，高壓轉(zhuǎn)子及壓緊螺母結(jié)構(gòu)不松脫。

高壓轉(zhuǎn)子鎖緊結(jié)構(gòu)裝配檢測要求改進應(yīng)用

根據(jù)結(jié)構(gòu)變形量的理論計算可以判定高壓轉(zhuǎn)子前支點鎖緊結(jié)構(gòu)，其徑向尺寸設(shè)計合理，能夠保證裝配過程為間隙配合，工作狀態(tài)下為過盈配合；其軸向尺寸既要考慮到裝配過程中的受力情況，也要考慮工作狀態(tài)下的受力情況。高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)的裝配檢測尺寸實測值ΔZ，須滿足最小壓緊量大于最大高壓轉(zhuǎn)子軸向力載荷條件下的壓緊變形量；最大壓緊量小于理想裝配狀態(tài)下所受最大擰緊力矩載荷的壓緊變形量。此數(shù)值范圍根據(jù)不同型號發(fā)動機，可采用本文敘述的方法根據(jù)具體結(jié)構(gòu)尺寸進行快速校正。落實經(jīng)校核后的高壓轉(zhuǎn)子裝配檢測ΔZ限制值后，后續(xù)臺份次發(fā)動機試車后再未發(fā)生分解力矩過小的問題。

結(jié)束語

基于適航條款中對分解力矩不允許過小的要求，針對高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)裝配檢測要求開展和完成了評估方法和研究成果驗證工作，認為變形量快速評估方法可以應(yīng)用和指導(dǎo)航空發(fā)動機高、低壓轉(zhuǎn)子其他以大螺母為鎖緊結(jié)構(gòu)的裝配檢測限制值的設(shè)計，確保螺母在工作過程中不松脫，保證轉(zhuǎn)子鎖緊結(jié)構(gòu)工作可靠。