某研制機低壓渦輪轉子裝配工藝改進

王威+武曉龍

摘 要：航空發動機轉子結構是多樣的，結構特性則決定平衡工藝路線，傳統航空發動機轉子根據其支承方式大體分為一般結構轉子的動平衡和外部懸轉子的動平衡兩種，根據轉子相應的結構來選擇平衡方法。根據轉子相應的結構來選擇平衡方法。該轉子結構復雜，影響實現平衡過程的因素多，需要針對該轉子的特殊結構來完成平衡工藝方法制定及工裝結構設計。

關鍵詞：航空發動機；動平衡；低壓渦輪轉子；特殊結構；工裝設計

引言

航空發動機裝配工藝中，最重要的一個工藝就是動平衡工藝，航空轉子動平衡工作是保證航空發動機轉子正常運轉的必要工作，轉子的不平衡量偏大在轉子高速運轉狀態下會產生大的離心力，而這種離心力則會造成發動機的振動，所以動平衡工作也是控制發動機振動的一種重要工藝。轉子動平衡的實現，要取決于轉子自身的結構，所以要實現一個轉子動平衡過程，準確地實現平衡技術條件，要考慮的方面很多。傳統發動機轉子一般結構較為簡單，多數可用轉子本身的支點軸承進行支承，這樣可以更好的接近發動機支承狀態，這樣可以使平衡前裝配的難度降低。部分轉子由于結構原因要適當改變支承方案和動平衡的方案，以保證能有效的校正其不平衡量。一般要采用特殊的工藝方法，適當轉換轉子的支承位置，調整其支承方案，保證有效的采集動不平衡數據并根據數據進行校正，達到最終完成轉子動平衡的目的。

1 研究目標

1.1 任務來源

該課題為某研制發動機低壓渦輪轉子動平衡工藝研究，課題主要來源于某科研發動機的工藝準備任務。對于設計圖紙的工藝分析時，發現由于轉子結構的特殊性，而無法用傳統的方法實現轉子的動平衡，必須考慮采用其他合理有效的方案來滿足其設計要求。這也需要針對該組件結構和其他成熟的動平衡方法，合理的借鑒和針對性分析論證動平衡方案，針對動平衡方案設計合理的工藝裝備，完成其動平衡工藝準備，最終完成工藝研究工作。

1.2 設計要求

根據圖紙可知，轉子長軸單盤結構，單盤前后共有兩個支點，即四支點和五支點，其中四支點軸承為滾子軸承且僅裝配軸承外套，軸承外套預先裝配在軸承座內，五支點軸承為滾子軸承，但由于五支點軸承位置內縮與封嚴環組件內側，即若需要以五支點軸承進行支承，則要考慮支承點的變化。同樣由于四支點位置的特殊結構且距離五支點較近，不能實現帶軸轉子的動平衡，所以另外的支點應考慮長軸的周端，軸端自身無支承位置，所以需要選擇適合的支承位置和設計適用的工藝裝備來完成起支承方案的確定。

動平衡要求平衡轉速不低于1300r/min。裝葉片前先對轉子進行動平衡，找出輕、重點，排列各級葉片的位置，把轉子不平衡量消除在400g·cm范圍內。加裝平衡塊消除不平衡量，使兩修正面的殘余不平衡量不超過17g·cm。

1.3 零件類型

某研制發動機低壓渦輪轉子屬于典型的低壓渦輪轉子結構，為一級渦輪，從動平衡方面考慮，該發動機動平衡方案參照一般發動機低壓渦輪轉子動平衡支承方案進行，并對相應的平衡用工藝裝備進行結構設計。

根據某研制發動機低壓渦輪轉子的結構，其動平衡用工藝裝備設計從以下幾個方面考慮。

1.3.1 轉子的支承方案，確定完成轉子的支承方案，要根據支承位置設計一定結構的工裝，來完成轉子在平衡機上的支承，結合太行發動機低壓渦輪結構和支承方案選擇軸頸前端及五支點軸承位置作為支承位置，但由于五支點軸承位置縮進封嚴盤內，所以要考慮通過設計的工裝來進一步實現其支承點，另外還要考慮與平衡機支承位置相配合的情況，選用鞍型座或者選用滾輪架支承。

1.3.2 工裝結構的設計，工裝結構要考慮與機件結構相輔相成，所以要根據機件的具體結構，來考慮工裝的結構，另外還要考慮工裝的傳動方式及定位面的選擇。

1.3.3 設計參數的制定，平衡用工裝設計參數主要有幾個方面，一是與裝配位置的配合要求，即根據定位和裝配情況選擇合理的配合尺寸；二是加工尺寸，要根據裝配結構和動平衡機承載方式，選用合理的尺寸和公差，保證定位和裝配要求，另外要給出合理的表面粗糙度、跳動、圓度、同軸度等要求，平衡工裝的這些參數直接影響動平衡的結果的準確性。

