某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)平衡模擬轉(zhuǎn)子檢修和制造控制標(biāo)準(zhǔn)研究

■ 唐敏杰 陳永澎 柴開通 李漢青 尹剛/ 成都航利（集團(tuán)）實(shí)業(yè)有限公司 成都市新興機(jī)械有限公司

0 引言

作為一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，航空發(fā)動(dòng)機(jī)任何零部件的異?，F(xiàn)象都將直接影響其性能和安全，其中高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件運(yùn)行穩(wěn)定性影響尤為突出。在高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝配前，先后要進(jìn)行兩個(gè)狀態(tài)的檢查確認(rèn)。一是轉(zhuǎn)子單元體零部件的裝配：通過各裝配階段的形位檢查和模擬仿真，控制轉(zhuǎn)子的整體形位狀態(tài)和剛度。二是轉(zhuǎn)子單元體的平衡：通過模擬轉(zhuǎn)子與對(duì)象轉(zhuǎn)子進(jìn)行裝配，在平衡機(jī)900～1000r/min的轉(zhuǎn)速下，模擬對(duì)象轉(zhuǎn)子的實(shí)際工作狀態(tài)。當(dāng)裝配之后的形位狀態(tài)和轉(zhuǎn)子不平衡量滿足控制要求后，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子才能進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)部件的裝配工序。

目前，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)試車情況和振動(dòng)曲線分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子單元體振動(dòng)數(shù)值超標(biāo)，產(chǎn)生超標(biāo)的最可能原因是轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)失穩(wěn)。但查看轉(zhuǎn)子原始平衡數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相關(guān)結(jié)果符合控制要求，故懷疑平衡結(jié)果存在失真現(xiàn)象。本文從保證平衡結(jié)果的真實(shí)性出發(fā)，聚焦平衡工序的模擬轉(zhuǎn)子狀態(tài)對(duì)平衡結(jié)果以及試車情況的影響，分析現(xiàn)有模擬轉(zhuǎn)子的狀態(tài)，制訂檢修標(biāo)準(zhǔn)和新模擬轉(zhuǎn)子的制造標(biāo)準(zhǔn)，以提高模擬轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，從而保證平衡結(jié)果的真實(shí)性。

1 現(xiàn)有模擬轉(zhuǎn)子狀態(tài)分析

所謂模擬轉(zhuǎn)子，就是一種平衡工裝，用來與被平衡對(duì)象轉(zhuǎn)子組成一個(gè)平衡系統(tǒng)，可以模擬對(duì)象轉(zhuǎn)子裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際不平衡狀況。所以，模擬轉(zhuǎn)子就是模擬與被平衡對(duì)象轉(zhuǎn)子相配的實(shí)際轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，與被平衡對(duì)象轉(zhuǎn)子組成真實(shí)的平衡系統(tǒng)，其與被模擬轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量特性等效。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子平衡要用到“高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子”，高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡要用到“高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子”，裝配示意圖如圖1所示。為了方便進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)子狀態(tài)分析，特將其編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)等。

圖1 模擬轉(zhuǎn)子示意圖

選取兩臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)修理過程中出現(xiàn)一次試車不振動(dòng)、二次試車發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的情況，對(duì)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子平衡前后數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，如表1所示，兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子都呈現(xiàn)了前后四、九級(jí)初始不平衡量異常變化的情況，且都符合初始不平衡量控制標(biāo)準(zhǔn)。

表1 一、二次試車情況對(duì)比

選取兩臺(tái)高壓壓氣機(jī)進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)子狀態(tài)評(píng)估試驗(yàn)，如表2所示。

表2 模擬轉(zhuǎn)子對(duì)比試驗(yàn)

3號(hào)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在一次試車前使用3號(hào)高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行了平衡工作，初始不平衡量符合控制標(biāo)準(zhǔn)，試車無振動(dòng)故障。但在一次試車后，分別使用1號(hào)和3號(hào)高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行原位平衡檢查發(fā)現(xiàn)，平衡結(jié)果與一次試車前的平衡結(jié)果有較大差異，四、九級(jí)初始不平衡量的大小、角度都發(fā)生了沒有規(guī)律的變化，同時(shí)1號(hào)與3號(hào)高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子的平衡結(jié)果也無法對(duì)應(yīng)。

