疊加優化技術在高壓渦輪轉子維修裝配中的應用

王洪明

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

航空發動機為飛機提供動力，其工作的可靠性直接關系飛行安全，更體現了一個國家的科技、工業和國防實力[1,2]。航空發動機裝配是發動機制造過程中的終端及核心環節，據某研究所統計，涉及裝配及使用修理因素的失效在統計樣本中占案例總數的20%，可見裝配過程直接影響到發動機的最終性能品質[3-6]。目前，采用旋轉平臺和專用工裝對高壓渦輪轉子逐層同程度的磨損、變形，使高壓渦輪轉子的維修裝配變得更加困難，轉子一次裝配成功率并不高，往往需要多次調整或者重新修配后才能保障同心度符合設計要求[7]。高壓渦輪轉子為四大核心轉子之一，面臨同樣的問題，特別是經過3000小時使用后進行大修的某型號航空發動機，高壓渦輪轉子零件的維修裝配成為亟待解決的問題。

1 高壓渦輪轉子結構介紹

高壓渦輪轉子為某型號航空發動機四大核心轉子之一，為航空發動機持續提供機械功。高壓渦輪轉子主要由后軸、高壓渦輪盤、封嚴盤、鼓筒軸等組成，如圖1所示。其中高壓渦輪盤外止口與封嚴盤內止口配合接觸，封嚴盤內另一側內止口與鼓筒軸外止口配合接觸，高壓渦輪盤、封嚴盤、鼓筒軸通過螺栓擰緊連接，使高壓渦輪盤、封嚴盤、鼓筒軸端面緊密貼合，后軸內止口與高壓渦輪盤另一側外止口配合接觸，后軸、高壓渦輪盤通過螺栓擰緊連接，使后軸、高壓渦輪盤端面緊密貼合。

圖1 高壓渦輪轉子示意圖

2 疊加優化優化原理及應用

高壓渦輪轉子主要由后軸、高壓渦輪盤、封嚴盤、鼓筒軸等組成，高壓渦輪轉子的不平衡量可通過控制各零件的不平衡量得到有效的控制，而各零、部件的不同心度通過一定方式的組合，矢量累加成高壓渦輪轉子的不同心度，而不同心度的大小取決于各零、部件的裝配相位，疊加優化技術就是通過優化各零、部件的裝配相位，實現高壓渦輪轉子不同心度最小的一種裝配優化技術。

2.1 零、部件測量

零、部件測量是指采用疊加投影設備測量各零、部件接觸面之間的幾何特征（柱面跳動、端面跳動），再綜合考慮了各零、部件的柱面跳動與端面跳動，獲得高壓渦輪轉子的最終跳動，用于預算各、零部件不同相位裝配時的不同心度。

2.1.1 柱面跳動影響

零件1與零件2接觸連接，如圖2所示。零件1的基準中心線為O1O2，零件1與零件2接觸位置的中心線為O'1O'2，柱面跳動為δJ，零件 2繼承了零件1的柱面跳動，因此，零件1對零件2的柱面跳動影響為δJ。

圖2 柱面跳動影響簡圖

2.1.2 端面跳動影響

零件1與零件2接觸連接，如圖3所示。零件1的基準中心線為O1O2，零件1的端面跳動為δD，零件1與零件2接觸位置的中心線為O'1O'2，使零件2產生柱面跳動δ'J，假設零件2的高度為H，直徑為D，則：

圖3 端面跳動影響簡圖

2.1.3 綜合影響

疊加優化技術綜合考慮了零、部件的柱面跳動和端面跳動，將兩種跳動對后續部件的影響綜合為一個綜合跳動。

柱面跳動和端面跳動對后續部件的綜合影響為：

式（2）中：δ為綜合跳動，mm；δJ為柱面跳動，mm。

2.2 優化計算及最終檢驗

根據各零、部件之間的綜合跳動優化各零、部件裝配相位，進而得到最優的裝配相位，優化出最佳裝配相位下高壓渦輪轉子的不同心度。

但是由于裝配過程依靠人工完成，存在一定的不可控因素，因此需要對裝配完成的轉子進行最終檢驗測量，確保高壓渦輪轉子的不同心度合格。

2.3 疊加優化技術在高壓渦輪轉子平衡組件裝配上的應用

2.3.1 零、部件測量

利用疊加投影設備，對后軸、高壓渦輪盤、封嚴盤、鼓筒軸進行單件檢查綜合不同心度，規定零件號首字母為起始“零”點，并記錄好綜合不同心度數值和相位。如圖4-圖7所示。

2.3.2 優化計算及最終檢驗

根據后軸、高壓渦輪盤、封嚴盤的綜合跳動優化各零、部件的裝配相位，得到最優的裝配相位。

按照優化后的裝配相位，在氣懸浮轉臺上對后軸、高壓渦輪盤、封嚴盤、鼓筒軸進行裝配，裝配完成后，借助疊加投影設備對高壓渦輪轉子進行最終檢驗測量，確保高壓渦輪轉子的不同心度合格。如圖8所示。

3 疊加優化裝配效果分析

選取5臺次高壓渦輪轉子，分別采用疊加優化技術裝配方法和原裝配用方法進行裝配，每種方法重復了3次，試驗結果如表1所示。

圖4 后軸檢查不同心度示意圖

圖5 高壓渦輪盤檢查不同心度示意圖

圖6 封嚴盤檢查不同心度示意圖

圖7 鼓筒軸檢查不同心度示意圖

圖8 高壓渦輪轉子檢查示意圖

3.1 裝配質量分析

3.1.1 柱面跳動情況分析

通過圖9可知，疊加優化裝配方法的柱面跳動值優于轉臺裝配方法的柱面跳動值。通過表1柱面跳動數據，計算得出柱面跳動值最大優化59.3%，平均優化47.4%。認為疊加優化裝配方法對柱面跳動優化有作用。

3.1.2 端面跳動情況分析

通過圖10可知，疊加優化裝配方法的端面跳動值優于轉臺裝配方法的端面跳動值。通過表1端面跳動數據，計算得出端面跳動值最大優化31.9%，平均優化30.2%。認為疊加優化裝配方法對端面跳動優化有作用。

3.1.3 裝配穩定性分析

1）柱面跳動穩定性分析

通過圖11可知，疊加優化裝配方法柱面跳動極差值小于轉臺裝配方法柱面跳動極差值，疊加優化裝配方法的穩定性優于轉臺裝配方法的穩定性。認為疊加優化裝配方法比較穩定。

圖9 柱面跳動分析圖

圖10 端面跳動分析圖

圖11 柱面跳動穩定性分析圖

圖12 端面跳動穩定性分析圖

2）端面跳動穩定性分析

通過圖12可知，疊加優化裝配方法端面跳動極差值小于轉臺裝配方法端面跳動極差值，疊加優化裝配方法的穩定性優于轉臺裝配方法的穩定性。認為疊加優化裝配方法比較穩定。

3.2 裝配效率分析

通過圖13可知，疊加優化裝配方法的裝配時間小于轉臺裝配方法的裝配時間。通過表1裝配時間數據，計算得出裝配效率最大提升164%，裝配效率平均提升136%。認為疊加優化裝配方法對裝配效率提升有顯著效果。

4 結論

通過疊加優化技術在高壓渦輪轉子維修裝配中的應用，得出：疊加優化技術對高壓渦輪轉子的柱面跳動、端面跳動和裝配重復性有優化作用，提高了高壓渦輪轉子裝配質量。疊加優化技術有效的提高了高壓渦輪轉子裝配效率。

圖13 裝配時間圖示