面向核心機單元體獨立交付的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

潘 輝，馬 健，林 磊，宋德福，朱 成，王丹丹

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

國內(nèi)外先進軍、民用航空發(fā)動機普遍采用了單元體[1]設(shè)計，以提高發(fā)動機的維修性，縮短維修保障時間，降低全壽命周期費用，提高飛機的作戰(zhàn)效能和出勤率[2-4]。核心機單元體主要由壓氣機、燃燒室、高壓渦輪和中央傳動等部組件組成，是航空發(fā)動機最核心部件的集成體，在發(fā)動機中處于高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的最惡劣工作環(huán)境，為發(fā)動機強度和使用可靠性方面最為關(guān)鍵的單元體。無論是新機研制還是發(fā)動機使用維護過程中，發(fā)生的許多問題都和核心機單元體密切相關(guān)[5]。因此，核心機單元體設(shè)計并努力實現(xiàn)其獨立交付是航空發(fā)動機設(shè)計和發(fā)展的必然趨勢[6]。

核心機單元體設(shè)計要求同一單元體在性能與裝配上規(guī)格化，同一編號的單元體能互換，且更換后不影響發(fā)動機完整性、轉(zhuǎn)子平衡和發(fā)動機性能，且不需在臺架上進行試車調(diào)整[1，7]。本文基于某航空發(fā)動機核心機單元體的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐，總結(jié)了滿足核心機單元體獨立交付要求的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容，主要包括機匣同軸度、轉(zhuǎn)子動平衡、接口控制、包裝運輸和驗收交付，并在此基礎(chǔ)上提出了相關(guān)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，以期能為相關(guān)設(shè)計工作提供參考。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 機匣同軸度

機匣同軸度(即發(fā)動機支點同軸度)直接影響發(fā)動機轉(zhuǎn)子同軸度的保持。保證機匣同軸度主要有以下4 方面的措施：①簡化尺寸鏈，減少公差累積；②提高機匣剛性和設(shè)計精度；③對機匣進行組合加工；④通過選配機匣、增加偏心襯套或不等厚墊片等實現(xiàn)公差調(diào)整[8]。其中，組合加工將使機匣失去互換性，選配機匣需要有較多臺份機匣供選擇，增加偏心襯套或不等厚墊片不利于傳裝工藝優(yōu)化和單元體接口控制。因此，可獨立交付核心機單元體的機匣同軸度設(shè)計，最好采用簡化尺寸鏈、提高機匣剛性和設(shè)計精度措施，以控制公差累積和機匣變形對支點同軸度的影響。

圖1 所示核心機單元體機匣由中介機匣、壓氣機機匣和燃燒室機匣三段構(gòu)成。在整機支點同軸度設(shè)計時，采用極限偏差法確定核心機單元體機匣同軸度的設(shè)計指標，核心機單元體設(shè)計時再將指標進一步分解至中介機匣、壓氣機機匣和燃燒室機匣上，最后各部件通過簡化尺寸鏈、公差再分配、機匣剛度設(shè)計、連接定心設(shè)計、形位公差設(shè)計等措施保證設(shè)計指標的實現(xiàn)。其中，三段機匣間的連接采用精密銷釘或螺栓+止口圓柱面的定心方式，精密銷釘或螺栓占截面連接件總數(shù)的1/3，止口圓柱面長度不低于2.5 mm。核心機單元體正式裝配前，通過逐級假裝和檢查機匣同軸度確認各機匣的加工和裝配質(zhì)量。當(dāng)發(fā)動機長時間工作后出現(xiàn)機匣同軸度不滿足設(shè)計要求時，允許適量修磨中間截面(即壓氣機機匣后端面)校正，但不允許修磨單元體前后接口界面。

2.2 轉(zhuǎn)子動平衡

核心機單元體的高壓轉(zhuǎn)子由壓氣機轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子不平衡量是引起發(fā)動機振動超限的主要原因[9]。為此，必須科學(xué)合理地設(shè)計轉(zhuǎn)子平衡精度和殘余不平衡量，并在裝配前嚴格按照設(shè)計要求完成多步平衡，以保證轉(zhuǎn)子在發(fā)動機上正常滿意地工作。

