航空發(fā)動機孔探輔助工具設(shè)計與應(yīng)用

■ 郭佳驥/中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所

0 引言

航空發(fā)動機孔探檢查工作是利用工業(yè)內(nèi)窺鏡（孔探儀）對未分解發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)件進行檢查，目的是定時監(jiān)控零部件狀態(tài)，避免零部件損傷擴展導(dǎo)致更大的故障，保障發(fā)動機試驗及運行的安全。

近年，隨著國家周邊形勢復(fù)雜變化，戰(zhàn)機起飛頻次和單次工作時長大幅增加，發(fā)動機工作強度隨之加大，加之國產(chǎn)發(fā)動機逐步列裝投入使用，新型故障得以顯現(xiàn)，對航空發(fā)動機在翼周期性維護和故障檢修提出了更高要求，在常規(guī)檢查項目的基礎(chǔ)上，需借助孔探儀監(jiān)控重點故障部位。面對新的挑戰(zhàn)，應(yīng)提升維護人員孔探檢查操作水平、優(yōu)化孔探路徑、精準(zhǔn)定位檢查區(qū)域，緩解孔探檢查能力現(xiàn)狀與發(fā)動機在翼使用需求之間的矛盾。因此，通過設(shè)計孔探輔助工具，進一步擴大孔探儀在航空發(fā)動機內(nèi)的檢查范圍，聚焦故障部位，監(jiān)控零件缺陷變化趨勢，以便更好地完成故障維修工作。

1 背景介紹

某型發(fā)動機在試車過程中，內(nèi)涵噴管噴出火焰，試車人員手動停車，試驗中斷?，F(xiàn)場開展發(fā)動機孔探檢查并目視檢查外部零件。初步檢查發(fā)現(xiàn)，試車臺后方地面有低壓渦輪葉片碎片，低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片有不同程度斷裂，高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部有掉塊，其余部件有不同程度磨損。經(jīng)相關(guān)專業(yè)設(shè)計人員分析，認為該故障由高渦工作葉片斷裂引起，故障原因主要是試車過程中高渦轉(zhuǎn)子葉片榫頭與榫槽的相對活動量減小，導(dǎo)致葉片斷裂。

為提高排故工作效率，需對高渦轉(zhuǎn)子葉片活動量進行定期監(jiān)控檢查。高渦部位內(nèi)流道狹小，轉(zhuǎn)靜子葉片軸向間隙小，導(dǎo)向葉片葉型彎曲大，且孔探孔距離轉(zhuǎn)子葉片的空間距離較遠，常規(guī)工具無法通過孔探孔到達轉(zhuǎn)子葉片附近。因此，需設(shè)計一種頭部可變角度的硬桿工裝，既能通過形狀變化到達指定位置，又具有一定的強度可撥動轉(zhuǎn)子葉片。

2 輔助工具設(shè)計及工作原理

2.1 設(shè)計原則

由于輔助工具使用的時機是在發(fā)動機周期性維護過程中，為防止損壞發(fā)動機，工具的可靠性和實用性是設(shè)計的難點和重點，采用以下三條設(shè)計原則：可靠性原則、輕量化原則、快速拆裝原則。

2.2 設(shè)計任務(wù)要求

1）要求工具輕便靈活、操作簡單，僅借助該型航空發(fā)動機自有孔探孔即可撥動高渦轉(zhuǎn)子葉片，孔探路徑具有可操作性，如圖1 所示。

圖1 孔探輔助工具工作示意圖

2）要求工具頭部姿態(tài)可調(diào)，實現(xiàn)多角度彎折。

3）要求工具為伸直狀態(tài)，桿徑不大于10mm，頭部可彎折長度在50 ～60mm 范圍內(nèi)，頭部可承受10N的切向力。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，該工具由觸碰桿、連接套管、調(diào)節(jié)機構(gòu)、手柄構(gòu)成，實物模擬圖如圖2 所示。

圖2 工具模擬圖

1）觸碰桿設(shè)計

根據(jù)發(fā)動機孔探觀察口尺寸，將觸碰桿外部直徑設(shè)計為9mm，其右端有2 個圓孔分別與短連接桿和連接套管鉸鏈，如圖3 所示。觸碰桿左端為螺紋結(jié)構(gòu)，可選配保護套和機械手支架。觸碰桿與保護套通過螺紋連接。觸碰桿與機械手支架通過螺紋銷釘連接，機械手支架在豎直方向有通孔，當(dāng)機械手支架套裝在觸碰桿上時，螺紋銷釘穿過機械手支架的孔，將機械手支架與觸碰桿周向固定。

圖3 觸碰頭圖示

目前的航空發(fā)動機制造技術(shù)中，由于高壓渦輪葉片常處于高溫、高壓、高載荷等惡劣條件下，為防止渦輪葉片被高溫燃氣燒蝕，其表面涂覆耐高溫材料，故觸碰桿前端保護套應(yīng)避免使用表面粗糙或硬度高的金屬材料，且在撥動葉片時，保護套和葉片間承受擠壓力和摩擦力，保護套須先于葉片出現(xiàn)磨損。從經(jīng)濟性、性能強度、連接穩(wěn)定性、更換便捷性等方面對比復(fù)合材料、橡膠、塑料等常見材料，選定聚四氟乙烯（PTFE）作為保護套的材料。

