疊加優(yōu)化技術(shù)在高壓渦輪轉(zhuǎn)子維修裝配中的應(yīng)用

王洪明

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

航空發(fā)動機(jī)為飛機(jī)提供動力，其工作的可靠性直接關(guān)系飛行安全，更體現(xiàn)了一個國家的科技、工業(yè)和國防實力[1,2]。航空發(fā)動機(jī)裝配是發(fā)動機(jī)制造過程中的終端及核心環(huán)節(jié)，據(jù)某研究所統(tǒng)計，涉及裝配及使用修理因素的失效在統(tǒng)計樣本中占案例總數(shù)的20%，可見裝配過程直接影響到發(fā)動機(jī)的最終性能品質(zhì)[3-6]。目前，采用旋轉(zhuǎn)平臺和專用工裝對高壓渦輪轉(zhuǎn)子逐層同程度的磨損、變形，使高壓渦輪轉(zhuǎn)子的維修裝配變得更加困難，轉(zhuǎn)子一次裝配成功率并不高，往往需要多次調(diào)整或者重新修配后才能保障同心度符合設(shè)計要求[7]。高壓渦輪轉(zhuǎn)子為四大核心轉(zhuǎn)子之一，面臨同樣的問題，特別是經(jīng)過3000小時使用后進(jìn)行大修的某型號航空發(fā)動機(jī)，高壓渦輪轉(zhuǎn)子零件的維修裝配成為亟待解決的問題。

1 高壓渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)介紹

高壓渦輪轉(zhuǎn)子為某型號航空發(fā)動機(jī)四大核心轉(zhuǎn)子之一，為航空發(fā)動機(jī)持續(xù)提供機(jī)械功。高壓渦輪轉(zhuǎn)子主要由后軸、高壓渦輪盤、封嚴(yán)盤、鼓筒軸等組成，如圖1所示。其中高壓渦輪盤外止口與封嚴(yán)盤內(nèi)止口配合接觸，封嚴(yán)盤內(nèi)另一側(cè)內(nèi)止口與鼓筒軸外止口配合接觸，高壓渦輪盤、封嚴(yán)盤、鼓筒軸通過螺栓擰緊連接，使高壓渦輪盤、封嚴(yán)盤、鼓筒軸端面緊密貼合，后軸內(nèi)止口與高壓渦輪盤另一側(cè)外止口配合接觸，后軸、高壓渦輪盤通過螺栓擰緊連接，使后軸、高壓渦輪盤端面緊密貼合。

圖1 高壓渦輪轉(zhuǎn)子示意圖

2 疊加優(yōu)化優(yōu)化原理及應(yīng)用

高壓渦輪轉(zhuǎn)子主要由后軸、高壓渦輪盤、封嚴(yán)盤、鼓筒軸等組成，高壓渦輪轉(zhuǎn)子的不平衡量可通過控制各零件的不平衡量得到有效的控制，而各零、部件的不同心度通過一定方式的組合，矢量累加成高壓渦輪轉(zhuǎn)子的不同心度，而不同心度的大小取決于各零、部件的裝配相位，疊加優(yōu)化技術(shù)就是通過優(yōu)化各零、部件的裝配相位，實現(xiàn)高壓渦輪轉(zhuǎn)子不同心度最小的一種裝配優(yōu)化技術(shù)。

2.1 零、部件測量

零、部件測量是指采用疊加投影設(shè)備測量各零、部件接觸面之間的幾何特征（柱面跳動、端面跳動），再綜合考慮了各零、部件的柱面跳動與端面跳動，獲得高壓渦輪轉(zhuǎn)子的最終跳動，用于預(yù)算各、零部件不同相位裝配時的不同心度。

2.1.1 柱面跳動影響

零件1與零件2接觸連接，如圖2所示。零件1的基準(zhǔn)中心線為O1O2，零件1與零件2接觸位置的中心線為O'1O'2，柱面跳動為δJ，零件 2繼承了零件1的柱面跳動，因此，零件1對零件2的柱面跳動影響為δJ。

圖2 柱面跳動影響簡圖

2.1.2 端面跳動影響

零件1與零件2接觸連接，如圖3所示。零件1的基準(zhǔn)中心線為O1O2，零件1的端面跳動為δD，零件1與零件2接觸位置的中心線為O'1O'2，使零件2產(chǎn)生柱面跳動δ'J，假設(shè)零件2的高度為H，直徑為D，則：

圖3 端面跳動影響簡圖

2.1.3 綜合影響

疊加優(yōu)化技術(shù)綜合考慮了零、部件的柱面跳動和端面跳動，將兩種跳動對后續(xù)部件的影響綜合為一個綜合跳動。

柱面跳動和端面跳動對后續(xù)部件的綜合影響為：

式（2）中：δ為綜合跳動，mm；δJ為柱面跳動，mm。

2.2 優(yōu)化計算及最終檢驗

根據(jù)各零、部件之間的綜合跳動優(yōu)化各零、部件裝配相位，進(jìn)而得到最優(yōu)的裝配相位，優(yōu)化出最佳裝配相位下高壓渦輪轉(zhuǎn)子的不同心度。

