航空發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)低渦轉(zhuǎn)子葉片裝配工藝設(shè)計(jì)

楊洋 龍洋 孫貴青 李昊軒 趙宇

摘 要：為解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片裝分操作中存在的緣板易損、葉冠錯(cuò)齒、裝配應(yīng)力大等問(wèn)題，提出一種可施加平穩(wěn)載荷，對(duì)葉片與渦輪盤相對(duì)軸向距離進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)控的新型裝配工藝。設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子葉片裝分裝置，能夠滿足裝配需求，可為發(fā)動(dòng)機(jī)其他轉(zhuǎn)子類似結(jié)構(gòu)的裝配工藝提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；低壓渦輪；轉(zhuǎn)子葉片；裝配工藝

1 概述

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)普遍追求大推力、大功率等性能指標(biāo)。為了驅(qū)動(dòng)大風(fēng)扇、提高效率，渦輪結(jié)構(gòu)一般采用多級(jí)低壓渦輪。[1]低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片作為其中重要零件之一，不僅加工難度大，制造成本昂貴，工作時(shí)又需要在高溫高壓狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，承載受力大，工況復(fù)雜。[2]面對(duì)如此惡劣的條件，轉(zhuǎn)子葉片表面微小的損傷都極有可能被催化放大，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋、掉塊等故障，嚴(yán)重威脅發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和穩(wěn)定性。因此無(wú)論從控制投入成本、生產(chǎn)周期亦或保障發(fā)動(dòng)機(jī)性能角度考慮，轉(zhuǎn)子葉片的表面質(zhì)量都需要全方位嚴(yán)加要求。

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特殊性，低渦轉(zhuǎn)子葉片榫頭安裝到盤組件榫槽時(shí)，需要克服一定阻力。為避免施加裝配外力造成轉(zhuǎn)子葉片表面損傷，國(guó)外安裝轉(zhuǎn)子葉片采用專用裝配工藝，而國(guó)內(nèi)在該工藝研究方面一直處于瓶頸狀態(tài)。[3-4]目前國(guó)內(nèi)采用手動(dòng)敲擊葉片的裝配方式，易造成葉片損傷、葉冠錯(cuò)齒等情況，存在安全隱患，影響裝配質(zhì)量。

本文基于對(duì)多級(jí)低壓渦輪盤片組件的結(jié)構(gòu)分析，提供了一種轉(zhuǎn)子葉片的新型裝配工藝，操作方式簡(jiǎn)單，在一定程度上降低了裝配應(yīng)力，確保發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量和性能。

2 結(jié)構(gòu)分析

鋸齒形葉冠為發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片常用葉冠形狀。由于相鄰葉片間葉冠鋸齒存在咬合，因此該型葉冠葉片在盤組件上的裝分操作，需要整圈葉片沿盤組件同時(shí)軸向移動(dòng)方能實(shí)現(xiàn)。

受機(jī)件加工誤差、葉片間相互約束等因素影響，整圈葉片需克服一定阻力才能沿盤組件移動(dòng)。而鑒于轉(zhuǎn)子葉片和渦輪盤的裝配結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和可操作性，轉(zhuǎn)子葉片的外力可作用位置僅限于內(nèi)緣板附近位置。國(guó)內(nèi)現(xiàn)多采用橡膠錘或其他類似工具敲砸緣板的方法施加沖擊外載：操作者首先將所有葉片榫頭搭接到渦輪盤榫槽上，同時(shí)確保葉片葉冠處于正常咬合狀態(tài)；準(zhǔn)備好后手持橡膠錘，敲砸若干相鄰葉片的緣板，使其軸向移動(dòng)一小段距離，接著再對(duì)鄰近若干葉片敲擊，如此逐組進(jìn)行，整圈葉片得以軸向移動(dòng)一定距離，重復(fù)操作，最終實(shí)現(xiàn)葉片裝分。這種方法看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際存在很大安全風(fēng)險(xiǎn)：人工施加沖擊外載，難以控制施力大小，力過(guò)小無(wú)法實(shí)現(xiàn)葉片安裝，力過(guò)大容易損傷葉片，且葉片內(nèi)緣板結(jié)構(gòu)較窄，強(qiáng)度不高，現(xiàn)場(chǎng)已多次出現(xiàn)緣板砸傷事故。

3 工藝設(shè)計(jì)

3.1 總體方案

轉(zhuǎn)子葉片在渦輪盤組件上的裝配工藝設(shè)計(jì)，主要即加載裝置和支承裝置兩大工藝裝置的設(shè)計(jì)。加載裝置，主要為葉片裝分提供穩(wěn)定均勻載荷，受裝配結(jié)構(gòu)限制，僅可設(shè)置在葉片內(nèi)緣板附近位置加載；支承裝置，在裝分過(guò)程中支承定位葉片和渦輪盤組件，具備無(wú)級(jí)調(diào)控兩者相對(duì)軸向距離的功能，可適應(yīng)過(guò)程中葉片和渦輪盤組件的任意軸向狀態(tài)。此外，考慮到低渦的多級(jí)結(jié)構(gòu)，因此該工藝設(shè)計(jì)需要具有通用適應(yīng)性，加載裝置和支承裝置應(yīng)能實(shí)現(xiàn)各級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的裝分。

