發動機低渦軸碰磨故障的裝配工藝分析

趙 哲 孫貴青 王 彤

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

低壓渦輪軸是連接航空發動機風扇壓氣機和低壓渦輪之間的橋梁，它能否安全、穩定地工作，關系到整個發動機能否安全穩定地運轉[1-2]。低壓渦輪軸選用材料具有高強度、易腐蝕特點，一旦表面發生腐蝕，疲勞強度會明顯降低，壽命大幅度縮短，工作時可能會發生斷軸故障，對發動機的工作安全構成高度威脅。為防止低壓渦輪軸表面發生腐蝕，表面選用防腐漆進行保護，能夠顯著提高低壓渦輪軸的抗腐蝕性。

國外CFM-56發動機在生產制造中發現，低壓渦輪軸發生碰磨故障，表面防腐漆出現多處大面積脫落，沿軸向呈波浪形狀分布，已露出金屬基體，部分基體存在輕微磨痕。國內某型航空發動機的低壓渦輪主單元體拆卸后，同樣發現低壓渦輪軸發生碰磨損傷，故障現象同國外相似，低壓渦輪軸的碰磨問題亟待解決。

裝配工藝控制對航空發動機裝配質量至關重要，可以確保發動機性能及使用的可靠性和耐久性[3]。本文結合航空發動機結構特點，對低壓渦輪軸碰磨故障進行工藝分析，確定故障原因，制定改進措施。

1 結構特點

低壓渦輪軸表面防腐漆劃痕呈非徑向整環分布，可排除發動機試車發生的可能性，推斷為安裝/拆卸過程中造成的機件碰磨事件。結合某型航空發動機低壓渦輪軸防腐漆的脫落區域，從低壓渦輪主單元體裝分路徑上分析判斷，對低壓渦輪軸碰磨具有影響的機件為空氣導管、軸前封嚴環、四支點外環、壓緊螺母，如圖1所示。

圖1 低壓渦輪軸裝配結構

在低壓渦輪主單元體裝配過程中，計算低壓渦輪軸與發動機各機件的單邊徑向裝配間隙為：

式中，i為低壓渦輪軸裝配時經過的各機件，i=1，2，3…；D為低壓渦輪軸最大外徑；d為機件最小內徑。

低壓渦輪主單元體裝配時，低壓渦輪軸的徑向偏擺距離大于相配合機件的單邊徑向裝配間隙?時，可發生碰磨。如圖1所示，當前，空氣導管與低壓渦輪軸的裝配間隙最小，利用公式（1）計算單邊徑向裝配間隙為?min，低壓渦輪軸的軸端發生偏擺?≥?min時，可與空氣導管發生接觸碰磨。

2 工藝分析

2.1 定心引導

某型航空發動機低壓渦輪主單元體裝配工藝采用“水平裝配技術”，使用可調重心水平吊具，利用前支點定心引導系列工裝進行裝配，如圖2所示。分析發現，低壓渦輪主單元體裝配時，僅在低壓渦輪軸前端安裝定心引導工裝，單支點定心引導不足，會引起懸臂較長的低壓渦輪軸發生偏擺。

圖2 低壓渦輪主單元體裝配

現有低壓渦輪主單元體裝配時，使用的前支點定心引導系列工裝配合尺寸如表1所示，計算工裝定心徑向總配合間隙為t=3.7～4.6mm（即t=4+0.6-0.3），工裝與發動機的定心配合間隙較大，定心效果不足，可能對低壓渦輪軸偏擺碰磨具有直接影響。可在低壓渦輪軸增加后支點定心引導工裝，實現低壓渦輪軸的雙支點水平定心引導裝配，提高低壓渦輪軸裝配時的定心引導作用，如圖2所示。

表1 定心工裝配合尺寸

2.2 吊裝穩定性

低壓渦輪主單元體采用水平吊裝方式裝配，吊具的吊點D應與低壓渦輪主單元體的重心M在一條豎直線上（見圖3），保證低壓渦輪主單元體在裝配過程中的水平度。操作時一旦出現誤操作，會造成低壓渦輪主單元體的偏擺，進而導致低壓渦輪軸碰磨。

圖3 低壓渦輪主單元體吊裝

為進一步分析吊車操作穩定性的影響，進行機件吊裝穩定性試驗（見圖3）。操作吊車進行點動試驗，選取位置A（低壓渦輪軸中點）和位置B（低壓渦輪機匣前安裝邊）進行點動位移測量，測量結果如表2所示。

表2 吊車點動位移測量

根據表2可知，操作吊車進行低壓渦輪主單元體裝配時，低壓渦輪軸會發生一定程度偏擺，位置A的點動位移量大于低壓渦輪軸在裝配過程中的最小裝配間隙Δmin，存在發生偏擺碰磨可能。

