航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝論證

杜立峰 王娜 任志遠(yuǎn) 韓大禹

摘 ?要：航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子一般為懸臂轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其重心位置位于懸臂外，常規(guī)平衡方案無法實(shí)現(xiàn)，需要根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用合理的工藝方法，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子動平衡，從而控制發(fā)動機(jī)振動故障。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī);平衡技術(shù);低渦轉(zhuǎn)子

中圖分類號：V263 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）24-0092-03

Abstract： The aero-engine low-pressure turbine rotor is generally a cantilever rotor structure， and its center of gravity is located outside the cantilever， so the conventional balancing scheme cannot be realized. Thus， it is necessary to adopt reasonable technological methods according to the rotor structure to realize the rotor dynamic balance， in order to control the engine vibration failure.

Keywords： aero-engine; balance technology; low pressure turbine rotor

引言

航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子裝配工藝中，轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)是較為關(guān)鍵的技術(shù)，轉(zhuǎn)子動平衡狀態(tài)會影響發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，甚至影響航空發(fā)動機(jī)工作時的振動狀態(tài)，所以航空發(fā)動機(jī)裝配工藝過程中的平衡工藝是控制發(fā)動機(jī)振動故障的關(guān)鍵工藝技術(shù)。航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且多種多樣，平衡工藝過程的實(shí)現(xiàn)除依靠相應(yīng)規(guī)格的平衡設(shè)備外，需要完整可靠的平衡工藝方法和適用的平衡工藝裝備。所以在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子平衡過程中，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)決定平衡工藝方法，平衡工藝方法決定平衡過程的工裝和設(shè)備，而工藝方法合理、平衡工裝設(shè)備的可靠是決定平衡結(jié)果的關(guān)鍵因素。一般的轉(zhuǎn)子重心位于平衡支撐之間，平衡時采用常規(guī)的鞍型架或滾輪進(jìn)行支撐，采用常規(guī)的驅(qū)動方式即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子平衡，同時采用合理的工藝軸承或者工藝軸套同樣可使平衡工藝工程更為可靠準(zhǔn)確。但對于特殊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，采用常規(guī)的平衡技術(shù)方案則無法實(shí)現(xiàn)，需要根據(jù)轉(zhuǎn)子特定結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)特殊的工藝軸套和軸承，采用合理的平衡方案和驅(qū)動方法，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的動平衡。

1 目標(biāo)分析

1.1 概要

本文針對一種航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡工藝方案分析，該轉(zhuǎn)子為懸臂結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子重心位于懸臂一側(cè)，由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特殊性，無法用傳統(tǒng)的方案實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的動平衡，所以需要重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子平衡工藝方案、支撐方案、驅(qū)動方案和轉(zhuǎn)子校正方案，完成該轉(zhuǎn)子動平衡工藝技術(shù)分析工作。

1.2 工藝要求

該低壓渦輪轉(zhuǎn)子（圖1）為長軸單盤結(jié)構(gòu)，單盤前共有兩個支點(diǎn)，即第三支點(diǎn)和第四支點(diǎn)，兩個支點(diǎn)均為滾子軸承，第三支點(diǎn)軸承位于軸前端，外套位于靜子支撐內(nèi)，第四支點(diǎn)軸承位于軸后端靠近渦輪盤位置，軸承外套位于高壓渦輪轉(zhuǎn)子盤后，由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為長軸單盤結(jié)構(gòu)，盤位于支撐后端，所以轉(zhuǎn)子組件的中心位于盤位置，即重心位于支撐之外，即為懸臂轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子采用支點(diǎn)支撐時，由于重心在外的緣故，轉(zhuǎn)子無法實(shí)現(xiàn)雙支點(diǎn)支撐，需要采用其它方案實(shí)現(xiàn)。

低壓渦輪轉(zhuǎn)子動平衡要求平衡轉(zhuǎn)速不低于900r/min。轉(zhuǎn)子通過在盤的前后面加裝平衡塊消除不平衡量，使兩修正面的殘余不平衡量不超過10g·cm。

1.3 零件結(jié)構(gòu)及平衡方案分析

基于該轉(zhuǎn)子的實(shí)際機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步分析平衡工藝方案：

（1）支承方案，平衡時需要兩個支點(diǎn)作為平衡支點(diǎn)，該低壓渦輪轉(zhuǎn)子工作支點(diǎn)為第三支點(diǎn)軸承及第四支點(diǎn)軸承，所以平衡時仍然需要采用該轉(zhuǎn)子的兩個支撐位置作為支點(diǎn)，由于第四支點(diǎn)軸承距離重心較近，所以該位置仍然需要采用發(fā)動機(jī)的主機(jī)軸承作為支點(diǎn)，但由于轉(zhuǎn)子重心位于兩個支點(diǎn)以外，同時低壓渦輪的兩個軸承均為滾子軸承，渦輪的軸向定位位于與其連接的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上，所以第三支點(diǎn)軸承預(yù)計(jì)采用可實(shí)現(xiàn)軸向定位的工藝軸承進(jìn)行支撐，并通過平衡設(shè)備自身具備的反向支撐的功能，施力抵消轉(zhuǎn)子重心導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子沿第四支點(diǎn)軸承產(chǎn)生的力矩造成的轉(zhuǎn)子翻轉(zhuǎn)，考慮與平衡機(jī)支承位置相配合的情況，選用鞍型座支撐結(jié)構(gòu)。