2）連接套管設(shè)計

連接套管是工裝的主要支撐結(jié)構(gòu)，外部直徑9mm，內(nèi)部有2 個通道，分別用于穿插連接桿和孔探儀探頭線，故其內(nèi)部要預(yù)留充足的空間，經(jīng)過強度計算分析，將連接套管內(nèi)部直徑設(shè)計為7mm。連接套管與觸碰桿采用銷釘鉸接。連接套管與調(diào)節(jié)機構(gòu)采用焊接固定連接。評估薄壁管焊接的經(jīng)濟性與可靠性，選用釬焊的連接方式，釬焊具有焊接所需溫度低、產(chǎn)生殘余應(yīng)力小的優(yōu)點，適合不銹鋼薄壁管焊接。

孔探儀探頭線在連接導(dǎo)管內(nèi)部孔探專用通道穿過，采用側(cè)向觀察鏡頭，通過連接導(dǎo)管頭部留下的側(cè)向觀察窗確認觸碰桿撥動高渦葉片時與葉片的葉中或葉根有效接觸。

3）調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

調(diào)節(jié)機構(gòu)由擺動機構(gòu)、連接桿、調(diào)整塊、調(diào)節(jié)旋鈕等主要零件組成。

為實現(xiàn)觸碰桿彎折姿態(tài)的調(diào)整，對擺動機構(gòu)進行設(shè)計，觸碰頭主要依靠曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)彎折擺動，運動簡圖如圖4 所示。觸碰桿基座與連接套管鉸接，只有一個擺動自由度，可圍繞鉸點在90°范圍內(nèi)有限轉(zhuǎn)動，其位置由“滑塊”決定。連接桿穿入連接套管內(nèi)的導(dǎo)向管，可在導(dǎo)向管內(nèi)相對連接套管左右移動，起滑塊的作用，連接桿的位置由調(diào)整塊控制。

圖4 觸碰頭擺動機構(gòu)運動簡圖

連接桿的一端與調(diào)整塊固定連接，定位銷釘穿過框架的限位槽與調(diào)整塊螺紋連接，調(diào)節(jié)旋鈕穿過框架中的孔與調(diào)整塊螺紋連接，如圖5 所示。連接桿的另一端和短連接桿的一端鉸接，如圖6所示。

圖5 調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖

圖6 擺動機構(gòu)圖示

2.4 工作原理

1）調(diào)節(jié)操作模式

調(diào)節(jié)機構(gòu)有快調(diào)和微調(diào)兩種操作模式?？煺{(diào)模式需拆下調(diào)節(jié)旋鈕，工作時直接撥動調(diào)整塊，當(dāng)調(diào)整塊到達適當(dāng)位置時，旋緊定位鎖緊銷釘。微調(diào)模式需擰松定位鎖緊銷釘，使其作為定位銷在調(diào)節(jié)機構(gòu)框架鍵槽內(nèi)滑動。通過絲杠螺母機構(gòu)的方式驅(qū)動調(diào)整塊小幅運動。調(diào)節(jié)旋鈕固定在調(diào)節(jié)機構(gòu)框架上，僅保留一個旋轉(zhuǎn)的自由度，工作時轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)旋鈕驅(qū)動調(diào)整塊滑動。

2）撥動方式

觸碰桿有兩種配件，分別是保護套和機械手支架。使用保護套時，可直接觸碰撥動發(fā)動機渦輪葉片。當(dāng)觸碰桿配裝機械手支架時，可將機械手由連接套管內(nèi)部穿過，機械手前部固定在支架上。工作時，機械手的線可隨觸碰桿彎曲，選用特制的機械手鉗口可夾住葉片，輕微晃動葉片。此外，選用通用機械手可用于流道內(nèi)多余物的夾取。

3 應(yīng)用驗證

3.1 路徑設(shè)計

分析該型航空發(fā)動機渦輪結(jié)構(gòu)及孔探孔開設(shè)的位置，需使用2 個孔探孔完成檢查。高渦葉片活動量檢查輔助工具由上方孔探孔伸入，孔探儀探頭線由下方孔探孔向上行進約1/3 圓周，即可觀察該工具撥動高渦葉片的情況，如圖7所示。

圖7 工具檢查示意圖

3.2 檢查情況

使用該工具對2 臺份該型發(fā)動機高渦轉(zhuǎn)子葉片的活動情況進行檢查。每臺發(fā)動機隨機選取10 片高渦轉(zhuǎn)子葉片，分別用該工具撥動葉片葉中和葉根，僅有1 片葉片在葉中和葉根處均無法撥動，其余葉片可見明顯晃動。

目前，該工具在輔助孔探檢查的過程中尚存在一些不足，主要是單次檢查用時長，經(jīng)評估，完成一臺份發(fā)動機高渦轉(zhuǎn)子葉片活動量檢查需1h?；诂F(xiàn)有工具結(jié)構(gòu)，受觀察方式和孔探路徑制約，縮短檢查時間的難度較大。后續(xù)將參考硬桿工業(yè)內(nèi)窺鏡的工作原理，優(yōu)化工具結(jié)構(gòu)，將檢查時間縮短至30min 內(nèi)。

4 結(jié)束語

孔探輔助工具擴展了孔探檢查的工作范圍，具有良好的可操作性。在發(fā)動機內(nèi)部空間狹窄、流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下，該工裝通過調(diào)節(jié)觸碰頭彎折角度，實現(xiàn)了對高渦轉(zhuǎn)子葉片活動量的檢查，直接降低了發(fā)動機高渦轉(zhuǎn)子葉片故障發(fā)生率，為試驗的順利進行增加了一道保障，避免了發(fā)動機為防止相關(guān)故障發(fā)生而開展的下臺分解檢查等工作。