航空發動機機匣同軸度的測量與調整

王曉梅，張春青

（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，沈陽110043）

0 引言

振動是導致航空發動機返廠排故及修后無法正常交付出廠的常見故障，幾乎在所有型號航空發動機上都發生過，并且發生于其整個使用過程中，是長期制約航空發動機發展的主要故障之一[1]。發動機轉靜子碰摩、轉子不平衡量過大以及支承軸承松動等都是發動機振動誘發因素，其中，由于發動機機匣同軸度不合格而導致其轉靜子碰摩而發生振動故障，約占發動機故障總數的60%。引起發動機機匣同軸度不合格因素非常多，發動機工況復雜及機件磨損是主要影響因素，但轉靜子間裝配間隙過小、機件裝配過程中清理不仔細、甚至不同操作者測量手法、讀表誤差等外在因素也是誘發機匣同軸度不合格的客觀原因。

本文針對發動機機匣同軸度不合格的調整及修復技術開展論證研究工作，制定控制措施，滿足發動機工作可靠性。

1 發動機結構特點

某型發動機機匣同軸度由支點同軸度和靜子機匣同軸度2大部分組成。發動機支點同軸度又分3段保證，即低壓渦輪后支點相對高壓壓氣機前支點的發動機機匣同軸度、中介機匣小同心度及低壓前支點相對低壓后支點的壓氣機靜子組件支點跳動。

以位于渦輪支承組件內的低壓渦輪后支點對中介機匣組件內的高壓前支點的跳動為例，闡述發動機機匣同軸度的檢測機理[2]。發動機機匣同軸度測量表面如圖1所示。該檢測通過測量手段，調整和控制低壓渦輪后支點軸承安裝座內表面M 中心相對高壓壓氣機轉子前支點軸承安裝座內表面O 的中心偏移；調整和控制低壓渦輪導向器蜂窩插件表面和封嚴篦齒表面N2、N4、高壓渦輪導向器嵌入件表面和漩流器凸峰表面N1、N3及偏心環密封蓋封嚴篦齒表面Ф1相對發動機理論中軸線的相對跳動量。

圖1 發動機機匣同軸度測量表面

2 同軸度測量原理

某型發動機機匣同軸度是以中介機匣為基準，模擬發動機工作狀態，依次將高壓靜子組件、9級整流器、帶偏心環密封蓋及高壓渦輪導向器的換熱器機匣組件、低壓渦輪導向器和渦輪支承組件依次逐級豎直地安裝在測量夾具上，分別擰緊固定后，周向均布8點測量M、N2、N4、N1、N3及Ф1表面跳動值。

同軸度測量原理如圖2所示。中介機匣內中心點O 與渦輪支承內中心點M 所形成軸線即為發動機的實際中軸線，保證M 與O 的同心度即可滿足發動機機匣同軸度的要求。以中介機匣O 面為基準（測具基準），根據各測量面在中軸線方向上距O、M 支點的距離，對發動機實際中軸線進行理論劃分。實測要求渦輪支承軸承座M 面跳動相對基準O 的中心偏移量不大于0.2mm；N2、N4的偏心量以M 點為中心，偏移不大于0.2mm；N1、N3的偏心量以O 到M 距離的80%為中心，偏移不大于0.2mm。考慮轉子下沉等諸多因素影響，偏心環Ф1的中心點位于中心軸向上距離點O 的距離約為O 到M 點距離的46%左右，Ф1的偏心量以M 點實際偏移量的46%為中心，且該截面的實際中心位于發動機軸線基礎上再下移0.2±0.05 mm，且偏移不大于0.15 mm范圍內。

圖2 同軸度測量原理

3 同軸度測量分析

在專用測具上，分別以機匣各測量面的理論裝配上刻線對表確定測量零點，依次測得各表面的8點實際跳動值，其中1、3、5、7點的坐標值確定點在空間XY 坐標系下的1個坐標點，2、4、6、8點坐標值確定理論空間與XY 坐標系相差45°的同原心坐標系X1Y1下的另1個坐標點。以1 臺發動機數據為例：實測渦輪支承M 面1、3、5、7點跳動值為0.06、0.35、0.16、0.26，對1、5點，3、7點數據分別取差值除以2計算出點的具體位置數值，該點空間方向則偏向數據大的一側，即M 點在Y 軸上的偏移量為（0.16-0.06）/2=0.05 mm，方向偏下（5點方向）；在X 軸上的偏移量為（0.35-0.26）/2=0.045mm，方向偏左（3點方向）。由這2個數值得到XY 坐標系下的1個點A。同理，由2、4、6、8點的跳動值可計算出X1Y1坐標系下的另1個點B。在空間平面內，2個相差45°的同原心坐標系上，連接2個點A、B，取A、B2點連線中點即為M面的實測中心，根據設計圖紙要求，渦輪支承軸承安裝座中心位置如圖3所示。從圖中可見，M 面實測中心到基準中心O 距離不大于0.2mm，且AB 線段不長于0.04mm。

