高壓壓氣機(jī)篦齒盤松脫原因分析及改進(jìn)

■ 宋寶鑫 姚世珍 馬紅濤 趙建 余祎騰/ 航發(fā)動(dòng)力

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝過程中保證篦齒盤的穩(wěn)定性是高壓轉(zhuǎn)子同心度控制的前提條件，若裝配工藝方法不合理，輕則造成裝配返工，重則造成零件損傷，引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、碰磨等故障。

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的主要激振源是轉(zhuǎn)子的不平衡量造成的，而轉(zhuǎn)子不同心會(huì)使其質(zhì)量偏心較大，進(jìn)而產(chǎn)生較大的不平衡量[1]。工程上，一般以高壓轉(zhuǎn)子前、后軸頸為聯(lián)合基準(zhǔn)測(cè)量篦齒盤盤心孔跳動(dòng)來表征高壓轉(zhuǎn)子的同心度[2]。在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中一般采取堆疊預(yù)測(cè)（SPS）技術(shù)對(duì)高壓轉(zhuǎn)子的同心度進(jìn)行優(yōu)化，為了使高壓轉(zhuǎn)子的不平衡量處于較低水平，還要進(jìn)行高壓轉(zhuǎn)子組合平衡。然而，航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配精度高、裝配流程長(zhǎng)，裝配工藝既要保證各零件之間有正確的配合和位置，還要求全裝配流程有可靠的連接以及穩(wěn)定的過程控制措施。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件中,篦齒盤止口形位尺寸直接參與高壓轉(zhuǎn)子同心度預(yù)測(cè)，是關(guān)鍵裝配參數(shù)，也是衡量裝配品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。

故障描述

發(fā)動(dòng)機(jī)在完成一次試車后發(fā)生故障，按工藝要求需分解進(jìn)行故障檢查。在分解時(shí)發(fā)現(xiàn)，高壓渦輪轉(zhuǎn)子從核心機(jī)上拆下后，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子后端的篦齒盤偏斜，手動(dòng)檢查后發(fā)現(xiàn)篦齒盤與高壓壓氣機(jī)九級(jí)盤止口脫開。正常情況下，高壓渦輪轉(zhuǎn)子拆下時(shí)，篦齒盤與高壓壓氣機(jī)九級(jí)盤連接止口仍處于較好的配合狀態(tài)。

零件結(jié)構(gòu)

高壓轉(zhuǎn)子主要由高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子組成。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子主要由多級(jí)帶工作葉片的盤、篦齒盤和盤腔引氣導(dǎo)流裝置組成；高壓渦輪轉(zhuǎn)子主要由鼓筒軸、渦輪盤、工作葉片、前擋板、后擋板、盤前封嚴(yán)盤、后軸頸等零組件構(gòu)成。篦齒盤將高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與高壓渦輪轉(zhuǎn)子聯(lián)成一體，用螺栓、螺母固定。為保證高壓壓氣機(jī)與高壓渦輪之間有較佳的裝配定心和可靠的工作定心，篦齒盤與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、高壓渦輪轉(zhuǎn)子的配合止口均采用過盈配合，如圖1所示。

圖1 高壓轉(zhuǎn)子局部示意

裝配工藝

發(fā)動(dòng)機(jī)的總裝工藝流程如圖2所示。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與高壓渦輪轉(zhuǎn)子之間的配合為過盈0.051～0.144mm，為保證高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子（篦齒盤處）與高壓渦輪轉(zhuǎn)子能夠順利裝配到位，采用溫差裝配法，即裝前將高壓渦輪轉(zhuǎn)子止口用液氮冷凍一定的時(shí)間后，將其安裝至高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上。高壓渦輪轉(zhuǎn)子分解采用拉拔法對(duì)過盈配合的高壓渦輪轉(zhuǎn)子和高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子施加方向相反、大小相等的力將其分開。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)總裝工藝流程

故障原因分析

對(duì)篦齒盤松脫的原因列出故障樹如圖3所示，共梳理出底事件3項(xiàng)，依次進(jìn)行分析排查。

圖3 篦齒盤松脫故障樹

篦齒盤連接緊固件

發(fā)動(dòng)機(jī)分解前，檢查固定篦齒盤的螺栓、螺母，完整性好；分解過程中，測(cè)量螺母的松脫力矩，均在正常的范圍內(nèi)；分解后，檢查連接件螺紋及螺母貼合端面，未見損傷情況。排除底事件A1。

篦齒盤與壓氣機(jī)九級(jí)盤配合尺寸

分解后，對(duì)篦齒盤及壓氣機(jī)九級(jí)盤進(jìn)行尺寸復(fù)測(cè)，計(jì)算壓氣機(jī)九級(jí)盤與篦齒盤之間的配合為過盈0.143mm，單件止口柱面跳動(dòng)均在0.01mm以內(nèi)，無異常。排除底事件B1。