該核心機單元體的高壓轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子，為使單元體具備良好的通用性和互換性，需采取措施保證組合動平衡結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性，為此采用分級平衡原則設(shè)計。先對壓氣機和高壓渦輪轉(zhuǎn)子下屬各盤、軸、套管等進行單獨平衡，然后對壓氣機轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子分別進行單獨平衡，最后將壓氣機轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子組裝成高壓轉(zhuǎn)子組件進行組合動平衡。壓氣機轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子的連接采用圓弧端齒+螺栓的定心結(jié)構(gòu)，裝配時通過分步施加力矩、十字交叉法擰緊和規(guī)定保壓時間等措施控制連接螺栓的擰緊力矩，并通過檢查跳動確定裝配質(zhì)量。高壓轉(zhuǎn)子的動平衡轉(zhuǎn)速不低于設(shè)計轉(zhuǎn)速的6%，平衡精度等級為G1.25，并同時控制初始不平衡量不超過殘余不平衡量的20～25倍。動平衡完成后要求補充運轉(zhuǎn)3次，平衡結(jié)果應(yīng)穩(wěn)定、合格，且3次平衡結(jié)果最大值與最小值之差≯2 g·cm。

圖1 核心機單元體機匣分布示意圖Fig.1 Case distribution of core engine module

2.3 接口控制

在整機總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計時，即對核心機單元體的前后接口界面進行劃分和明確，在詳細設(shè)計過程中逐步完成對單元體接口尺寸的部件協(xié)調(diào)，明確各部件的接口尺寸控制要求，完成接口尺寸確認、尺寸公差分配、形位公差選用等工作。對重要的接口尺寸，要求在部件出廠時進行檢測并在質(zhì)量證明文件中記錄。對在單元體裝配過程中形成的接口尺寸，通過裝配技術(shù)要求明確技術(shù)調(diào)整和保障措施；通過裝配檢測項目及要求明確尺寸的測量位置、量具選擇、測量條件、注意事項、設(shè)計許可值、結(jié)果記錄等要求，以保證單元體物理接口的通用性。

該核心機單元體的接口有5 類(圖2)：①與風(fēng)扇靜子和2 支點組件的接口，尺寸在中介機匣的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工中保證；②與外涵機匣的接口，尺寸在外涵機匣的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工中保證；③與低壓渦輪導(dǎo)向器、低壓渦輪轉(zhuǎn)子的接口，尺寸在燃燒室機匣和高壓渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工中保證；④與管路的接口，尺寸在各機匣的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工中保證；⑤與發(fā)動機低壓部件的接口DIS48，尺寸在單元體的裝配過程中保證。DIS48主要通過控制各零組件的加工精度滿足設(shè)計要求自動保證，必要時可通過設(shè)置在壓氣機前軸頸處的調(diào)整墊L3 進行調(diào)整。L3 還同時控制單元體內(nèi)部轉(zhuǎn)靜子軸向間隙，其厚度在裝配前通過尺寸鏈聯(lián)算和合理折中選取。實踐表明，通過對零組件加工精度的控制和輔以L3調(diào)整墊，可同時滿足核心機單元體對內(nèi)部轉(zhuǎn)靜子軸向間隙的調(diào)整和對接口尺寸DIS48 的控制，使各間隙和接口尺寸均滿足設(shè)計要求，從而保證核心機單元體的裝配質(zhì)量和接口尺寸。

圖2 核心機單元體接口分布示意圖Fig.2 Interface distribution of core engine module

圖3 核心機單元體吊點、安裝支點分布示意圖Fig.3 Hoisting point and installation fulcrum distribution of core engine module

