風扇/增壓級單元體裝配平衡工藝分析

中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司 杜立峰 賈朝波 王 娜 范順昌

航空發(fā)動機振動故障是發(fā)動機主要故障之一，其中轉(zhuǎn)子離心力過大是導(dǎo)致發(fā)動機振動的主要因素，因此轉(zhuǎn)子動平衡工藝是轉(zhuǎn)子加工裝配中最重要的工藝過程，轉(zhuǎn)子動平衡工作是保證其正常運轉(zhuǎn)的必要工作[1]。轉(zhuǎn)子的自身結(jié)構(gòu)對平衡工藝有著決定性的影響，傳統(tǒng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的平衡工藝漸漸不適應(yīng)新型發(fā)動機平衡工藝的需求，大涵道比渦扇發(fā)動機風扇/增壓級單元體是基于現(xiàn)代發(fā)動機結(jié)構(gòu)和性能的需求而設(shè)計的，需要通過研究和分析實現(xiàn)其動平衡工藝過程。

1 結(jié)構(gòu)分析

大涵道比渦扇發(fā)動機風扇/增壓級單元體組合件是壓氣機單元的重要部分，單元體結(jié)構(gòu)非傳統(tǒng)的以軸頸為支承方式的支承結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子為風扇級和增加級組合轉(zhuǎn)子，增壓級含四級轉(zhuǎn)子葉片，轉(zhuǎn)子鼓筒以轉(zhuǎn)子止口定位、懸臂支承的結(jié)構(gòu)，靜子機匣為5段（含三級靜子葉片）環(huán)形、具有弧面流道機匣結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)、靜子葉片相錯裝配形成完整的風扇/增壓機壓氣機結(jié)構(gòu)，單元體的靜子機匣與轉(zhuǎn)子分別為獨立支撐，轉(zhuǎn)子前后均無軸頸作為支承點，通過轉(zhuǎn)子止口連接后部分轉(zhuǎn)子，靜子機匣通過后止口連接后部靜子，轉(zhuǎn)子、靜子之間無直接連接部位。

風扇/增壓級單元體組合件裝配平衡工藝過程需要交錯進行，轉(zhuǎn)子組件需要帶靜子組件的方式進行動平衡，無軸頸轉(zhuǎn)子與含三級靜子葉片的靜子機匣形成裝配平衡單元體，這需要根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理裝配平衡工藝技術(shù)方案，攻克傳統(tǒng)裝配平衡工藝技術(shù)方案無法解決的技術(shù)難題，為同類結(jié)構(gòu)單元體平衡技術(shù)提供參考，并通過典型單元體組件的實際應(yīng)用驗證該裝配平衡技術(shù)方案的可行性和實用性。

2 研究內(nèi)容

為滿足該單元體的裝配平衡要求，需要實現(xiàn)以下工作：（1）實現(xiàn)單元體的裝配（轉(zhuǎn)靜子組件結(jié)構(gòu)）；（2）實現(xiàn)單元體的動平衡，并滿足動平衡設(shè)計要求；（3）實現(xiàn)風扇增壓級單元體最終交付狀態(tài)（帶風扇葉片及進氣罩的無軸頸轉(zhuǎn)靜子結(jié)構(gòu)單元體狀態(tài)）。

3 技術(shù)分析

3.1 技術(shù)難點

（1）裝配狀態(tài)復(fù)雜。裝配時就要考慮環(huán)形的靜子機匣的裝配及定位方式，不能單純的從一個方向進行裝配，而要采用前后裝配止口定心的方式實現(xiàn)，結(jié)合論證方案與實際結(jié)構(gòu)，設(shè)計合理工藝方法來實現(xiàn)其部件裝配；（2）平衡的狀態(tài)難以確定。無支承位置，無法實現(xiàn)平衡機上的支承和定位及轉(zhuǎn)子的驅(qū)動和平衡；（3）平衡時轉(zhuǎn)靜子的軸、徑向定位，無法保證裝配、平衡、翻轉(zhuǎn)、運輸過程中的游離狀態(tài)的轉(zhuǎn)靜子定位定心。

3.2 技術(shù)原理

裝配技術(shù)依據(jù)發(fā)動機裝配技術(shù)原理，對單元體結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)分析，基于合理、可靠、準確、安全等多方面的考慮，研究及設(shè)計裝配工藝過程。平衡技術(shù)依據(jù)平衡基礎(chǔ)理論，并結(jié)合現(xiàn)有平衡工藝方法的各類型和優(yōu)缺點，進一步針對性的提出創(chuàng)新方案，形成一整套系統(tǒng)可行的平衡技術(shù)方案。裝配與平衡的工藝過程的有機結(jié)合，提出裝配平衡一體化技術(shù)方案。

