基于圓弧端齒連接結構的風扇轉子裝配技術研究與應用

尚佳寧 豐少寶 李思宇 張浩

摘要：航空發動機圓弧端齒連接結構不同于止口形式的連接，可以用現有的成熟裝配技術控制轉子同軸度，目前圓弧端齒連接轉子的同軸度和初始不平衡量缺少有效的控制手段。本文分析了圓弧端齒連接結構對風扇轉子裝配的影響規律，創建了圓弧端齒連接結構轉子的裝配控制算法，突破了國內該結構轉子在裝配優化控制上的空白，降低了人工成本，提高了裝配效率，并制定了風扇轉子裝配優化控制新方案，降低了轉子初始不平衡量及進氣機匣振動水平。綜上，本文從裝配角度解決了某小涵道比發動機進氣機匣振動問題，取得了巨大的裝配優化效果，具有較高的實用價值。

關鍵詞：航空發動機；圓弧端齒；風扇轉子；裝配優化；振動；進氣機匣

Keywords： aero-engine；curvic couplings；fan rotor；assembly optimization；vibration；intake casing

0 引言

小涵道比渦扇航空發動機多用于先進軍用殲擊機[1]，追求高推力和高速。該類發動機推進效率高、噪聲低、燃油消耗率低，飛機航程遠[2，3]。小涵道比渦扇航空發動機普遍采用單元體設計，具有制造和配合精度高的特點，其中轉子件的裝配工藝技術對于保證發動機的裝配質量和效率尤為重要。

渦扇發動機轉子常見的連接結構主要有圓柱面定心螺栓連接結構、花鍵連接結構、圓弧端齒連接結構。圓柱面定心螺栓連接結構依靠穿過盤體或法蘭的拉桿和螺母緊固[4]，常用于輪盤之間或輪盤與軸之間的連接；花鍵連接結構依靠內外花鍵和螺栓緊固，常用于輪盤與軸、軸與軸之間的連接；圓弧端齒連接結構依靠圓弧端齒定心、扭轉，采用拉桿和螺母緊固，不但具備前兩種連接結構的優點，而且具有自動定心精度高、承載能力強、結構緊湊、重量輕等特點，廣泛用于現代航空發動機轉子系統零件之間的連接[5]。

圓弧端齒由格里森公司發明，與其他端齒相比，其優點主要有：可以人為地改善嚙合副的接觸區，避免因邊緣接觸引起齒的折斷；可以避免因載荷變化引起的邊緣接觸；可以降低嚙合副對裝配誤差的敏感度；加工工藝性好、生產效率高[6]；定位可靠、定心精度高、 承載能力強[7]。因此，圓弧端齒結構已逐漸應用于航空發動機和燃氣輪機轉子件的連接。

圓弧端齒結構設計、加工與裝配工藝已經成為航空發動機轉子結構設計的關鍵技術，然而在零件裝配方案的優化控制上國內外相關資料均較少，仍需開展相當多的研究工作。

1 圓弧端齒連接結構對裝配的影響分析

1.1 某小涵道比發動機風扇轉子裝配結構分析

某小涵道比發動機風扇一到三級轉子全部采用整體葉盤結構（見圖1），一級盤帶有一體的前軸頸，二級盤帶有后錐壁，后錐壁安裝邊上采用圓弧端齒結構，與風扇后軸頸實現定心和傳扭，三級盤相對于轉子一二支點（前后軸頸）軸線處于“外懸”狀態，各級轉子之間采用止口定心、過盈配合，螺栓連接。

1.2 目前裝配方式存在的問題

該小涵道比發動機風扇轉子二級盤和后軸頸圓弧端齒處共用24個螺栓連接，圓弧端齒連接結構由于其結構特性不能采用堆疊優化方法，目前采用隨機位置裝配。轉子的初始不平衡量缺少有效的控制手段，導致發動機試車過程中，進氣機匣振動頻繁超限導致下臺分解排故。因此，制定圓弧端齒連接結構的風扇轉子的裝配優化控制方案成為了型號研制中亟待解決的關鍵問題。

1.3 圓弧端齒連接轉子的裝配規律分析

以某小涵道比發動機風扇轉子平衡組件進行平衡工藝試驗，試驗項目分兩項，分別驗證風扇后軸頸不同位置重復裝拆和同一位置重復裝拆對不平衡量的影響情況。不同位置重復裝拆試驗數據如表1、圖2所示，同一位置重復裝拆試驗數據如表2所示。