2.3 碰磨風險

在低壓渦輪主單元體裝配的過程中，模擬低壓渦輪軸的運動軌跡，當低壓渦輪軸處于某一裝配階段時，決定低壓渦輪軸最大偏擺角應為各個機件配合端中的兩最小配合端。如圖4所示，設裝配時兩最小配合端分別為A、B和C、D，最大偏擺角度為a，兩最小配合端水平間距為L，輔助軸線為O2O′，碰磨處為M。理論裝配時，低壓渦輪軸的軸線O2O2′應與發動機的軸線O1O1′重合，實際裝配時，低壓渦輪軸的軸線O2O2′會發生偏擺。

圖4 低壓渦輪軸裝配

低壓渦輪軸在各裝配階段的最大偏擺角度為：

式中，i是指低壓渦輪軸的各裝配階段，i=1，2，3…；L指兩最小配合端的水平距離；D′為發動機左最小配合端直徑，D′=AB；D〞為發動機右最小配合端直徑，D〞=CD；d′為低壓渦輪軸左最小配合端直徑，d′=2EB；d〞為低壓渦輪軸右最小配合端直徑，d〞=2CF。

分析低壓渦輪軸的碰磨風險，當低壓渦輪軸發生偏擺后，M處的理論偏擺位移大于實際裝配間隙Δ時，裝配時低壓渦輪軸就會發生碰磨，則低壓渦輪軸的理論偏擺位移O1″O2″（見圖 4）為：

式中，i為低壓渦輪軸的各裝配階段，此處i=1，2，3…；D為低壓渦輪軸碰磨處直徑，D=MN；L′為低壓渦輪軸左最小配合端距離碰磨處的水平距離。

以低壓渦輪主單元體拆卸過程為分析對象（安裝是逆過程），利用式（2）和式（3）對各退出階段進行碰磨風險計算，計算時引入工裝徑向累積配合間隙，計算發現低壓渦輪軸在退出行程60mm后，偏擺幅度超過許用間隙△，均存在碰磨風險，偏擺曲線如圖5所示。

圖5 低壓渦輪軸偏擺幅度曲線

低壓渦輪主單元體拆卸的全部退出行程中，在四支點軸承滾動體退出外環和壓緊螺母前（低壓渦輪軸退出0～60mm），由于外環和壓緊螺母的過盈定心作用，低壓渦輪軸不存在碰磨可能；從四支點軸承滾動體退出外環壓緊螺母后至定心工裝退出時（低壓渦輪軸退出60～1500mm），低壓渦輪軸均存在碰磨風險，理論碰磨區域覆蓋現有防腐漆脫落區域，分析結果如表3所示。

由表3可知，低壓渦輪軸僅在空氣導管靠近四支點軸承的縮頸處可能發生碰磨，與低壓渦輪主單元體退出時發生的碰磨狀態相吻合，判斷低壓渦輪軸防腐漆脫落為拆卸時與空氣導管發生碰磨所致。

3 改進措施

針對此故障，筆者提出以下改進措施：增加后支點定心引導工裝，實現低壓渦輪軸的兩點水平定心引導裝配；提高定心工裝配合精度，改善定心引導效果；補充低壓渦輪軸防腐漆臨時修復工藝，及時解決防腐漆損傷；增加低壓渦輪軸貯存油封工藝，防止低壓渦輪軸表面基體發生腐蝕；對吊車進行改進，提高吊裝時低壓渦輪主單元體的裝配穩定性。

表3 低壓渦輪主單元體拆卸時碰磨風險

某型發動機低壓渦輪主單元體拆卸時，人們采用以上工藝改進措施，低壓渦輪軸碰磨問題得到有效解決，防腐漆碰磨脫落現象大幅度減小。對于防腐漆的小面積脫落問題，人們可使用低壓渦輪軸防腐漆臨時修復工藝進行修復，提高裝配效率。裝配過程中采用低壓渦輪軸貯存油封工藝進行防護，保證裝配質量。

4 結語

通過航空發動機低壓渦輪軸的碰磨故障可知，裝配精確度和穩定性對發動機的質量安全具有重要意義。設計發動機裝配工藝時，應結合發動機的結構特點，模擬裝配路徑進行碰磨風險評估，進行可達性分析，并全程對發動機的裝配機件采取有效防護措施，實現航空發動機的高效率、高質量裝配。

[1]劉長福，鄧明.航空發動機結構分析[M].西安：西北工業大學出版社，2008：27-29.

[2]陳光，洪杰，馬艷紅.航空燃氣渦輪發動機結構[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010：59-60.

[3]石宏.航空發動機裝配工藝技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015：111-123.