3.3 工藝方案

針對單元體結(jié)構(gòu)特點，預(yù)采取適應(yīng)該結(jié)構(gòu)的裝配方法和動平衡方法：由于單元體結(jié)構(gòu)軸向位置較短，裝配過程采用托架式垂直裝配方案，避免水平裝配需要設(shè)計較大水平定位工裝，托架式垂直裝配利于手工操作，利用零件自重調(diào)整裝配順序和裝配快慢，裝配時將轉(zhuǎn)子、靜子、平衡工裝、轉(zhuǎn)靜子定心工裝依據(jù)一定順序裝配實現(xiàn)裝配過程[2]；動平衡利用專用平衡芯軸將轉(zhuǎn)子支承方式轉(zhuǎn)化為常規(guī)支承平衡轉(zhuǎn)子，支承兩端均為工藝滾動軸承作為支點，減少支點誤差影響，靜子機匣通過專用工裝保證與轉(zhuǎn)子間的軸徑向定位狀態(tài)，為消除平衡芯軸不平衡量，除在芯軸制造過程中增加平衡工序外，采用平衡機自帶的轉(zhuǎn)位平衡方式，利用平衡機自身轉(zhuǎn)位補償功能消除平衡芯軸不平衡量，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子平衡工藝過程[2]。

制定了具體的裝配平衡一體化的工藝技術(shù)方案，即采用垂直裝配方式，雙向裝配的技術(shù)方案；動平衡采用聯(lián)軸節(jié)平衡方案，增加輔助支承結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)靜子定位定心。主要工藝過程如下； a.實現(xiàn)轉(zhuǎn)子四級葉片裝配及調(diào)整； b.實現(xiàn)五段環(huán)形靜子機匣在轉(zhuǎn)子組件上的裝配；c.實現(xiàn)無軸頸轉(zhuǎn)子裝配過程中的軸、徑向定位； d.實現(xiàn)帶靜子機匣的轉(zhuǎn)子組件的定位和支撐及翻轉(zhuǎn)； e.實現(xiàn)帶靜子機匣的轉(zhuǎn)子組件的平衡； f.實現(xiàn)轉(zhuǎn)靜子組件平衡后的風扇葉片裝配； g. 實現(xiàn)風扇/增壓級維修單元體的整體狀態(tài)和運輸。

裝配工藝技術(shù)方案設(shè)計為雙向垂直裝配方式，具體研制內(nèi)容如下： a.設(shè)計轉(zhuǎn)靜子裝配方案，裝配定位、軸徑向定心； b.設(shè)計雙向裝配，吊裝軸徑向及前后面定心方案； c.設(shè)計平衡工裝裝配、連接、調(diào)整方案； d.設(shè)計各輔助工裝、設(shè)備協(xié)調(diào)銜接方案。

總體設(shè)計多用途裝配車技術(shù)方案，裝配過程為雙向垂直實現(xiàn)，基準為多用途裝配車，裝配車一車四用，合并了轉(zhuǎn)子裝配、靜子裝配、平衡前裝配、單元體裝配運輸四項功能的實現(xiàn)，并通過隨車的多功能附件來保證裝配過程中技術(shù)要求的實現(xiàn)。

3.4 技術(shù)關(guān)鍵

（1）采用多功能芯軸結(jié)合框架式平衡、輔助機匣裝配平衡等技術(shù)，自主開發(fā)了裝配平衡工藝方法，實現(xiàn)了無軸頸轉(zhuǎn)靜子單元體雙向垂直裝配及平衡[3]。（2）采用自行研制的多功能芯軸、雙套前后平衡及裝配工藝機匣及多用途裝配車等工裝設(shè)備，實現(xiàn)了裝配、平衡、翻轉(zhuǎn)及運輸時轉(zhuǎn)靜子定位、定心要求。

設(shè)計用裝配平衡輔助芯軸，通過采用一個輔助芯軸增加支承位置，確定裝配定心及平衡定心，設(shè)計和采用的多功能芯軸作為裝配支承（軸向、徑向定位定心）以及動平衡（支承與動平衡）[4]用，并保證方案的可行性、操作的合理性及安全性；

設(shè)計雙套前后工藝機匣，分離并固化了裝配和動平衡過程，保證轉(zhuǎn)靜子的軸徑向定位；設(shè)計和采用裝配及平衡工藝機匣保證裝配及翻轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)靜子定位、定心，使裝配及平衡工藝的實現(xiàn)和銜接過程中滿足了設(shè)計參數(shù)的測量和調(diào)整。