按組件裝配順序依次倒序分解，分下渦輪支承組件，測量N2、N4表面相對跳動量；分下低壓渦輪導向器組件，測量N1、N3表面及Ф1表面的相對跳動量，分別計算空間點坐標值，確定各表面的偏移量。根據設計圖紙要求，N2、N4面中心位置如圖4所示。從圖中可見，N2、N4的實測中心相對M 面實測中心偏移不大于0.2mm。N1、N3面中心位置如圖5所示。從圖中可見，N1、N3的實測中心相對C點偏移不大于0.2mm。并且，N1、N2線長不超過0.15mm，N3線長不超過0.08 mm，N4線長不超過0.13mm。

圖3 渦輪支承軸承安裝座中心位置

圖4 N2、N4面中心位置

裝0組偏心環時Φ 面中心偏移量位置如圖6所示。從圖中可見，偏心環的裝配首先選取“0組”偏心環以確定Ф1表面中心點位置，設計圖紙要求Ф1面實測中心相對D 點的偏移不大于0.15mm，且線長不超過0.08mm。

合格的偏心環Ф1面中心偏移量位置如圖7所示。從圖中可見，考慮轉子下沉因素，對于偏移量不合格的偏心環通過調整偏心環上定位孔裝配位置和更換偏心環組別的方法，保證Ф1面實測中心在豎直方向上比D 點低0.2±0.05mm，水平方向偏移不超過0.15 mm，且線長不超過0.08mm。

圖6 裝O組偏心環時Φ 面中心偏移量位置

圖7 合格的偏心環Ф1面中心偏移量位置

4 同軸度不合格常見故障排除

4.1 機匣同軸度不合格常見故障

（1）M 點中心不在規定范圍內；

（2）表面N1、N2、N3、N4和Ф1線長超出規定值；

（3）表面N1、N2、N3、N4和Ф1點的中心不在規定范圍內。

4.2 人為因素誤差排除

以上3種常見故障排除首先考慮各大組件間的裝配誤差，排除各安裝邊間裝配間隙和緊固螺釘的擰緊力不均衡等問題[3]。具體操作步驟：卸開機匣安裝邊之間的連接緊固螺釘，機匣殼體各結合安裝邊應清潔，無劃痕、壓傷及任何機械損傷，故障排除后重新裝配進行機匣同軸度檢查[4]。

4.3 表面N1、N2、N3、N4及Ф1線長故障排除

排除人為因素導致的誤差，針對各測量表面線超長故障，通過機械方法修磨對應機匣耐磨層的磨損表面，在設計圖紙要求范圍內，調整相應測量表面的跳動值來調整各表面的線長，保證同軸度檢測精度要求[5]。

4.4 表面Ф1中心點超出故障排除

偏心環結構如圖8所示。從圖中可見，偏心環分5個組別，其中0組偏心環只有1個定位孔（第5孔），其余組別的偏心環有9個定位孔，每個定位孔組別間的偏心量變化都有一定規律。每組偏心環的第5孔為基準孔，0組偏心環無偏心量，其余4組偏心環之間相差0.1mm，且同一組別的偏心環選擇不同定位孔均可輕微改變Ф1點中心位置，這樣針對Ф1點中心不在規定范圍內故障，通過轉動偏心環變換定位孔裝配位置或更換偏心環組別可調整Ф1點的中心位置，保證同軸度精度要求。

圖8 偏心環結構

5 同軸度不合格深度修理

針對M 點中心不在技術要求范圍內；表面N1、N2、N3、N4中心點不在規定范圍內，且各測量面中心點呈現偏向一側或散亂分布等復雜情形時，需根據發動機實際狀態，分析機匣組件各表面中心點的位置變換關系，制定進一步深度修理方案。

