基于單元體設計的航空渦扇發動機裝配標準研究

于宏軍 朱　瑾

（中航工業綜合技術研究所，北京　100028）

基于單元體設計的航空渦扇發動機裝配標準研究

于宏軍 朱瑾

（中航工業綜合技術研究所，北京100028）

針對目前航空發動機在裝配過程中裝配標準缺失的問題，在對傳統航空發動機和基于單元體設計的航空渦扇發動機的裝配流程進行對比分析的基礎上，給出基于單元體設計的航空渦扇發動機裝配過程中需要采用的裝配過程標準、工藝方法標準、檢測方法標準、工裝及設備標準、技術基礎標準等內容，并對航空發動機裝配標準編制工作開展提出了建議。

航空；渦扇發動機；裝配標準；研究

［DOI編碼］ 10.13237/j.cnki.asq.2016.04.001

航空發動機裝配是根據尺寸協調原則，按設計圖樣、技術文件、工藝規程要求，采用裝配工具、工裝和設備等將發動機零件或組件按照技術要求進行組合、連接，形成更高一級的裝配件或發動機整機的過程。航空發動機在裝配過程中要將數千或上萬個零件組合在一起，除了要保證精密配合和牢固連接，良好的機件表面完整性，高的同心度、同軸度，精密和穩定的轉、靜子間隙匹配外，還要滿足高速轉動件的良好平衡，大功率傳動件傳動的平穩可靠以及各復雜系統的良好匹配和特性，更要保證各種附件和管線在抗震、防震、防磨、絕緣、搭鐵上的嚴格要求，整個過程極其復雜。

航空發動機的結構特征在很大程度上決定著裝配工藝過程的特征，而先進的裝配工藝是解決復雜結構問題的裝配，滿足復雜結構設計技術要求和提高勞動生產率的重要保證。航空發動機的裝配是整個發動機制造過程的龍頭，涉及發動機設計、工藝計劃、零件生產、部件裝配和全機對接總裝的全部過程，囊括了自動化鉚接、先進定位裝配等技術。裝配標準則是運用裝配技術滿足裝配要求的關鍵，但目前，航空發動機裝配相關標準，特別是裝配過程標準極度匱乏，造成了航空發動機各單位裝配質量差異，對于航空發動機型號裝配質量的一致性和穩定性產生了嚴重影響。

1　航空發動機裝配流程

航空發動機要求高推重比和大推力（功率），因而空氣壓力比、燃氣溫度和機械轉速都較高，結構上一般有1至3個同心轉動的轉子，具有各種復雜的控制功能及高可靠性、維修性和持久性，這些都使得發動機的結構復雜，質量要求嚴格。航空發動機裝配技術是航空發動機制造技術的組成部分，裝配工作是發動機制造過程中的后期工序，在整個生產過程中占有十分重要的位置，是一個獨立的生產階段［1］。

對于非單元體設計航空發動機，裝配工藝主要包括裝配、拆卸、分解、檢查等過程，其中，裝配過程又可包括部、組件裝配、整機裝配等步驟，典型裝配流程如圖1所示。

對于現代先進航空發動機，由于對性能、維護性和維修性要求越來越高，導致結構也愈發復雜，給發動機裝配、分解、貯存、運輸以及后續維修帶來了諸多問題，現代先進航空發動機已經愈來愈多地采用單元體設計，在提高發動機裝配和分解效率的同時，減少發動機修理維護成本，以降低其全壽命周期費用。但是，采用單元體設計方法也進一步提高了對單元體裝配互換性、內部檢測和試驗方法的要求。

圖1　典型航空發動機裝配流程

對于非單元體設計的傳統航空發動機，按照功能、作用劃分的結構部件不一定都是裝配工藝部件，如壓氣機、渦輪既不是裝配工藝部件，也不是工藝裝配單元，而有些結構部、組件就是裝配工藝部、組件或工藝裝配單元，如附件傳動機匣等。而對于采用單元體設計的航空渦扇發動機，在裝配過程中，單元體就是獨立的工藝裝配單元，直接參與發動機裝配，這也是其與傳統航空發動機在裝配方面最主要的區別，典型裝配流程如圖2所示。

圖2　基于單元體設計的航空渦扇發動機典型裝配流程

上述裝配流程中主要包括以下內容：

● 維修單元體裝配。主要是將零件、組件按照正確的相對位置、規定的精度與配合，通過可靠的聯接裝配成軸承支點、中介機匣、壓氣機、燃燒室等維修單元體。

● 主單元體裝配。將維修單元體進行組裝，完成風扇/增壓級、核心機、低壓渦輪和附件傳動裝置等主單元體的安裝、連接及安裝過程中支點同心度和轉子軸向活動量的測量，轉子、靜子機匣之間間隙的測量和調整等。

● 整機裝配。將各主單元體進行連接，并完成外部涵道、組件（附件傳動機匣、擴散器、噴口等）、外部管路系統、電氣系統、調節和操縱系統及附件的安裝、連接、調整和試驗，形成完整的航空渦扇發動機。

● 發動機試車。航空發動機裝配完成后，為磨合發動機零、部件，檢查各附件工作情況和裝配質量，以及按技術條件調整性能參數，應進行發動機試車。

● 發動機拆卸、分解和檢查。航空發動機在進行試車過程中或過程后出現需要分解檢查和排除故障時應進行拆卸、分解和檢查，一般包括高壓及低壓渦輪滾子軸承徑向活動量、高壓及低壓壓氣機轉子軸承徑向活動量、低壓壓氣機轉子葉片活動量、封嚴圈間隙測量以及零組件外部檢視等內容。

