解決RB211-535E4 發動機N3 振動超標的裝配關鍵點研究

■ 卓爵/北京飛機維修工程有限公司

0 引言

高壓轉子部分振動超標簡稱N3 振動超標，是三轉子發動機RB211 系列發動機的典型故障，作為OEM 的羅羅公司自20 世紀80 年代起就一直在尋求解決方案。我廠是目前維修RB211-535E4 機型的重要MRO 企業，N3 振動曾經是試車返廠率最高的故障之一。經過十幾年的總結和摸索，找到了一系列影響N3 振動的關鍵因素，通過裝配過程中的嚴格把控，可以將發生振動的可能性降至最低。同時，結合羅羅公司近年頒發的服務通告，到2019年度，因N3 振動返廠的發動機已經降 為0。

影響N3 振動的因素很多，主要包括平衡和直線裝配兩方面，本文只討論直線裝配。

1 RB211-535E4 發動機高壓轉子部分結構特點

RB211-535E4 發動機高壓轉子結構包含三大組件：高壓定位軸承組件、高壓壓氣機轉子（HPC）組件和高壓渦輪（HPT）組件，如圖1 所示。其中，高壓定位軸承與HPC 之間通過18 個螺栓以端齒的方式聯接，有6 個相對位置；HPC 內部通過47 個螺栓以緊度配合的方式聯接，有8 個相對位置；HPC 與HPT 之間通過32 個螺栓以緊度配合的方式聯接，有8 個相對位置；HPT 內部通過24 個螺栓以緊度配合的方式聯接，有8 個相對位置。整個高壓轉子部分的支撐點在系統的兩端，因此要求有良好的剛性。但由于聯接點較多，很難一次性保證剛性和同心度。

2 影響直線裝配的關鍵環節

2.1 HPC 轉子盤的組裝

RB211-535E4 發動機的HPC 主要由6 級葉片和三個盤組件構成，分別是HPC1-2 級盤、HPC3 級盤和HPC 后轂。其中，HPC3 級盤的前后分別通過過盈配合與1-2 級盤和后轂聯接。每兩個零件之間的位置選擇都是通過跳動量的測量和由羅羅公司的軟件VX33 計算得出，以確定組裝結果是否滿足要求以及零件是否組裝到位。在裝配過程中，應確保配合面的清潔，保證腔室內無異物（如滑油等）存在。異物（滑油）的存在會導致不平衡量的顯著增加，且無法配重糾正。

2.2 HPT 盤與后短軸的聯接

在HPT 盤與后短軸的組裝過程中，除了測量跳動量并使用VX33 軟件選擇位置外，最重要的環節是細密劃痕（Micro-Spline）工藝。具體做法是由工作者用指定的油石分別在HPT 盤和后短軸的結合面以徑向的方向由外向圓心打磨出細密的劃痕（見圖2），使得兩個零件在高速轉動過程中不僅通過螺栓聯接，還能利用這些打磨出來的細小劃痕的花鍵作用，來保證轉動同心不分離。細密劃痕是一項對技術要求很高的工作，要確保打磨出來的紋路均勻、清晰，方向與直徑方向一致，因此需要由經驗豐富的工作者專人執行，不允許不同的工作者間斷執行。對于排故或者試車返廠的零件，應協調車間通過研磨去除原有的細密劃痕紋路，保證零件平面度和漆印合格后，再重新執行該工藝。

2.3 HPC 與HPT 的對接

HPC 與HPT 的對接是決定N3 振動的關鍵環節之一，在試車過程中多次出現的N3 振動經核實都是由于對接出現問題所致。將組裝好的HPC 的徑向和端面跳動量、HPT 的徑向跳動量輸入VX33 系統，可自動得到HPC 和HPT 的對接位置和整體跳動量預估值。工作者按照對接位置完成對接后，測量完整的高壓系統單元體的徑向和端面跳動量，再次輸入VX33 系統就可得到實測值，并自動對比預估值，以判斷跳動量是否在范圍內。如果超出范圍需分離HPC 和HPT，重新原位對接或者重新選擇位置對接。