5.1 位移鉸孔

針對M 點中心不在規定范圍內，表面N1、N3、N2、N4中心點偏移方向基本與M 點偏移一致時，采取位移鉸孔方法修復故障效果最好[6]。通過施加外力，使空空換熱器機匣與燃燒室機匣結合安裝邊處產生輕微位移，將安裝邊上精密螺栓孔重新組合鉸孔擴大，換裝加大組別的精密螺栓固定。精密螺栓孔變化和非精密螺栓孔變化分別如圖9、10所示。精密定位螺栓分6個組別，每組相差0.1mm，根據實際裝配情況，機匣安裝邊孔徑允許最大到Φ6.7。

圖9 精密螺栓孔變化

圖10 非精密螺栓孔變化

采取移動空空換熱器機匣調整M 面中心點的方法，對低壓渦輪導向器N2和N4面中心點的偏移量變化影響較大，而高壓渦輪導向器N1和N3中心相對變化很?。ú怀^0.1mm），偏心環Ф1面的中心點基本不會改變。

5.2 鉸非定位螺栓孔

鉸非定位螺栓孔的修理方法僅在空空換熱器機匣安裝邊上的精密螺栓定位孔已達到最大組別，且采用其他修理工藝無法保證機匣同軸度技術要求前提下實施的1種深度修理工藝。具體操作方法與機匣位移鉸孔實施方案基本一致，判斷出機匣位移方向后，取空空換熱器機匣安裝邊上圓周均布的18個非精密螺栓孔，將孔徑由原Φ6.5擴鉸到Φ6.7，使其成為精密定位螺栓孔。

此種修理方案有風險，但是針對延壽發動機機匣同軸度不合格修理方法的補充，此方法的應用大大降低了發動機修理成本。

5.3 車加工中介機匣安裝邊端面

針對機匣同軸度的各測量面中心點散亂分布并且M 點偏離過大，無法通過位移鉸孔修復故障時，對高壓靜子后機匣安裝邊端面、中介機匣安裝邊端面進行針對性的跳動及尺寸檢查，準確記錄各安裝邊圓周8點跳動值，以此數據為基礎，分析各測量面中心點的變化及分布規律，在保證安裝邊最小壁厚2.88mm條件下，對中介機匣安裝邊端面進行局部車加工，加工后允許安裝邊局部保留有沒加工到的痕跡。此種修理方案是迫使發動機后部機匣組件裝配后產生輕微傾斜，進而迫使渦輪支承的軸承座中心M 點與各測量面中心點集中產生位移，再通過輔助調整措施滿足機匣同軸度檢測技術要求。

中介機匣安裝邊的去除量非常有限，采用此修理方案滿足發動機機匣同軸度檢測要求風險大，在充分分析和論證條件下，按此方案修理合格的高壽發動機出廠使用效果良好。

6 測量設備改進

發動機機匣同軸度的早期測具是手動搖臂旋轉轉軸，皮帶傳動。實測數據后，人工記錄并繪制測量面中心點位置圖。由于發動機機匣組件立式放置，測量位置相對較高，測量工作至少需2人配合共同完成。在測量過程中，人工搖轉搖臂旋轉軸存在轉動不均勻、測量點控制不準確、被測數據不穩定問題；測量數據人工抄錄計算，手動制表易出現人為低級的綜合性誤差，影響發動機同軸度故障判定及修復的準確率。新結構同軸度測具底座如圖11所示，從圖中可見，在原工裝基礎上將電機與搖臂轉軸相連，電機的另一端則連在由電腦控制的主機上，通過專用控制軟件，接通電源，測量軸按專用程序均勻轉動；測量表桿裝上數顯指示表與電腦相連，測量頭直接伸到預測量位置，電機轉動直接記錄測量數據，并同步繪出被測量面中心點位置圖。

采用電動設計結構測具測量方案，1人便可操作整個測量過程，省時省力，測量準確，出圖準確率高，大大縮短了發動機同軸度測量及同軸度不合格的判斷及修復周期。

圖11 新結構同軸度測具底座

7 總結

（1）造成機匣同軸度不合格的因素很多，人為因素引起的約占故障總數的70%～80%。利用新結構電動測具測量發動機機匣同軸度，排除人為干擾因素，提高檢測精度，大大縮短同軸度測量和故障判定修復周期。

（2）針對發動機機匣同軸度不合格故障，更換偏心環、機匣位移鉸孔排故方案各有利弊。通過故障特征分析確定排故方案，有效地保證了發動機裝配質量。

（3）在發動機裝配過程中增加上述控制措施，可大幅度提高發動機試車合格率。

（4）車加工機匣安裝邊修復工藝屬于破壞性技術修復，風險性大，僅可用于延壽和高壽發動機同軸度不合格的試驗修復。

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