風扇后軸頸出廠不平衡量測量值為85g·mm，可見加工精度較好。風扇轉子平衡組件為剛性轉子，且為整體葉盤，平衡誤差主要由傳感器本身的采集誤差造成。經統計，風扇轉子平衡組件的平衡誤差僅為示值的10%。因此可見，不同裝配位置轉子靜不平衡量的最大值偏差（460g·mm）、最小值偏差（541g·mm）均較大，相位變化大，而同一位置重復性裝配靜不平衡量變化<2%，相位只變化1°。

最終得出以下試驗結論：

1）不同裝配位置對圓弧端齒連接轉子不平衡量的影響大；

2）同一位置重復裝拆對圓弧端齒連接轉子不平衡量的影響小。

2 創建圓弧端齒連接結構轉子的裝配控制算法

傳統的裝配方法是單件平衡后，輕重點交錯180°的原則裝配，但轉子同軸度對轉子不平衡量的影響更大[8]。如圖3所示，本文創建了控制圓弧端齒連接結構轉子同軸度的算法，通過兩次拆裝，找到最佳裝配位置，降低了風扇二級盤和風扇后軸頸的跳動值，提高了該結構轉子的一次性裝配合格率。

對多臺次風扇二級盤和后軸頸的圓弧端齒連接組件進行跳動及平衡檢查，經驗證，預測結果與實際值偏差<2.8%，相位變化≤3°，如表3所示。

3 風扇轉子裝配優化控制方案及其優化效果

以往風扇轉子的裝配方式是先將一二三級盤連接起來，再裝配二級盤和后軸頸圓弧端齒處，流程圖如圖4所示。

傳統的裝配方法及裝配順序對風扇轉子單盤及組件的跳動值沒有給出控制標準，對風扇轉子的初始不平衡量缺乏有效的控制手段。

本文制定了風扇轉子優化控制方案，解決了某小涵道比發動機多臺次進氣機匣振動問題，流程圖見圖5。

1）組件裝配時，首先確定圓弧端齒配合的風扇二級盤和后軸頸的最優裝配位置，降低轉子的初始不平衡量。

2）首要保證一二支點的同軸度，最后須以雙柱面為基準檢查“外懸”的三級盤盤心跳動是否滿足裝配要求。

3）止口裝配方式由使用加溫槍加熱改為液氮冷裝，使裝配過程中溫度分布均勻，止口配合更可靠。

利用SPS優化設備，在控制風扇轉子組件的后軸頸和三級盤心的同軸度φ≤0.04的前提下，經過裝配優化后，轉子的初始不平衡量平均降低685g·mm，平均降幅30%，如表4所示。

用matlab軟件對試車數據進行分析，如圖6所示?；趍atlab編程的試車數據對比圖能夠清晰直觀地反映出采用上述工藝優化方案后，之前振動超限（50以上）的臺份下降至30以下，優化效果最好的可以下降至20以下，取得了良好的排振效果。

4 結論

本文分析了圓弧端齒連接結構對風扇轉子裝配的影響規律，創建了圓弧端齒連接結構轉子的裝配控制算法，突破了國內該結構轉子在裝配優化控制上的空白，降低了人工成本，提高了裝配效率，并制定了風扇轉子裝配優化控制方案，保證了轉子穩定性指標，采用matlab軟件通過編程的方法清晰直觀地反映了采用新的工藝控制方案后，顯著降低了進氣機匣振動水平。綜上，本文從裝配角度解決了某重點型號多臺次發動機進氣機匣振動問題，取得了巨大的裝配優化效果，具有較高的實用價值。

參考文獻

[1] Gleason Works Co. Curvic Coupling Dimension Sheet Explanations [M]. New York：Rochester，1973.

[2] Rolls-Royce. JES175 Curvic Couplings [M]. Derby：1993.

[3] H Mueller，D Wiener，R Dutschk. A modular approach to computing spiral bevel gears and curvic couplings[J]. Gear Technology，2000，17（3）：32-36.

[4] R H Bannister. Methods for modelling flanged and curvic couplings for dynamic analysis of complex rotor constructions [J]. ASME，Transactions Journal of Mechanical Design. 1980，102（1）：130-139.

[5] 陳龍，石林，王宇星，等. 圓弧端齒聯軸器，中國，CN202220805U[P]. 2012-5-16.

[6] 黃慶南，李鑫. QD128燃機動力渦輪圓弧端齒的設計.中國航空學會輕型燃氣輪機專業第四次學術會議[C].廈門：2005.166-171.

[7] Orchard N B. Inspection of curvic couplings using a CMM [J]. Laser Metrology and Machine Performance VI. 2003：221-230.

[8]琚奕鵬，吳法勇，金彬，等.基于轉子跳動和初始不平衡量優化的多級盤轉子結構裝配工藝[J].航空發動機，2018，44（6）：83-90.