3.5 主要裝配工藝流程

工藝流程圖見圖1。（1）平衡芯軸的裝配。裝配平衡芯軸至增壓級鼓筒內(nèi)并連接好螺栓，平衡芯軸為輔助支承及動平衡用的多功能芯軸；（2）跳動檢查。在平衡機上檢查相關(guān)跳動，驗證裝配情況；（3）裝配前裝配工藝機匣。將前裝配工藝機匣裝至裝配車上，并裝配帶芯軸的轉(zhuǎn)子組件裝配，前裝配工藝機匣為裝配翻轉(zhuǎn)及定位定心用； （4）裝配靜子、轉(zhuǎn)子葉片及后裝配工藝機匣。將轉(zhuǎn)靜子按相應(yīng)的裝配順序裝配完成后，裝配后裝配工藝機匣，后裝配工藝機匣為徑向定心用，防止轉(zhuǎn)靜子刮碰，前、后裝配工藝機匣為轉(zhuǎn)靜子裝配及組件翻轉(zhuǎn)專用；

圖1 風扇/增壓級組件裝配平衡工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of fan/compressor's assembling and balancing

（5）組件翻轉(zhuǎn)及安裝芯軸軸向定位。將組件翻轉(zhuǎn)前將裝配車上安裝芯軸并調(diào)整好位置后進行軸向定位，保證分解裝配工藝機匣時的軸向徑向位置；（6）換裝前平衡工藝機匣。前平衡工藝機匣為平衡以及軸、徑向定心用的多用途機匣，與芯軸及后平衡工藝機匣組合用； （7）換裝后平衡工藝機匣。換裝后平衡工藝機匣并將后支點工藝軸承裝配至相應(yīng)位置，組件完成平衡工裝的裝配；（8）吊裝翻轉(zhuǎn)并進行組件平衡。將組件裝配用翻轉(zhuǎn)吊具吊裝至平衡機上，并用傳動軸連接驅(qū)動；（9）組件分解。組件按裝配方式分解完成至前后裝配工藝機匣定位狀態(tài)； （10）組件分解及其他裝配。采用多功能裝配車，撤去芯軸以及外部承力支架，裝配止口定位環(huán)后為單元體組件裝配機構(gòu)，車架中心更換為另外一組軸徑向定位芯棒； （11）完成單元體裝配。最終以組件狀態(tài)完成單元體裝配，組件裝配車也為組件運輸車。

該設(shè)計方案采用裝配定位、定心以及平衡定位、定心工裝，并將相關(guān)的裝配運輸車多功能集成，最終以單元體完整狀態(tài)交付，為下一工序做好吊裝運輸準備。

4 結(jié)論

該裝配平衡技術(shù)基于大涵道比渦扇發(fā)動機風扇/增壓級組件結(jié)構(gòu)特點，依托裝配、平衡技術(shù)基礎(chǔ)，提出裝配平衡一體化的設(shè)計理念，形成無軸頸轉(zhuǎn)子帶靜子機匣動平衡的技術(shù)創(chuàng)新點，技術(shù)難度大，其主要技術(shù)特點為：（1）采用垂直裝配技術(shù)結(jié)合雙向裝配方案；設(shè)計了多功能芯軸結(jié)合框架式平衡工藝技術(shù)方案，突破了無軸頸風扇/增壓級轉(zhuǎn)靜子單元體裝配平衡的技術(shù)關(guān)鍵；采用輔助機匣結(jié)合靜子機匣的聯(lián)合設(shè)計方式解決了框架式平衡的技術(shù)難題。（2）多功能芯軸、雙套前后工藝機匣及用途裝配車技術(shù)方案滿足了裝配、平衡、翻轉(zhuǎn)及運輸時轉(zhuǎn)靜子定位、定心要求，使裝配平衡實現(xiàn)合理銜接。

該項工藝技術(shù)成熟，可廣泛應(yīng)用于該類型的風扇/增壓級組件動平衡工藝中，對進一步提高國內(nèi)裝配平衡技術(shù)能力提供技術(shù)經(jīng)驗，并為將來進一步拓展和應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

[1]韓志斌.動平衡轉(zhuǎn)子的分類及其應(yīng)用.上海汽輪機,2000(9)：38-39.

[2]哈托·施奈德.平衡技術(shù)理論與實踐.達姆斯塔特：機械工業(yè)出版社 , 1981：53-60.

[3]于文懷,宋寶玉,高鴿,等.裝配試車技術(shù).北京：科學(xué)出版社,2002：81-8.

[4]陳炳貽.航空發(fā)動機平衡技術(shù)發(fā)展.推進技術(shù),1998,1(4)：105-109.