單元體結構發動機總體結構尺寸控制與分析

趙威，張德志

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

單元體結構發動機總體結構尺寸控制與分析

趙威，張德志

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

在單元體結構發動機中，在各小的維修單元體或大的單元體內部，通過逐級控制一些關鍵尺寸，來滿足單元體本身互換性要求，同時滿足發動機總體結構設計的要求，這也是單元體發動機設計和裝配中需重點關注的問題。以國外某發動機為例，通過尺寸鏈的分配和必要時在內部設置調整環，使單元體內部的這些關鍵的總體結構特征尺寸達到一定的精度要求，貫穿至發動機總體結構設計和協調、傳裝及總裝裝配的各環節中，使發動機總體結構尺寸如轉、靜子軸向間隙等更加合理可靠，避免發生干涉等問題。

單元體結構；主單元體；維修單元體；總體結構；特征尺寸；控制；裝配；航空發動機

0 引言

發動機維修性是設計出來的[1]。維修工作的質量及效率在很大程度上取決于發動機的結構及總體布局是否易于維修[2]。為實現良好的維修性，目前國內外先進的軍、民用航空發動機普遍采用了單元體的設計思想，其目的是提高發動機的維護性，便于運輸，降低全壽命周期費用[3-4]。這在民用大涵道比渦輪風扇發動機上體現的更為明顯，其風扇部件尺寸越來越大，運輸和維修成本也不斷攀升。為了進一步改善運輸便利性，提高整機維修性，CFM56、GE90、V2500等國外先進的大涵道比渦扇發動機都采用了單元體結構設計[5]。結構單元體化是目前各種軍、民用發動機普遍采用的設計原則，單元體設計思想是航空發動機設計和發展的必然趨勢[6]。

如何對單元體內部一些關鍵尺寸進行控制，使其既能滿足單元體本身特性要求，例如性能、結構互換性的要求，又能滿足發動機總體結構設計要求，以使發動機總體結構性能最優，是值得深入探討的問題。本文以國外某發動機為例，著重闡述這一問題。

1 名詞解釋

在GJB 3817[7]中稱主單元體為“基礎單元體”，指用作發動機裝配和分解基礎的單元體；GJB 3817中定義維修單元體為“單元體內具有自身獨立的尺寸鏈以保證獲得其特殊的封閉尺寸和性能要求（如軸向間隙、嚙合間隙等），并可在尺寸鏈中設置調整元件的單元體”。

總體結構特征尺寸是指封閉在單元體內部（包括大的主單元體和小的維修單元體）對整個發動機的一些關鍵的總體結構特征參數有重要影響的尺寸。主要指影響發動機高、低壓轉靜子軸向和徑向間隙以及滾棒軸承錯度的封閉環[8]、影響錐齒輪嚙合間隙和著色印痕檢查的發動機重要尺寸[9]。它可以在設計時由發動機總體部門確定，并作為部件結構設計的依據；同時在裝配環節中必須進行保證，在裝配時通過對單元體內部進行尺寸檢查，以確保其處于“配合與間隙”所規定的極限和公差范圍之內[10]。

2 尺寸控制與分析

根據GJB 3817中維修單元體的定義可知，發動機上涉及到封閉在單元體內部控制的尺寸需要在單元體裝配時予以保證，并需要記錄在隨機質量文件中，必要時可通過調整環來調整所需尺寸滿足要求，其最終目的是為了滿足發動機總體結構特征參數（包括轉靜子軸向間隙、錐齒輪嚙合間隙等，當流道為錐形時，還包括葉尖的徑向間隙等）的要求。上述內容對發動機主單元體也同樣適用。因此，在發動機裝配時為達到單元體互換目標，需最大程度地利用各種直接檢驗方法，以直接反映單元體功能性參數，從而保證各單元體的高度同等性，防止相配單元體的個體特點對發動機總體結果產生影響[11]。下面以國外某發動機的幾個關鍵尺寸控制為例來具體說明和分析如何通過單元體內部的總體結構特征尺寸控制來滿足對發動機總體結構設計的要求。