圖1 高壓轉子結構示意圖

圖2 細密劃痕示意圖

在HPC 和HPT 對接前，應確保配合面清潔和不存在高點，否則將導致零件坐合不到底，跳動量超標。另外，對HPC 和HPT 配合面的加工尺寸也應拿捏得恰到好處，既不能太松缺乏緊度，也不能過緊而“咬死”。圖3 所示為 配合過緊導致的零件損傷。

由于HPC 和HPT 的跳動量測量工作十分精細，任何疏忽都會造成測量結果的差異，人員的變動也會影響測量結果。因此，確保測量值能正確地反映零件狀態就顯得尤為重要。

2.4 高壓定位軸承組件的組裝

對于執行大修（Level 3 Refurbishment）以上工作范圍的發動機，應增加分解前測量高壓定位軸承組件跳動量的工序。若結果在范圍內，則對相關零件的對接位置進行標記，確保零件在修理過程中不修理配合面，以保證按原位裝回后結果仍然合格。若測量結果超出標準，需要在裝配時對滑油封嚴和傳動傘齒輪軸分別進行測量和對接。測量時，一般認為帶有端齒的氣動平臺的尺寸較為理想，而平面的氣動平臺則存在較大誤差，建議在機加工的坐標磨床上進行測量。測量完成后，采用將兩個零件的最高點錯開180°的方式進行對接安裝，若不合格則需要借助VX33 程序重新 計算。

2.5 中介機匣單元體和高壓系統單元體的組裝

圖3 裝配過緊導致的零件損傷

圖4 中介機匣單元體和高壓系統單元體的銷釘與銷釘孔

中介機匣單元體和高壓系統單元體的組裝是與N3 振動有關的最后一個環節，也是之前各個測量的最終目的。同樣，根據直線裝配原理，將中介機匣的高點與高壓系統單元體的高點錯開180°（與標記位重合）進行裝配。與上文所述內容對應，高壓定位軸承組件的高點與HPC 和HPT 組裝后的整體高點應錯開180°（與標記位重合，見圖4）。原始構型狀態下，由于有6 個定位銷釘的限制，就有6 個可選位，很難讓兩個標記位重合，只能確保標記位置夾角最小。

改型SB72-J568 的發布取消了這6個定位銷釘，最大誤差從30°減小到10°，使對接位置更加精準，兩個標記位置無限接近，實現了安裝位置與測量位置的重合。因此，這是修理廠家向客戶極力推薦執行的改型之一。不過，由于缺少導向銷釘的引導，在水平對接過程中很容易磕傷端齒，需要工作者在對接時進行判斷，若達不到一次成功，需將兩個單元體脫離開，檢查端齒狀態，確保無損傷后再重新對接。任何細小的損傷都可能直接導致N3 振動超標。

雖然沒有定位銷釘的限制，但還要確保端齒清潔無異物。由于設計的原因，任何細小的異物或者零件材料的輕微隆起都會造成最終試車結果的高N3 振動問題。根據手冊要求的分三級磅緊也對最終的測試結果有著顯著影響，建議由經驗豐富的工作者執行或者檢查。

3 總結

組裝發動機是一個嚴謹且繁瑣的過程，每一步都要嚴格按照手冊要求完成，任何工序的遺漏或者操作不規范都會產生不良后果。同時，隨著發動機步入老齡化，即使嚴格的常規操作也不能完全確保滿足裝配要求。這就需要修理廠家根據實際需要不斷總結經驗，規范流程，注意細節和手法，采用更高的標準保證發動機出廠時的技術指標滿足手冊要求。在實際應用中，關注本文所述裝配關鍵點可以解決N3 振動問題。據初步測算，每臺次發動機可節省返廠修理費用10 萬元，節省修理周期7 天，尤其是可以降低發動機的出廠振動水平，延長發動機在翼時間，贏得客戶青睞。