微型渦噴發動機裝配關鍵技術*

王航洲,胡智璽,劉建國,李永生

(西安現代控制技術研究所,西安 710065)

0 引言

微型渦噴發動機一般具有體積小、重量輕、轉速高、油耗小、成本低等特點,可用作巡航導彈、無人偵察機、靶機、無人機等動力裝置。早在20世紀60年代,國外如法國、美國、德國、英國和前蘇聯等國就展開了微型渦噴發動機技術研究,僅其定型的產品就多達幾十種,并且形成各自系列產品,分別用于無人機、巡航導彈、布撒器、靶機和各種輔助動力裝置,如美國WR系列、法國TRI60系列。近年來我國由于武器裝備的需求,國內先后有多家單位展開微型渦噴發動機技術研究,其中裝配技術是微型渦噴發動機研究的一個重要領域。微型渦噴發動機由于其體積小、結構緊湊、工作轉速高(一般在105r/min以上)、工作條件要求極為苛刻,這就造成發動機裝配時工序復雜,裝配精度要求非常高,其裝配質量的好壞嚴重影響著渦噴發動機的工作可靠性和壽命。

文中結合某微型渦噴發動機裝配的成功經驗,展開微型渦噴發動機裝配技術研究論述。

1 微型渦噴發動機組成及工作原理

考慮到使用要求和成本,微型渦噴發動機一般為單軸結構形式,其一般由進氣機匣、外殼部件、前端板、擴壓葉盤、軸套、燃燒室、燃油系統、潤滑系統、渦輪導向機匣等主要結構件組成靜子系統,由葉輪鎖緊螺母、葉輪、主軸、渦輪、渦輪鎖緊螺母、陶瓷球軸承等組成轉子系統。圖1為一典型微型渦噴發動機結構形式。

工作原理為:渦噴發動機工作時,空氣經壓氣機壓縮減速增壓,在燃燒室內與燃油混合并燃燒產生熱能,高溫高壓氣體在膨脹過程中驅動渦輪做功帶動壓氣機旋轉,同時以高速氣流的形式從尾噴管噴出為飛行器提供推力。

2 微型渦噴發動機裝配關鍵技術

微型渦噴發動機裝配不同于其他產品的裝配,整個裝配過程不是簡單堆積,需要制定正確的裝調流程,需要來回的翻轉裝配和動態檢測,甚至包含一些在線車削加工、焊接等工藝。要裝好一臺合格的微型渦噴發動機,除了需要提供合格的零部件外,必須掌握渦噴發動機裝配的關鍵技術。微型渦噴發動機的裝配關鍵技術主要包括動平衡技術、同心技術、間隙控制技術和熱裝配技術等。

2.1 動平衡技術

轉子不平衡是由于材質不均勻,結構不對稱,加工誤差以及裝配誤差等致使轉子質量偏心較大,在高運轉過程中產生離心力引起自身振動,這是旋轉機械最常見的故障,動平衡的好壞直接影響著發動機工作的可靠性和壽命。許用不平衡量的計算可按下式計算:

式中:M為轉子質量(kg);G為轉子平衡精度等級(mm/s);N為轉子轉速(r/min);U為轉子許用不平衡量(g·mm)。

微型渦噴發動機轉子系統一般工作在105r/min以上,一個轉子系統由多個零部件組裝而成,只進行整機動平衡不能保證其各個零部件都達到平衡,為改善發動機各零部件受力情況對動平衡的影響,在整機動平衡之前,需對各轉子零部件進行分步動平衡。發動機各轉子零部件動平衡的原則是使其盡量接近實際工作支撐狀態,為此需設計專用動平衡工裝夾具,其工藝心軸也要單獨進行動平衡,以消除對轉子件平衡量的影響至最小。動平衡時周圍不允許有振動源,平衡支架的支撐位置、平衡驅動力需一致,不能有波動。各零部件動平衡精度等級一般選取為G6.3級,整機動平衡精度等級一般選取為G6.3級～G2.5級。

如某微型渦噴發動機進行動平衡時要求為:轉子系統零部件動平衡精度需達到G6.3級以上,整機動平衡精度要求G2.5級以上,并設計專用動平衡工裝夾具,首先完成單個轉子件動平衡,然后進行組裝件動平衡,最后進行整機動平衡,在動平衡過程中零部件拆裝時進行標記定位,保證每次動平衡拆裝時位置相同,動平衡時周圍不允許有振動源,平衡支架的支撐位置、平衡驅動力需一致,不能有波動。

2.2 同心裝配技術

同心裝配技術貫穿于微型渦噴發動機靜子系統和轉子系統的每個裝配環節。微型渦噴發動機由于其工作原理及特點,靜子系統結構多數為環形對稱結構形式,裝配時必須同心,以保證氣流通道的周向均勻性,其轉子系統在高轉速下轉動,為了減小由于偏心引起的激振和與靜子系統的間隙均勻性,轉子系統要求裝配時必須同心。若同心度過大,會引起發動機轉子與靜子間隙不均勻,造成發動機內部氣體流場和溫度場不均勻,降低發動機總體性能,引起發動機振動增大,甚至無法工作。因此在發動機裝配的每個環節必須保證裝配同心度要求。