該發動機采用單元體結構設計，便于裝配與維修，共分為4個主單元體，即風扇、核心機、低壓渦輪和附件傳動裝置，又可分解為17個維修單元體[12]。

2.1 風扇主單元體

在風扇主單元體中，需要重點關注風扇/增壓級轉靜子之間的軸向間隙控制方法。該發動機風扇葉片和增壓級后幾級工作葉片葉尖處流道為錐形，尤其是增壓級第4級工作葉片葉尖處流道更陡，軸向間隙控制的好壞對葉尖的徑向間隙會產生直接影響。風扇和增壓級組件單元體通過風扇盤與No.1/2號軸承支撐組件單元體上的風扇軸相連，No.1/2號軸承支撐組件單元體的制造尺寸公差積累會對風扇和增壓級轉靜子間的軸向和徑向間隙（尤其是增壓級第4級葉尖）產生很大影響。為保證上述間隙滿足發動機總體要求，必須增加調整部件。該發動機通過控制No.1/2號軸承支撐組件維修單元體內部轉、靜子之間的尺寸（下述尺寸B）來控制風扇和增壓級轉靜子之間的間隙。具體如下：

（1）控制尺寸B

在No.1/2號軸承支撐組件單元體中，利用No.1支點軸承前擋油環來作為調整環，在該單元體內部組件裝配時通過修磨擋油環厚度來保證單元體內部控制尺寸B為定值。具體裝配時擋油環厚度按如下方法確定，如圖1所示。

圖1 尺寸B控制

通過測量和記錄如下尺寸，根據公式計算擋油環的厚度A1：A1=B+L2-(L3+L4+L1)。

式中：B為風扇軸上一端面與軸承座后端面之間的尺寸，為轉靜子間形成的封閉環，取定值B=Bo mm；L1為No.1支點軸承座上后安裝邊后端面和No.1支點軸承座與軸承外環定位面之間的距離；L2為風扇軸上尺寸；L3為帶封嚴篦齒的軸承內套的厚度；L4為No.1支點外環前端與內環前半前端面之間的距離，該尺寸測量時需要考慮排除軸承的軸向活動量的方向。

計算擋油環厚度時，用單元體內部控制尺寸B為定值來計算。

（2）對擋油環厚度的修磨要求

修磨擋油環的厚度：對擋油環厚度的修磨要求不僅包含厚度的加工公差要求，還包括軸向定位的2個端面的平行度要求。這些加工精度要求都很嚴格，主要目的是為了保證總體結構特征尺寸B。

（3）檢查尺寸B

在該單元體裝配完成后，對B值還需要進行復檢，保證其值在Bo±0.1 mm范圍之內，即向后排除軸承軸向活動量，與前面L4尺寸測量時一致。若尺寸超出此范圍，則要重新進行檢查。

由前述可知，在該單元體中將擋油環作為1個調整環，通過調整環來控制單元體內部總體結構特征尺寸即封閉環B為定值，滿足了發動機總體尺寸要求，即對風扇/增壓級各級轉、靜子間隙的要求。

也可將控制B值改為控制風扇軸前端面至No.1支點軸承座后端面之間的距離，這樣能更直接控制風扇和增壓級轉靜子間的間隙，累積公差更小。但該做法的缺點是在選取低壓渦輪軸前調整墊時，因需要使用B值（此時通過尺寸鏈計算有公差累積），低壓渦輪軸前調整墊厚度選取范圍較大，給調整墊補加工帶來不便。2種方法設計思想相同，均為了滿足總體對風扇/增壓級轉靜子間隙的要求。