2　航空發動機裝配技術及標準現狀

目前，我國航空發動機裝配工作面臨的問題，除了由于航空發動機自身構造復雜造成裝配工序繁復而引起的技術問題，以及由于對裝配過程中出現的質量問題查找原因及試驗驗證困難引起的技術問題，還有由于在裝配過程中暴露的問題導致設計和工藝頻繁更改而引發的技術狀態管理問題，發動機裝配操作人員水平造成的質量監督管理問題等等。這些問題與近年來外場頻繁發生的由于航空發動機故障引起的事故暴露了一系列的質量問題，這雖然與我國目前在航空發動機裝配過程中存在的進度要求過緊、裝配車間自動化程度較低等實際困難有很大關系，但也與裝配工藝標準的缺失有直接關聯。

航空發動機的裝配是一個龐大的系統工程，涉及裝配工藝方法、檢測方法、工裝、設備、人員、安全等眾多專業，且與其他機械設備相比，航空發動機裝配中使用的工藝設備、工裝夾具數量更多，在新機研制階段，專用工裝甚至可以達到1 000件/套以上。但目前，我國國家軍用標準和航空行業標準中只有部分針對通用裝配工藝方法、設備、工裝的標準，如HB/Z 121-1987《航空發動機螺紋緊固件裝配要求》等，對于裝配過程、工藝方法、專用工具、設備等，大多以企業標準、工藝規程、程序文件的形式存在于各個發動機廠所，而各廠所主要依據各自的裝配能力編制相關標準，對于同一標準化對象，標準要素及要求各不相同，某個單位的標準無法直接在行業內推廣使用，這就造成了各個單位裝配質量的差異，對于航空發動機型號裝配質量的一致性和穩定性產生了嚴重影響。

我國現行研制的發動機均是多流水制造，涉及多個制造單位，由于沒有統一的裝配操作過程標準、工藝方法標準、檢測方法標準及設備標準對發動機的裝配工作進行規范管理，針對同一部件在不同單位采用不同的裝配方法進行組裝，在試驗調試過程中發現兩部件性能差異較大，會對整機裝配后的航空發動機性能產生較大影響。

綜上可知，統一的裝配操作過程標準、工藝方法標準、檢測方法標準及設備標準的編制可以有效規范航空發動機裝配工作，最大程度上減小由于流程、設備、方法的不同導致的裝配差異，同時，裝配操作過程標準的編制還可為設計部門裝配要求的提出提供依據。

3　基于單元體設計的航空渦扇發動機裝配標準

為解決上述問題，需要從航空發動機裝配流程入手，同時運用標準化原理與方法，首先將裝配標準劃分層級，使其形成關系清晰、合理的有機整體，在此基礎上，再對現有標準進行整合，并對缺項標準進行編制，使目前航空發動機裝配標準不成體系且缺項嚴重的現狀得到逐步改善。

按照圖2，對于采用單元體設計的航空渦扇發動機，其裝配流程可主要劃分為維修單元體裝配，主單元體裝配，整機裝配，試驗，以及發動機拆卸、分解、檢查5大過程，其中發動機拆卸、分解、檢查過程中涉及的操作過程標準可分解到各維修單元體和主單元體標準中。同時，由于相同的工藝方法、檢測方法、工裝及設備可能會在多個過程中使用，可將其通用部分進行提煉，形成獨立的標準。通過以上分析，可將圖2中裝配流程所涉及的標準劃分為5大類，其相互關系如圖3所示。

為確保航空發動機裝配標準能夠形成關系清晰、合理的有機整體，應清晰劃分出各類裝配標準間的界面，表1中給出了基于單元體設計的航空渦扇發動機裝配過程標準、工藝方法標準、檢測方法標準、工裝及設備標準、技術基礎標準的主要內容，為現有標準整合及新標準編制提供支撐。

圖3　基于單元體設計的航空渦扇發動機裝配標準關系

表1　基于單元體設計的航空渦扇發動機裝配標準主要內容

4　結束語

由于裝配質量將直接影響到航空發動機的性能、壽命及工作可靠性，因此航空發動機裝配是保證發動機各裝配件和整機使用性能的關鍵技術，也是航空發動機產品質量必須控制的重要環節。隨著轉子組合件同心度控制技術、精密流量和密封性檢測技術、用于狹小空間使用的幾何可調精密工裝設計制造技術等航空發動機裝配關鍵技術的不斷突破和應用，標準的統一和規范作用也愈發顯著，對于裝配標準的需求也愈發急迫。

建議以某一或兩型在研或新立項航空發動機為試點，從型號立項論證階段即啟動裝配標準的梳理和編制工作，并在型號裝配過程中對標準適用性進行驗證，通過驗證的標準可逐步提升為國家標準、國家軍用標準、航空行業標準及企業標準，使這些相互作用、互相關聯的標準融合為一個關系清晰、合理的有機整體，在減小由于流程、設備、方法的不同導致的裝配差異，為設計部門裝配要求的提出提供依據的同時，整體推進航空發動機裝配標準工作。

［1］《透平機械現代制造技術叢書》編委會.裝配試車技術［M］.北京：科學出版社.2002：1.

（編輯：雨晴）

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