基于圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子裝配技術(shù)研究與應(yīng)用

尚佳寧 豐少寶 李思宇 張浩

摘要：航空發(fā)動機(jī)圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)不同于止口形式的連接，可以用現(xiàn)有的成熟裝配技術(shù)控制轉(zhuǎn)子同軸度，目前圓弧端齒連接轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)對風(fēng)扇轉(zhuǎn)子裝配的影響規(guī)律，創(chuàng)建了圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的裝配控制算法，突破了國內(nèi)該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子在裝配優(yōu)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(fēng)扇轉(zhuǎn)子裝配優(yōu)化控制新方案，降低了轉(zhuǎn)子初始不平衡量及進(jìn)氣機(jī)匣振動水平。綜上，本文從裝配角度解決了某小涵道比發(fā)動機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣振動問題，取得了巨大的裝配優(yōu)化效果，具有較高的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；圓弧端齒；風(fēng)扇轉(zhuǎn)子；裝配優(yōu)化；振動；進(jìn)氣機(jī)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(fā)動機(jī)多用于先進(jìn)軍用殲擊機(jī)[1]，追求高推力和高速。該類發(fā)動機(jī)推進(jìn)效率高、噪聲低、燃油消耗率低，飛機(jī)航程遠(yuǎn)[2，3]。小涵道比渦扇航空發(fā)動機(jī)普遍采用單元體設(shè)計，具有制造和配合精度高的特點(diǎn)，其中轉(zhuǎn)子件的裝配工藝技術(shù)對于保證發(fā)動機(jī)的裝配質(zhì)量和效率尤為重要。

渦扇發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子常見的連接結(jié)構(gòu)主要有圓柱面定心螺栓連接結(jié)構(gòu)、花鍵連接結(jié)構(gòu)、圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)。圓柱面定心螺栓連接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)依靠內(nèi)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(jié)構(gòu)依靠圓弧端齒定心、扭轉(zhuǎn)，采用拉桿和螺母緊固，不但具備前兩種連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，而且具有自動定心精度高、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等特點(diǎn)，廣泛用于現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)零件之間的連接[5]。

圓弧端齒由格里森公司發(fā)明，與其他端齒相比，其優(yōu)點(diǎn)主要有：可以人為地改善嚙合副的接觸區(qū)，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(chǎn)效率高[6]；定位可靠、定心精度高、 承載能力強(qiáng)[7]。因此，圓弧端齒結(jié)構(gòu)已逐漸應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子件的連接。

圓弧端齒結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工與裝配工藝已經(jīng)成為航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，然而在零件裝配方案的優(yōu)化控制上國內(nèi)外相關(guān)資料均較少，仍需開展相當(dāng)多的研究工作。

1 圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)對裝配的影響分析

1.1 某小涵道比發(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子裝配結(jié)構(gòu)分析

某小涵道比發(fā)動機(jī)風(fēng)扇一到三級轉(zhuǎn)子全部采用整體葉盤結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)，與風(fēng)扇后軸頸實(shí)現(xiàn)定心和傳扭，三級盤相對于轉(zhuǎn)子一二支點(diǎn)（前后軸頸）軸線處于“外懸”狀態(tài)，各級轉(zhuǎn)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(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)特性不能采用堆疊優(yōu)化方法，目前采用隨機(jī)位置裝配。轉(zhuǎn)子的初始不平衡量缺少有效的控制手段，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)試車過程中，進(jìn)氣機(jī)匣振動頻繁超限導(dǎo)致下臺分解排故。因此，制定圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的裝配優(yōu)化控制方案成為了型號研制中亟待解決的關(guān)鍵問題。

1.3 圓弧端齒連接轉(zhuǎn)子的裝配規(guī)律分析

以某小涵道比發(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子平衡組件進(jìn)行平衡工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目分兩項(xiàng)，分別驗(yàn)證風(fēng)扇后軸頸不同位置重復(fù)裝拆和同一位置重復(fù)裝拆對不平衡量的影響情況。不同位置重復(fù)裝拆試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、圖2所示，同一位置重復(fù)裝拆試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

風(fēng)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(fēng)扇轉(zhuǎn)子平衡組件為剛性轉(zhuǎn)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(jīng)統(tǒng)計，風(fēng)扇轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)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(yàn)結(jié)論：

1）不同裝配位置對圓弧端齒連接轉(zhuǎn)子不平衡量的影響大；

2）同一位置重復(fù)裝拆對圓弧端齒連接轉(zhuǎn)子不平衡量的影響小。

2 創(chuàng)建圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的裝配控制算法

傳統(tǒng)的裝配方法是單件平衡后，輕重點(diǎn)交錯180°的原則裝配，但轉(zhuǎn)子同軸度對轉(zhuǎn)子不平衡量的影響更大[8]。如圖3所示，本文創(chuàng)建了控制圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(fēng)扇二級盤和風(fēng)扇后軸頸的跳動值，提高了該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的一次性裝配合格率。

對多臺次風(fēng)扇二級盤和后軸頸的圓弧端齒連接組件進(jìn)行跳動及平衡檢查，經(jīng)驗(yàn)證，預(yù)測結(jié)果與實(shí)際值偏差<2.8%，相位變化≤3°，如表3所示。

3 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子裝配優(yōu)化控制方案及其優(yōu)化效果

以往風(fēng)扇轉(zhuǎn)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(tǒng)的裝配方法及裝配順序?qū)︼L(fēng)扇轉(zhuǎn)子單盤及組件的跳動值沒有給出控制標(biāo)準(zhǔn)，對風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的初始不平衡量缺乏有效的控制手段。

本文制定了風(fēng)扇轉(zhuǎn)子優(yōu)化控制方案，解決了某小涵道比發(fā)動機(jī)多臺次進(jìn)氣機(jī)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(fēng)扇二級盤和后軸頸的最優(yōu)裝配位置，降低轉(zhuǎn)子的初始不平衡量。

2）首要保證一二支點(diǎn)的同軸度，最后須以雙柱面為基準(zhǔn)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(yōu)化設(shè)備，在控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)子組件的后軸頸和三級盤心的同軸度φ≤0.04的前提下，經(jīng)過裝配優(yōu)化后，轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖6所示?；趍atlab編程的試車數(shù)據(jù)對比圖能夠清晰直觀地反映出采用上述工藝優(yōu)化方案后，之前振動超限（50以上）的臺份下降至30以下，優(yōu)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(jié)論

本文分析了圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)對風(fēng)扇轉(zhuǎn)子裝配的影響規(guī)律，創(chuàng)建了圓弧端齒連接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的裝配控制算法，突破了國內(nèi)該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子在裝配優(yōu)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(fēng)扇轉(zhuǎn)子裝配優(yōu)化控制方案，保證了轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性指標(biāo)，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(jìn)氣機(jī)匣振動水平。綜上，本文從裝配角度解決了某重點(diǎn)型號多臺次發(fā)動機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣振動問題，取得了巨大的裝配優(yōu)化效果，具有較高的實(shí)用價值。

參考文獻(xiàn)

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