2.2 核心機主單元體

2.2.1 C值控制

在該發動機各系列中，高壓轉、靜子之間軸向相對位置都是通過在中央傳動和3號支點組件維修單元體內部直接控制C值（中央傳動殼體安裝面與軸承后篦齒端面之間的距離）來保證，如圖2所示。C值作為封閉在該單元體內部的總體結構特征尺寸，用于保證整機狀態下高壓壓氣機內部各級轉、靜子之間的軸向間隙在合理范圍內，同時對發動機后部的高壓渦輪軸向位置也有影響，要求C值必須在某定值Co的Co0-0.38mm范圍內。高壓轉子軸向力方向向后，需沿B向對水平主動錐齒輪施加一定的載荷來向后排除No.3支點球軸承軸向活動量。在該單元體上有2個調整墊，在主動錐齒和從動錐齒組件上各有1個調整墊，如圖2、3所示。錐齒輪副的齒隙必須處于最佳狀態，否則傳動時會產生較大噪聲、振動以及沖擊等問題。裝配時影響其齒隙的因素較多，譬如軸承、軸承座、機匣、安裝座、錐齒輪實際安裝距等，在實際加工尺寸的累積誤差都需要通過選配調整墊來排除[13]。而弧齒錐齒輪承載能力主要取決于齒面接觸情況，齒面著色檢查是判斷和調整齒面接觸情況的惟一方法[14]。這2個調整墊用于調整錐齒輪嚙合間隙和著色印痕在合理范圍內，同時保證C值滿足設計值要求，2個調整墊同時進行聯調。

在具體操作時，通過在裝配過程中相關零組件尺寸的測量及尺寸鏈計算，先初選出主動和從動錐齒輪組件上的調整墊。單元體裝配好后，要進行齒輪嚙合間隙、齒牙印痕和C值檢查。與著色印痕檢查調整相比，由于齒輪嚙合間隙調整范圍大，操作較容易，數值好讀取，所以先進行齒輪嚙合間隙檢查，安裝主動和從動錐齒輪組件上調整墊，再進行齒牙印痕和C值檢查。如果不滿足要求，重新按上述步驟調整。為設置嚙合間隙而調整調整墊會影響齒牙印痕。在適合間隙下調整調整墊通常可得到滿意的齒牙印痕。每次調整墊改變后需再次進行嚙合間隙和齒牙印痕檢查。

圖2 主動錐齒輪組件上的調整墊

圖3 從動錐齒輪組件上的調整墊

2.2.2 S尺寸檢查

在中央傳動和3號支點組件維修單元體內部控制了C值，一旦高壓轉子沒有裝配到位，對高壓轉、靜子軸向間隙會產生直接影響。因此，在發動機總裝時，在核心機單元體裝配到風扇主單元體上以后，為檢測高壓轉子安裝是否到位，需對軸頭尺寸S（No.3支點軸承座前端面鎖緊螺帽與高壓壓氣機前軸頸前止口端面之間的軸向距離）進行測量計算，通過軸頭處其他尺寸測量來間接計算S值，確認其是否滿足要求。

由上述可知，在該單元體中共有2個調整環，用來控制單元體內部總體結構特征尺寸即封閉環C為定值，從而滿足了發動機總體尺寸要求，即對高壓壓氣機各級轉、靜子軸向間隙的要求以及高壓渦輪轉子合適的軸向位置，同時滿足錐齒輪嚙合間隙和齒牙印痕的要求。

2.3 低壓渦輪主單元體

在低壓渦輪主單元體內部需要控制的總體結構特征尺寸為K，在主單元體內部通過工裝來保證，該尺寸用于保證低壓渦輪各級轉、靜子之間的軸向相對位置；低壓渦輪轉子軸向尺寸較長，冷熱態溫差較大，軸向膨脹量大，因此除了在設計上需留有足夠的軸向空間，還需要設置調整環節，在總裝時通過在低壓渦輪軸前端增加調整墊來保證。

2.3.1 K尺寸的控制

K為低壓渦輪1導機匣前端面與低壓渦輪第1級轉子擋板端面間尺寸，在低壓渦輪轉、靜子維修單元體內部組件裝配時通過工裝保證。在低壓渦輪內部3個維修單元體再進行組合裝配時，工裝保證K值后，將通過測量LX值（No.5支點軸承座后端面與低壓渦輪后軸頭端面之間的軸向尺寸）來檢驗K值是否正確，如圖4所示。