高壓渦輪轉(zhuǎn)子分解方法

高壓渦輪鼓筒前端的安裝邊上設(shè)計(jì)有6處M6的頂絲孔，用于將高壓渦輪轉(zhuǎn)子與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子連接止口脫開。但采用頂絲分解時(shí)，需從高壓渦輪后軸內(nèi)孔進(jìn)入轉(zhuǎn)子鼓筒腔體內(nèi)部進(jìn)行作業(yè)，長(zhǎng)時(shí)間俯身作業(yè)，勞動(dòng)負(fù)荷較大，因此發(fā)動(dòng)機(jī)采用了新改進(jìn)的專用分解工裝進(jìn)行分解。

高壓渦輪轉(zhuǎn)子專用分解工裝主要由定位板、傳力軸、螺母組成，如圖4所示。其原理為用定位板頂住篦齒盤盤心孔后端面，螺母與高壓渦輪后軸內(nèi)孔螺紋連接，借助手壓泵通過傳力軸向高壓壓氣機(jī)篦齒盤和高壓渦輪加載反向相等的力，加載力超過篦齒盤與高壓渦輪轉(zhuǎn)子過盈止口處的預(yù)壓力，過盈配合段脫開。該方法能夠極大縮減操作人員在高壓渦輪鼓筒腔內(nèi)部的工作量和作業(yè)時(shí)間，顯著提升分解效率。

圖4 高壓渦輪轉(zhuǎn)子專用分解工裝

仔細(xì)分析該分解工裝結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，工裝前端定位板支撐在篦齒盤盤心孔后端面上能夠簡(jiǎn)化人員操作，但分解力加載位置距篦齒盤配合止口較遠(yuǎn)，加載時(shí)可能會(huì)引起篦齒盤前端止口變形，導(dǎo)致篦齒盤與九級(jí)盤配合處過盈量變小甚至消失，在高壓渦輪轉(zhuǎn)子連接止口脫開的瞬間，篦齒盤與九級(jí)盤配合止口也一并脫開，篦齒盤松脫。

仿真分析

采用軟件對(duì)鼓筒軸與篦齒盤(含九級(jí)盤)的分解過程進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中對(duì)所用實(shí)體模型零件特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，為了便于計(jì)算，有限元模型也進(jìn)行了簡(jiǎn)化，周向取1/4。

在盤心孔后端面施加分解力，對(duì)鼓筒軸與篦齒盤(含九級(jí)盤)組件進(jìn)行有限元分析，結(jié)果顯示：盤心孔軸向偏移0.536mm，螺栓孔軸向偏移0.149mm，篦齒盤前端止口最大徑向單邊偏移0.0489mm，如圖5所示。

圖5 盤心孔后端面施加分解力仿真

通過上述分析，在篦齒盤盤心孔后端面施加分解力時(shí)，篦齒盤變形較大，前端止口徑向偏移量與配合過盈量接近。由此可以斷定，故障發(fā)動(dòng)機(jī)篦齒盤脫出是新結(jié)構(gòu)分解工裝加載位置不合理引起篦齒盤前端止口變形過大造成的。

改進(jìn)措施

改進(jìn)分解工裝定位板結(jié)構(gòu)，將分解加載位置由篦齒盤盤心孔后端面調(diào)整至篦齒盤安裝邊處，如圖6所示。

圖6 分解工裝定位板結(jié)構(gòu)（改進(jìn)后）

在篦齒盤安裝邊施加分解力，對(duì)鼓筒軸與篦齒盤(含九級(jí)盤)組件進(jìn)行有限元分析，結(jié)果顯示：盤心孔軸向偏移0.94mm，螺栓孔軸向偏移0.865mm，篦齒盤前端止口最大徑向單邊偏移0.0169mm，如圖7所示。

圖7 篦齒盤安裝邊施加分解力仿真

結(jié)束語

通過對(duì)故障原因的排查、分析及仿真，可以得出以下結(jié)論：將篦齒盤盤心孔端面作為高壓渦輪轉(zhuǎn)子分解加載位置，會(huì)引起篦齒盤前端止口徑向嚴(yán)重變形，變形量幾乎與止口配合過盈量相當(dāng)，分解時(shí)存在篦齒盤與九級(jí)盤止口松脫的風(fēng)險(xiǎn)；將分解工裝的加載位置由篦齒盤盤心孔端面調(diào)整至安裝邊處，篦齒盤前端止口的徑向變形能夠改善65.4%。對(duì)高壓渦輪轉(zhuǎn)子分解工裝進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效規(guī)避了分解過程中篦齒盤脫落的風(fēng)險(xiǎn)，新結(jié)構(gòu)的分解工裝能夠大幅降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，一定程度上提高了裝配效率。