4號(hào)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在工試前使用1號(hào)高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子完成平衡工作，四、九級(jí)初始不平衡量符合控制標(biāo)準(zhǔn)，但在試車過程中發(fā)生振動(dòng)。同樣，分別使用1號(hào)與3號(hào)高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡檢驗(yàn)，也出現(xiàn)了平衡數(shù)據(jù)無法對(duì)應(yīng)的情況。

綜上所述，推斷1號(hào)和3號(hào)高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子狀態(tài)已經(jīng)失穩(wěn)。又由于模擬轉(zhuǎn)子在驗(yàn)收過程中采用的是互平轉(zhuǎn)位法進(jìn)行的平衡驗(yàn)收，故高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子狀態(tài)有可能是失穩(wěn)的。

2 模擬轉(zhuǎn)子故障分析

為了實(shí)現(xiàn)單元體轉(zhuǎn)子的互換性，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子均采用分別與模擬轉(zhuǎn)子單獨(dú)平衡的平衡工藝，即用模擬轉(zhuǎn)子替代真實(shí)轉(zhuǎn)子與另一轉(zhuǎn)子組裝后進(jìn)行動(dòng)平衡。模擬轉(zhuǎn)子的重心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)量、配合尺寸、支撐跨距等關(guān)鍵參數(shù)與被模擬轉(zhuǎn)子的參數(shù)理論值保持一致[1-3]。產(chǎn)品轉(zhuǎn)子和模擬轉(zhuǎn)子組合后進(jìn)行轉(zhuǎn)位平衡，主要是控制轉(zhuǎn)子的初始不平衡量，如超出控制范圍，將返裝配工序進(jìn)行分解檢查。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子分別與各自對(duì)應(yīng)的模擬轉(zhuǎn)子單獨(dú)平衡后，直接進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝配工序。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)模擬轉(zhuǎn)子的作用，需要在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)，滿足幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)；制造中嚴(yán)格滿足精度要求；使用操作中也有一些特別注意事項(xiàng)。這三方面只有全部做到，才能體現(xiàn)出模擬轉(zhuǎn)子及平衡工序的實(shí)際價(jià)值，否則將產(chǎn)生虛假的平衡結(jié)果，反倒不如傳統(tǒng)的高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子直接組合平衡更穩(wěn)妥?，F(xiàn)根據(jù)目前使用情況，對(duì)以上三個(gè)方面中的不足之處進(jìn)行分析，找出模擬轉(zhuǎn)子故障的真正原因，以便采取針對(duì)性措施。

2.1 模擬轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響

由于模擬轉(zhuǎn)子的參數(shù)應(yīng)盡可能與被模擬轉(zhuǎn)子的參數(shù)一致，在討論過程中，需保證支撐跨距、質(zhì)量、中心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和標(biāo)準(zhǔn)一致，所以主要研究結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)模擬轉(zhuǎn)子狀態(tài)的影響。根據(jù)上述模擬轉(zhuǎn)子的使用情況，對(duì)3號(hào)故障模擬轉(zhuǎn)子（3號(hào)高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子與3號(hào)高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子）進(jìn)行了全方位的檢查。在平衡轉(zhuǎn)位檢查中，3號(hào)高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子的不平衡量異常，如表3所示，與平衡驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不符。將3號(hào)高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子與另外一個(gè)新的高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行組合平衡檢查，平衡結(jié)果符合平衡驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。檢查后續(xù)3號(hào)高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子在平衡過程中的工裝轉(zhuǎn)位倍數(shù)，平均值為12，符合使用要求（工裝轉(zhuǎn)位倍數(shù)超過20，平衡機(jī)將提示平衡結(jié)果失真）。檢修前故障異常發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡工裝轉(zhuǎn)位倍數(shù)平均值為21。

表3 3號(hào)故障高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)位平衡檢查

表4 3號(hào)故障高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)位平衡檢查

對(duì)3號(hào)高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子的形位狀態(tài)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)其形位狀態(tài)發(fā)生了不可逆的變化。進(jìn)一步分析造成變化的原因是高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子三段結(jié)構(gòu)鼓筒連接采用的是焊接工藝，焊接后形變量較難控制，難以修復(fù)；目前使用的材料為20鋼，該材料的力學(xué)性能一般，在長(zhǎng)期高轉(zhuǎn)速使用條件下易形變；鼓筒內(nèi)部階梯結(jié)構(gòu)和焊接形變也可能造成模擬轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均。為消除以上缺陷和風(fēng)險(xiǎn)，將高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子中心鼓筒的三段結(jié)構(gòu)改為一體結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用UG仿真軟件保證其重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量符合標(biāo)準(zhǔn)，更改示意圖如圖2所示。同時(shí)，將材質(zhì)更改為42CrMo合金鋼，保證其強(qiáng)度。