3.2 工藝原理

轉(zhuǎn)子葉片裝分原理見圖2。利用支承裝置對(duì)葉片和盤組件分別進(jìn)行定位，通過(guò)加載機(jī)構(gòu)對(duì)葉片內(nèi)緣板根部附近位置/端面施加壓力，同時(shí)配合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不斷調(diào)整葉片和盤間的軸向距離，最終實(shí)現(xiàn)葉片在盤組件上的裝配/分解。

由于葉片處于盤組件徑向外側(cè)且數(shù)目眾多，相鄰件間又僅存在葉冠鋸齒約束，故支承裝置托舉整圈葉片進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)難度較大，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)將十分復(fù)雜，相較而言，盤組件的移動(dòng)更易實(shí)現(xiàn)，因此選定盤組件軸向移動(dòng)、葉片固定作為裝分操作的工作形式。

3.3 裝置設(shè)計(jì)

低渦轉(zhuǎn)子葉片裝分工藝裝置結(jié)構(gòu)見圖3，由加載和支承兩大部分組成。加載裝置主要包括壓桿組件、滾輪組件、固緊螺母等；支承裝置主要包括底座、葉片支承組件、盤支承組件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。底盤為整個(gè)裝置的基座，其上有螺栓孔，用于與工作臺(tái)之間的固定和防轉(zhuǎn)；葉片支承組件通過(guò)若干支承桿安裝在底盤上，負(fù)責(zé)支承葉片；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與底座連接，其外螺紋套、壓桿支承套可繞中心軸各自周向轉(zhuǎn)動(dòng)；盤支承組件用于放置渦輪盤組件，具備與各級(jí)盤相應(yīng)接口，與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的外螺紋套間設(shè)有螺紋傳動(dòng)可以軸向移動(dòng)；壓桿組件在壓桿支承套帶動(dòng)下繞中心軸做周向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其上裝有滾輪組件，用于對(duì)葉片加載。

整個(gè)發(fā)明裝置的動(dòng)力輸入有兩處，分別為扳桿和壓桿組件：轉(zhuǎn)動(dòng)扳桿，外螺紋套隨之旋轉(zhuǎn)，而與之有螺紋傳動(dòng)連接的盤支承組件由于被防轉(zhuǎn)銷限制無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，故將軸向移動(dòng)，從而帶動(dòng)盤組件軸向運(yùn)動(dòng)；盤組件向上運(yùn)動(dòng)，而葉片受滾輪組件壓制無(wú)法移動(dòng)，葉片榫頭將插入/移出渦輪盤榫槽，推動(dòng)壓桿組件帶動(dòng)滾輪組件繞中心軸對(duì)整圈葉片轉(zhuǎn)動(dòng)加載，即實(shí)現(xiàn)整圈葉片裝分。

盤組件和葉片相對(duì)位置受支承裝置限定，因此可通過(guò)調(diào)節(jié)盤支撐組件軸向進(jìn)給量來(lái)控制每次滾輪滾壓時(shí)葉片相對(duì)盤組件的軸向移動(dòng)距離，以此避免相鄰葉片移動(dòng)距離相差過(guò)大造成的葉冠錯(cuò)齒問(wèn)題。此外，滾輪在壓桿組件上設(shè)有徑向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)低壓渦輪多級(jí)盤裝分的通用性。

4 結(jié)語(yǔ)

采用新型裝配工藝，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)低渦轉(zhuǎn)子葉片的裝分，避免了以往操作過(guò)程中可能出現(xiàn)的過(guò)大沖擊力和葉冠錯(cuò)齒問(wèn)題，操作安全性明顯得以提高；此外，裝置的多級(jí)接口與滾輪徑向調(diào)節(jié)兩項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)了工藝對(duì)于多級(jí)低渦結(jié)構(gòu)的通用適應(yīng)性。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐，使用該裝配工藝的操作過(guò)程中載荷施加緩慢平穩(wěn)，內(nèi)部裝配應(yīng)力得以有效降低，一定程度上提高了裝配質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊養(yǎng)花，付依順，劉志江.大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2009，35（3）：8-11.

[2]衛(wèi)煒，周來(lái)水，安魯陵，蘭凌.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面測(cè)具快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J].航空制造技術(shù)，2012，（11）：43-45.

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作者簡(jiǎn)介：楊洋（1988-），女，遼寧海城人，工程師，工作于中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)。