但是由于裝配過程依靠人工完成，存在一定的不可控因素，因此需要對裝配完成的轉(zhuǎn)子進(jìn)行最終檢驗測量，確保高壓渦輪轉(zhuǎn)子的不同心度合格。

2.3 疊加優(yōu)化技術(shù)在高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡組件裝配上的應(yīng)用

2.3.1 零、部件測量

利用疊加投影設(shè)備，對后軸、高壓渦輪盤、封嚴(yán)盤、鼓筒軸進(jìn)行單件檢查綜合不同心度，規(guī)定零件號首字母為起始“零”點，并記錄好綜合不同心度數(shù)值和相位。如圖4-圖7所示。

2.3.2 優(yōu)化計算及最終檢驗

根據(jù)后軸、高壓渦輪盤、封嚴(yán)盤的綜合跳動優(yōu)化各零、部件的裝配相位，得到最優(yōu)的裝配相位。

按照優(yōu)化后的裝配相位，在氣懸浮轉(zhuǎn)臺上對后軸、高壓渦輪盤、封嚴(yán)盤、鼓筒軸進(jìn)行裝配，裝配完成后，借助疊加投影設(shè)備對高壓渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行最終檢驗測量，確保高壓渦輪轉(zhuǎn)子的不同心度合格。如圖8所示。

3 疊加優(yōu)化裝配效果分析

選取5臺次高壓渦輪轉(zhuǎn)子，分別采用疊加優(yōu)化技術(shù)裝配方法和原裝配用方法進(jìn)行裝配，每種方法重復(fù)了3次，試驗結(jié)果如表1所示。

圖4 后軸檢查不同心度示意圖

圖5 高壓渦輪盤檢查不同心度示意圖

圖6 封嚴(yán)盤檢查不同心度示意圖

圖7 鼓筒軸檢查不同心度示意圖

圖8 高壓渦輪轉(zhuǎn)子檢查示意圖

3.1 裝配質(zhì)量分析

3.1.1 柱面跳動情況分析

通過圖9可知，疊加優(yōu)化裝配方法的柱面跳動值優(yōu)于轉(zhuǎn)臺裝配方法的柱面跳動值。通過表1柱面跳動數(shù)據(jù)，計算得出柱面跳動值最大優(yōu)化59.3%，平均優(yōu)化47.4%。認(rèn)為疊加優(yōu)化裝配方法對柱面跳動優(yōu)化有作用。

3.1.2 端面跳動情況分析

通過圖10可知，疊加優(yōu)化裝配方法的端面跳動值優(yōu)于轉(zhuǎn)臺裝配方法的端面跳動值。通過表1端面跳動數(shù)據(jù)，計算得出端面跳動值最大優(yōu)化31.9%，平均優(yōu)化30.2%。認(rèn)為疊加優(yōu)化裝配方法對端面跳動優(yōu)化有作用。

3.1.3 裝配穩(wěn)定性分析

1）柱面跳動穩(wěn)定性分析

通過圖11可知，疊加優(yōu)化裝配方法柱面跳動極差值小于轉(zhuǎn)臺裝配方法柱面跳動極差值，疊加優(yōu)化裝配方法的穩(wěn)定性優(yōu)于轉(zhuǎn)臺裝配方法的穩(wěn)定性。認(rèn)為疊加優(yōu)化裝配方法比較穩(wěn)定。

圖9 柱面跳動分析圖

圖10 端面跳動分析圖

圖11 柱面跳動穩(wěn)定性分析圖

圖12 端面跳動穩(wěn)定性分析圖

2）端面跳動穩(wěn)定性分析

通過圖12可知，疊加優(yōu)化裝配方法端面跳動極差值小于轉(zhuǎn)臺裝配方法端面跳動極差值，疊加優(yōu)化裝配方法的穩(wěn)定性優(yōu)于轉(zhuǎn)臺裝配方法的穩(wěn)定性。認(rèn)為疊加優(yōu)化裝配方法比較穩(wěn)定。

3.2 裝配效率分析

通過圖13可知，疊加優(yōu)化裝配方法的裝配時間小于轉(zhuǎn)臺裝配方法的裝配時間。通過表1裝配時間數(shù)據(jù)，計算得出裝配效率最大提升164%，裝配效率平均提升136%。認(rèn)為疊加優(yōu)化裝配方法對裝配效率提升有顯著效果。

4 結(jié)論

通過疊加優(yōu)化技術(shù)在高壓渦輪轉(zhuǎn)子維修裝配中的應(yīng)用，得出：疊加優(yōu)化技術(shù)對高壓渦輪轉(zhuǎn)子的柱面跳動、端面跳動和裝配重復(fù)性有優(yōu)化作用，提高了高壓渦輪轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量。疊加優(yōu)化技術(shù)有效的提高了高壓渦輪轉(zhuǎn)子裝配效率。

圖13 裝配時間圖示