2.4 包裝運輸

為實現(xiàn)核心機單元體的獨立交付，需對單元體的吊運、安裝、防護及包裝箱等進行合理可靠的設(shè)計，以保障單元體的轉(zhuǎn)運安全。如圖3所示，該核心機單元體采用2 截面4 吊點起吊方案。前吊點設(shè)置在單元體進口的中介機匣前安裝邊上，后吊點設(shè)置在單元體出口的承力工裝安裝邊上，每個截面各有2 個吊點，分別位于單元體正上約±40°位置。單元體運輸采用2截面3支點固定方案，前安裝支點使用中介機匣上左、右對稱的2個主安裝節(jié)，對單元體實現(xiàn)軸向和側(cè)拉限位；后安裝支點同樣設(shè)置在出口承力工裝安裝邊上，左、右對稱布置2 個，根據(jù)車架情況選擇其中1個對單元體進行俯仰定位。考慮到單元體后部對高壓轉(zhuǎn)子無支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計了后部承力工裝，用于對高壓轉(zhuǎn)子的支撐和定心；設(shè)計了高壓轉(zhuǎn)子防轉(zhuǎn)工裝，并與后部承力工裝一起承受運輸過程中的沖擊載荷，防止發(fā)生轉(zhuǎn)靜子碰磨等。針對包裝運輸設(shè)計了單元體防護工裝，對前后軸承腔、流道進出口、機匣外露敞開口等進行封堵，對高壓渦輪轉(zhuǎn)子外露篦齒進行保護，防止在包裝運輸過程中帶入外來物和對篦齒產(chǎn)生磕碰傷。其中，軸承腔與流道隔開防護，利于對軸承的油封和對軸承腔的清潔度控制。此外，按照國軍標[10]要求設(shè)計了專用的包裝箱，按照企業(yè)標準設(shè)計了專用的轉(zhuǎn)運車，并通過核心機單元體包裝運輸要求明確單元體的吊裝、防護、油封、包裝和運輸?shù)纫?，全方位保障核心機單元體的轉(zhuǎn)運安全。

2.5 驗收交付

核心機單元體的獨立交付必須重視和保證單元體的驗收和交付質(zhì)量。針對該核心機單元體的驗收和交付工作，按照發(fā)動機裝配交付、驗收管理規(guī)定編寫了核心機單元體驗收技術(shù)要求，明確了對交付產(chǎn)品(包括消耗件和備件)、隨件資料、驗收程序、驗收內(nèi)容等的規(guī)定，并對交付產(chǎn)品補充規(guī)定了現(xiàn)場重點檢查項目，包括產(chǎn)品外觀檢查、保險檢查、轉(zhuǎn)子盤車檢查、流道孔探檢查、壓氣機導(dǎo)葉驅(qū)動檢查等內(nèi)容。驗收過程中現(xiàn)場填寫核心機單元體驗收檢查記錄單，對提出的質(zhì)量問題及時處理和整改。交付產(chǎn)品時填寫核心機單元體周轉(zhuǎn)、交付記錄單，記錄交付產(chǎn)品和隨件資料的類別、數(shù)量、油封期限等信息，由交付單位和接受單位的相關(guān)責(zé)任人確認并簽字，保證整個驗收和交付工作內(nèi)容完整、流程規(guī)范、記錄清楚，保證驗收和交付的全過程質(zhì)量受控。

3 結(jié)束語

針對可獨立交付核心機單元體的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐和總結(jié)，提出以下設(shè)計原則：

(1) 通過簡化尺寸鏈、合理的公差分配、機匣剛度設(shè)計、連接定心設(shè)計、形位公差設(shè)計等，實現(xiàn)機匣的同軸度設(shè)計要求；

(2) 高壓轉(zhuǎn)子采用分級平衡設(shè)計，通過可靠的轉(zhuǎn)子定心和連接設(shè)計，合理選擇平衡轉(zhuǎn)速和平衡精度，以及同時控制初始和殘余不平衡量等措施，保證高壓轉(zhuǎn)子組合動平衡結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性；

(3) 通過全面細致的接口協(xié)調(diào)和控制、合理可行的包裝運輸結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及規(guī)范嚴格的驗收交付過程控制，保證核心機單元體的接口通用性、運輸安全性和交付質(zhì)量受控。