圖4 LX的測量

在低壓渦輪主單元體內部，LX值是在豎直狀態下測量的，再用測得的LX來計算LH值，LH=LX-0.5 mm（0.5 mm為No.1支點球軸承的軸向活動量）。在發動機最終總裝配時，必須進行LH尺寸的復驗。首先，將上述LH值按公差（+0.85mm，-0.35mm）計算出最大值LHmax和最小值LHmin，低壓渦輪裝配完成后（軸前端大螺母擰緊后），重新測量LH值，確保其在上述LHmax和LHmin之間。若超出上述范圍，需要分解下低壓渦輪主單元體，重新計算并檢查調整墊厚度。

2 次LH值均是在向后排除軸承活動量的情況下測得的值，即軸承狀態是一致的。

2.3.2 低壓渦輪軸前端調整墊厚度的確定

低壓渦輪轉、靜子軸前調整墊厚度A2通過尺寸鏈中相關尺寸的測量來計算確定：A2= B+XF+XH-XL。式中：B為風扇軸止口后端面至1、2號軸承機匣后端面之間的距離，即為2.1節中的定值；XF為中介機匣前端與No.1、No.2號軸承機匣結合面至中介機匣后端與高壓壓氣機機匣結合面之間的距離；XH為高壓壓氣機機匣前端面至低壓渦輪機匣前端面之間的距離(即核心機的長度)；XL為調整墊后端面至低壓渦輪機匣前端面之間距離。在低壓渦輪主單元體內部裝配時，轉/靜子與低壓渦輪軸裝配在一起之后進行測量。如圖5所示。

圖5 低壓渦輪軸前調整墊計算

2.3.3 調整墊的加工要求

對調整墊的厚度進行修磨。與前述擋油環類似，修磨要求不僅包含厚度的加工公差要求，還包括軸向定位的2個端面的平行度要求，這些加工精度要求都很嚴格，主要目的是為了保證總體結構特征尺寸K。

由上述可知，在該單元體中將低壓渦輪軸前端調整墊作為1個調整環，來控制低壓渦輪主單元體內部總體結構特征尺寸即封閉環K為定值，便可滿足發動機總體尺寸要求，即對低壓渦輪各級轉、靜子間隙的要求。

3 結論

通過以上分析，可得出如下結論：

（1）在單元體結構發動機中，發動機總體結構尺寸要求必須通過對單元體內部尺寸控制來實現；

（2）通過對單元體內部一些較關鍵的總體結構特征尺寸的控制分析，使發動機總體結構尺寸如轉、靜子軸向間隙等更加合理可靠，避免發生干涉等問題。

（3）按單元體原則對單元體內部總體結構特征尺寸控制時，可通過在其內部設置調整環來實現。

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Control and Analysis of General Structure Dimension for Aeroengine with Module Structure

ZHAO Wei,ZHANG De-zhi
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

For an aeroengine with modular structure,some key dimensions are controlled on various levels within individual maintenance modules or major modules for module structure.The dimension control needs to be concerned in both engine design and assembly processes,so that the modular interchange ability and general structure requirements would be met.Take a mature engine as an example,engine designers distribute the dimension chain and set internal adjusting rings when necessary to help the key general structure feature dimensions meet the accuracy requirements.The method applies to all process of developing an engine,including general structural design,subassembly and assembly.It makes the general structure dimensions,such as axial clearance between rotors and stators,more reasonable and reliable,and prevents interference of components.

modular structure；main modular structure；repair modular structure；general structure feature dimension；control and analyze;assemble;aeroengine

V 263.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.05.009

2013-05-15

趙威（1976），女，高級工程師，從事航空發動機總體結構設計工作；E-mail:lijing57@chinaunicom.cn。

趙威，張德志.單元體結構發動機總體結構尺寸控制與分析[J].航空發動機，2014，40（5）：45-49.ZHAO Wei，ZHANG Dezhi.Control and analysis ofgeneral structure dimension for aeroengine with module structure[J].Aeroengine，2014，40（5）：45-49.