（2）工裝方案，前支點(diǎn)采用獨(dú)立設(shè)計(jì)的滾珠結(jié)構(gòu)的工藝軸承，后支點(diǎn)則采用發(fā)動機(jī)軸承結(jié)合工藝外套結(jié)構(gòu)。

（3）設(shè)計(jì)參數(shù)，為滿足工藝軸承的軸向定位要求，其與低壓渦輪軸的裝配為過盈裝配，需要選用合理的裝配配合要求，后支點(diǎn)的工藝外套則參考發(fā)動機(jī)的第四支點(diǎn)軸承的外套尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足平衡過程的準(zhǔn)確實(shí)施，同時工藝軸承與工藝外套均由定位半環(huán)固定于平衡機(jī)鞍型架上，所以工藝軸承和工藝外套需要與鞍型架的尺寸和固定半環(huán)的尺寸一致。其它選用合理的尺寸和公差，保證定位和裝配要求，即合理的表面粗糙度、跳動、圓度、同軸度等。

2 工藝方案論證與工裝結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)過對該低壓渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分析，預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)的兩個工裝如下。

2.1 前支點(diǎn)工藝軸承

（1）前支點(diǎn)的定位基準(zhǔn)應(yīng)與第三支點(diǎn)相似，所以針對該低壓渦輪轉(zhuǎn)子采用工藝支點(diǎn)軸承代替發(fā)動機(jī)實(shí)際軸承，選擇的基準(zhǔn)位置見圖2。

（2）工藝軸承內(nèi)環(huán)為套狀軸承內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)內(nèi)徑與低壓渦輪轉(zhuǎn)子定位基準(zhǔn)配合，中間為選用的成品滾珠軸承，外環(huán)可將滾珠軸承裝配至內(nèi)部，外部結(jié)構(gòu)與平衡機(jī)鞍型架尺寸匹配，具體工裝結(jié)構(gòu)如圖3。

（3）裝配配合采用過盈配合，裝配采用冷熱裝配，分解時設(shè)計(jì)與其匹配的分解工裝實(shí)現(xiàn)。

（4）工藝軸承的套狀軸承內(nèi)環(huán)需要參與轉(zhuǎn)子平衡工作，所以套狀軸承內(nèi)環(huán)需要預(yù)先進(jìn)行平衡工作，平衡時需要設(shè)計(jì)專用的平衡二類工裝夾具實(shí)現(xiàn)。

（5）前支點(diǎn)工藝軸承需要考慮轉(zhuǎn)子重心外懸產(chǎn)生的支撐反力，所以前支點(diǎn)軸承外部需要施加專用半環(huán)固定并壓緊前支點(diǎn)工藝軸承，專用半環(huán)采用螺釘連接的方式裝配至平衡機(jī)鞍型架上固定。

2.2 后支點(diǎn)工藝軸套

后支點(diǎn)工藝軸套較為簡單，其具體結(jié)構(gòu)參考第四支點(diǎn)軸承的軸承外環(huán)結(jié)構(gòu)，但是需要考慮軸承的固定，其外環(huán)兩端設(shè)計(jì)有專用凸耳，與平衡機(jī)鞍型架固定。

2.3 平衡工藝方案

轉(zhuǎn)子平衡時采用皮帶驅(qū)動的方式，驅(qū)動皮帶施力于長軸上，前支撐點(diǎn)施工軸承固定低壓渦輪轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)重心反力的平衡和轉(zhuǎn)子軸向的固定，后支撐點(diǎn)采用工藝軸套代替發(fā)動機(jī)第四支點(diǎn)軸承外環(huán)，平衡時軸承在工藝軸套外環(huán)內(nèi)滾動。

平衡采用專用的外懸轉(zhuǎn)子平衡工藝方法，可選用較正面平衡法或支撐動載荷平衡法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的平衡工作。

2.4 技術(shù)方案結(jié)果分析

經(jīng)過對該外懸結(jié)構(gòu)低壓渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分析、工裝方案分析、工藝方法論證，解決了重心位于支點(diǎn)外的特殊結(jié)構(gòu)外懸轉(zhuǎn)子的平衡工作，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子支撐時的重心平衡，解決了轉(zhuǎn)子平衡的軸向定位問題，最終實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子準(zhǔn)確穩(wěn)定的平衡，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié)果討論與分析

本篇文章，通過討論特殊外懸結(jié)構(gòu)的低壓渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特性，基于基本平衡理論和工藝方案，完善和改進(jìn)平衡工藝方法，對平衡工裝進(jìn)行初步論證和設(shè)計(jì)，最終確定了平衡支點(diǎn)的支撐結(jié)構(gòu)方案、平衡驅(qū)動方案和平衡方法，完成了相關(guān)工藝研究工作，實(shí)現(xiàn)了低壓渦輪轉(zhuǎn)子的平衡工藝研究工作。

參考文獻(xiàn)：

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