圖2 高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子更改示意圖

2.2 模擬轉(zhuǎn)子尺寸配合的影響

由工裝圖紙得知，當(dāng)前模擬轉(zhuǎn)子之間的配合范圍為-0.14～-0.072mm，選擇過盈配合-0.086mm進(jìn)行接觸應(yīng)力仿真分析，得到高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子和高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子的形變結(jié)果，在較大的過盈量裝配環(huán)境下，高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子和高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子均發(fā)生形變，且高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子形變位置不可控，如圖3所示。因此，需要制訂合理的配合范圍。

圖3 模擬轉(zhuǎn)子接觸形變示意圖

查閱產(chǎn)品圖紙，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子的配合范圍為-0.14～-0.051mm，配合范圍分布如圖4所示。同時(shí)對(duì)30組高壓渦輪轉(zhuǎn)子和高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的配合數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布分析，得出其配合數(shù)據(jù)主要集中在-0.109～-0.073mm。

圖4 模擬轉(zhuǎn)子配合尺寸分布圖

結(jié)合之前模擬轉(zhuǎn)子的配合選擇是按照下限控制的，可以推斷出模擬轉(zhuǎn)子配合過盈量過大造成組合裝配后其整體形位狀態(tài)差，致使模擬轉(zhuǎn)子互平衡結(jié)果失真。在調(diào)整高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子止口尺寸后，故障消除。

考慮到模擬轉(zhuǎn)子形位狀態(tài)要高于產(chǎn)品形位狀態(tài)，為保證產(chǎn)品與模擬轉(zhuǎn)子裝配之后，止口與端面能夠盡可能貼合，最大限度地模擬轉(zhuǎn)子工作運(yùn)轉(zhuǎn)的真實(shí)狀態(tài)，決定模擬轉(zhuǎn)子在制造時(shí)的配合范圍按照-0.109～-0.051mm控制，且盡可能接近上限。

3 標(biāo)準(zhǔn)制訂和驗(yàn)證

通過分析和結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)模擬轉(zhuǎn)子制造和檢修時(shí)需要按照以下標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：

1）高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子和高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子的形位狀態(tài)在滿足各自圖紙要求的同時(shí)，還要滿足組合轉(zhuǎn)位檢查要求；

2）高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子的鼓筒結(jié)構(gòu)必須按照一體結(jié)構(gòu)制造，不允許焊接，且將材料更改為42CrMo合金鋼；

3）模擬轉(zhuǎn)子之間的配合范圍按照-0.109～-0.051mm控制，且盡可能接近上限；

4）完成驗(yàn)收平衡后，跟蹤5臺(tái)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)子平衡情況，工裝轉(zhuǎn)位倍數(shù)不能超過15；

5）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)平衡機(jī)數(shù)量，增加模擬轉(zhuǎn)子數(shù)量，保證每季度對(duì)模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行組合形位檢查。

基于上述標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)4號(hào)模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢修，除高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子依然是老結(jié)構(gòu)外，其余按最新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢修，具體數(shù)據(jù)如表5所示。4號(hào)模擬轉(zhuǎn)子的組合形位狀態(tài)穩(wěn)定，按照新的標(biāo)準(zhǔn)完成了檢修工作，驗(yàn)收平衡數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)，工裝轉(zhuǎn)位倍數(shù)符合使用要求。同時(shí)，后續(xù)跟蹤使用4號(hào)模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡的5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)試車情況，均無振動(dòng)故障。

表5 4號(hào)高壓壓氣機(jī)模擬轉(zhuǎn)子與高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子組合平衡檢查

4 結(jié)束語(yǔ)

平衡工序是剛性轉(zhuǎn)子在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝配前的最后一道檢測(cè)工序，反映了剛性轉(zhuǎn)子在模擬工作環(huán)境下的真實(shí)工作狀態(tài)，模擬轉(zhuǎn)子作為精密工裝起到了決定性作用。本文通過對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)平衡模擬轉(zhuǎn)子制造和檢修控制標(biāo)準(zhǔn)的研究，制訂了新的控制標(biāo)準(zhǔn)，初步解決了現(xiàn)場(chǎng)模擬轉(zhuǎn)子狀態(tài)失控問題，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子平衡工序數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的試車合格率，并為后期模擬轉(zhuǎn)子持續(xù)優(yōu)化工作提供了思路。