如某微型渦噴發動機裝配過程中,為消除裝夾誤差和檢測誤差,要求將工件放置在精密機床上,裝配時盡量選擇同一固定安裝定位基準面,同時通過杠桿表檢測跳動量,根據跳動量大小和偏離方向調整兩者之間裝配同心度小于一定范圍;為了保證轉子系統與靜子系統同心度,通過預留加工余量和專用工裝,將靜子系統固定于精密機床上,加工與關鍵轉子部件的配合面,保證兩者的同心度;在安裝燃燒室時,通過整形工裝和在線打表檢測來調整燃燒室的安裝同心度;在安裝燃油系統時,通過設計專用工裝來調整燃油噴嘴的角度和周向位置,保證燃燒室燃油燃燒均勻性。

因此在微型渦噴發動機的每個裝配環節,必須保證各零件的裝配同心度。

2.3 間隙控制技術

在微型渦噴發動機設計裝配中,渦輪、壓氣機的葉間間隙對發動機性能有很大影響,一般微型渦噴發動機的葉間軸向和徑向間隙控制在0.1～0.5 mm之間,間隙過大,效率損失就越大,間隙過小,由于振動、熱變形等因素會造成葉頂與機匣產生摩擦、刮碰,造成發動機損壞。若通過設計來保證,會造成零件制造成本增加,而且由于涉及零件較多,累計公差范圍大,很難通過設計尺寸鏈保證所需間隙尺寸。因此如何通過裝配來控制間隙尤為重要。在微型渦噴發動機裝配中,徑向間隙一般可通過在機匣與壓氣機、渦輪壁面配合處,對機匣內壁預留一定設計加工余量,待裝配時,通過配車和在線檢測方法進行間隙控制,對軸向間隙控制,可設計多組不同規格調整墊片或通過設計留有加工余量進行間隙控制。

如某微型渦噴發動機裝配時,通過在壓氣機后端增加調整墊片保證其與進氣機匣的軸向間隙尺寸;為了保證壓氣機與擴壓葉盤徑向間隙,渦輪與導向器機匣的徑向間隙,在裝配時進行同心配車和同心度檢測,既保證了徑向間隙的要求,又保證了徑向間隙的均勻性。

2.4 熱裝配技術

熱裝配技術是指利用零件材料熱漲冷縮的原理將兩個零件裝配在一起的一種裝配技術。熱裝配技術在微型渦噴發動機中應用較多,其優點是在保證零部件強度的前提下能減少發動機零件數量和減輕發動機重量。這符合微型渦噴發動機結構簡單,重量輕的要求。微型渦噴發動機中壓氣機與主軸的裝配、渦輪與主軸的裝配采用這種裝配方式較多。

在進行熱裝配時必須嚴格控制加熱時間、加熱區域和加熱距離,加熱不夠,易造成裝配卡滯和拆卸時零件無法正常拆卸,損壞零件;加熱時間過長,易造成零件過熱,發生永久變形。熱裝配的加熱時間和加熱距離需通過多次試驗驗證獲得,熱裝配的過盈量計算可通過以下計算公式:

ΔD=a×ΔT×D

(1)

式中:ΔD為加熱膨脹量(mm);a為線脹系數10-6(1/ ℃);ΔT為加熱溫度( ℃);D為配合面直徑(mm)。

N=E×Δe×L×μ×r

(2)

式中:N為扭矩(N·m);E為彈性模量(Pa);Δe為預緊量(m);μ為摩擦系數;r為扭矩半徑(m);L為配合面長度(m)。

熱裝配的過盈量計算必須同時滿足加熱膨脹量和轉子工作時的扭矩要求,即所給出的過盈量(材料彈性極限范圍內)必須保證加熱后孔的直徑大于軸的直徑,同時在發動機工作過程中,轉子的裝配扭矩必須大于工作扭矩。

2.5 其他技術

微型渦噴發動機裝配是一種精細裝配,所設計的薄壁件、焊接件、管路較多,裝配的每個環節都需要考慮可能因素的影響,因此在裝配過程中要隨時做到動態的檢測和保護,燃油系統和潤滑系統裝配前需進行流量檢測,裝配完畢后需再次進行檢測,裝配過程中需使用橡膠堵頭進行封堵,以免贓物進入管路;燃燒室壁面開孔裝配前后需進行檢測和調整,以滿足設計要求;燃油噴嘴角度,軸承軸向預緊力、整流罩與渦輪軸向間隙等都需要裝配動態檢測和調整。

3 結束語

微型渦噴發動機裝配相對于傳統產品裝配方法,要求裝配人員要有綜合裝配技能。好的裝配工藝是裝配技術實現的關鍵,國外同類產品裝配完一臺合格產品大概只需一天,甚至幾個小時。我國現階段主要靠先引進再測繪仿研后改進研究,起步較晚,且對微型渦噴發動機裝配技術研究不夠深入,沒有形成一套成熟裝配體系,加之零件材料和制造工藝與國外發達國家的差距,所裝配的微型渦噴發動機在質量一致性、可靠性和使用壽命上與國外進口樣機都存在一定差距。因此必須加強對微型渦噴發動機的裝配技術的深入研究,掌握好微型渦噴發動機的裝配關鍵技術,制定嚴格可行的裝配工藝是裝配好微型渦噴發動機的關鍵。