2 設計論證與結構分析

根據前面某研制發動機發動機低壓渦輪轉子的結構特性分析，主要涉及兩個方面的工藝裝備設計。

2.1 前工藝軸套

2.1.1 首先考慮定位位置，根據低壓渦輪與風扇組件的裝配定位位置，選用相同位置進行定位。因正常裝配的基準位置加工的尺寸公差精確，加工要求高，故選擇該位置。

2.1.2 工裝功能的實現，工裝除要作為前部支承點外，還要考慮裝配及軸向定位鎖緊要求，根據實際與風扇轉子組件的裝配結構，選擇軸向定位面（即低渦調整墊片的端面位置），工裝軸向定位面與其靠緊。

因轉子組件的軸端與風扇轉子有軸向傳動的套齒，所以考慮轉子動平衡時傳動部位通過工藝軸套與該套齒相連并實現傳動，同時要考慮前工藝軸套與平衡機聯軸器相連部位的結構和尺寸，但考慮工藝軸套裝配后的軸端螺母鎖緊要求，所以考慮聯軸器相連接的傳動工裝要獨立與平衡軸套，并且與平衡軸套有相應的連接方式。

2.1.3 裝配配合的確定，考慮工裝裝配在渦輪轉子上以后要保證其支承的剛性，所以要選擇適當的配合來實現，一般選擇較小過盈來保證。由于兩個裝配的基準面的確定，其雙面的同心度也有一定的要求。所以考慮工裝制造時將兩個配合面確定為基準面加工，保證其自身的尺寸同時，其他尺寸以該尺寸進行加工。

2.1.4 支點技術要求，根據對轉子實際裝配后支點跳動大小影響的不平衡量計算，如支點跳動為與基準的同軸度為Φ0.01，假設某研制發動機低壓渦輪轉子質量為100kg，則由此同軸度產生的不平衡量的誤差為：

U=100kg×0.01mm=1kg·mm

約為6倍的轉子不平衡量的公差要求，該計算為假設的最大的不平衡量考慮。但考慮轉子由兩個支點組成，且轉子的重心位置距離兩個支點有一定距離，并參照與其配合的機件的加工尺寸要求，結合設備加工能力的限制，最終考慮支承位置與基準的同軸度控制為Φ0.008，圓度為Φ0.005。

2.1.5 軸套前段為裝配后的鎖緊螺母空間，要充分考慮預留位置，前端傳動法蘭盤需與平衡機進行相關尺寸設計。

2.1.6 工裝自身的動平衡，參與動平衡的工裝要考慮其自身的動平衡量，由于工裝直接裝配于轉子組件上，其動平衡量的結果直接帶入轉子動平衡量本身，所以在設計工裝時要考慮工裝自身的不平衡量校正和控制方案，必要時應考慮二類工裝的設計，對于該軸套考慮其自身結構來完成動平衡的支承，并設計相應的去重面，其它尺寸要求根據機件裝配位置要求選定。

2.1.7 拔具設計，在考慮動平衡工裝時也應考慮相應的拔具，拔具設計為使用千斤頂進行分解平衡軸套。

2.2 后工藝軸套的設計

2.2.1 定位位置，根據低壓渦輪五支點軸承裝配位置，優先選擇該位置進行定位，但考慮該位置無法做動平衡的真正支點，封嚴襯套干涉，所以結合參考太行發動機的低渦洞平衡方案，將該動平衡支點進行后移，即避開封嚴襯套。

2.2.2 工裝功能的實現，工裝依靠兩個定位面進行定位，并以五支點軸承螺母壓緊，保證裝配穩靠。

該后工藝軸套僅僅做為轉子動平衡支承用，所以其他特殊結構可不予以考慮。

同樣根據平衡用工裝的設計要求和設計原則考慮該工裝其他尺寸和技術條件。

2.2.3 工裝自身的動平衡，由于該工裝自身結構原因，軸向距離較短，外徑較大，所以自身無法在平衡機上進行動平衡，需要設計二類工裝。

2.2.4 后平衡軸套設計時考慮設計的拔具。

2.3 結果

經過對圖紙設計文件的分析，進行了相關的動平衡工藝論證，最終確定了動平衡方案，完成了工藝文件的編制后，設計了對應的動平衡工裝，達到了完成某研制發動機低壓渦輪平衡工藝方法及工裝結構研究與設計的預期目標。

3 結束語

本攻關課題主要在于研究某研制發動機低壓渦輪動平衡工藝，根據動平衡的一般理論和平衡的一般方法對轉子進行分析，無法達到預期的動平衡的目的，所以有針對性地開展與其他發動機結構對比、平衡方案對比、工裝對比等多方面論證，最終確定了以設計特殊結構前后平衡軸套為平衡支點，適當調整平衡設置參數的方法，保證了預期對轉子完成規定的兩個校正面為校正位置的動平衡理論及工藝方案論證的研究工作，編制相應的工藝文件后，最終設計完成了相應的平衡工藝裝備，完成了工藝準備和工藝研究工作，也為后續首臺投產奠定了基礎。

參考文獻

[1]景國光.某型航空發動機技術說明書[M].北京：空軍裝備部，2006.

[2]陶春虎，王仁智，聶景旭.航空發動機轉動部件的失效與預防[M].北京：國防工業出版社，2004.

作者簡介：王威（1983，5-），男，民族：漢，籍貫：遼寧鐵嶺，學歷： 碩士研究生，2008年畢業于海軍航空工程學院，職稱：工程師，研究方向：航空發動機，現從事于航空發動機專業。