發(fā)動機(jī)低渦軸碰磨故障的裝配工藝分析

趙 哲 孫貴青 王 彤

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015）

低壓渦輪軸是連接航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇壓氣機(jī)和低壓渦輪之間的橋梁，它能否安全、穩(wěn)定地工作，關(guān)系到整個發(fā)動機(jī)能否安全穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)[1-2]。低壓渦輪軸選用材料具有高強(qiáng)度、易腐蝕特點(diǎn)，一旦表面發(fā)生腐蝕，疲勞強(qiáng)度會明顯降低，壽命大幅度縮短，工作時可能會發(fā)生斷軸故障，對發(fā)動機(jī)的工作安全構(gòu)成高度威脅。為防止低壓渦輪軸表面發(fā)生腐蝕，表面選用防腐漆進(jìn)行保護(hù)，能夠顯著提高低壓渦輪軸的抗腐蝕性。

國外CFM-56發(fā)動機(jī)在生產(chǎn)制造中發(fā)現(xiàn)，低壓渦輪軸發(fā)生碰磨故障，表面防腐漆出現(xiàn)多處大面積脫落，沿軸向呈波浪形狀分布，已露出金屬基體，部分基體存在輕微磨痕。國內(nèi)某型航空發(fā)動機(jī)的低壓渦輪主單元體拆卸后，同樣發(fā)現(xiàn)低壓渦輪軸發(fā)生碰磨損傷，故障現(xiàn)象同國外相似，低壓渦輪軸的碰磨問題亟待解決。

裝配工藝控制對航空發(fā)動機(jī)裝配質(zhì)量至關(guān)重要，可以確保發(fā)動機(jī)性能及使用的可靠性和耐久性[3]。本文結(jié)合航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對低壓渦輪軸碰磨故障進(jìn)行工藝分析，確定故障原因，制定改進(jìn)措施。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

低壓渦輪軸表面防腐漆劃痕呈非徑向整環(huán)分布，可排除發(fā)動機(jī)試車發(fā)生的可能性，推斷為安裝/拆卸過程中造成的機(jī)件碰磨事件。結(jié)合某型航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪軸防腐漆的脫落區(qū)域，從低壓渦輪主單元體裝分路徑上分析判斷，對低壓渦輪軸碰磨具有影響的機(jī)件為空氣導(dǎo)管、軸前封嚴(yán)環(huán)、四支點(diǎn)外環(huán)、壓緊螺母，如圖1所示。

圖1 低壓渦輪軸裝配結(jié)構(gòu)

在低壓渦輪主單元體裝配過程中，計算低壓渦輪軸與發(fā)動機(jī)各機(jī)件的單邊徑向裝配間隙為：

式中，i為低壓渦輪軸裝配時經(jīng)過的各機(jī)件，i=1，2，3…；D為低壓渦輪軸最大外徑；d為機(jī)件最小內(nèi)徑。

低壓渦輪主單元體裝配時，低壓渦輪軸的徑向偏擺距離大于相配合機(jī)件的單邊徑向裝配間隙?時，可發(fā)生碰磨。如圖1所示，當(dāng)前，空氣導(dǎo)管與低壓渦輪軸的裝配間隙最小，利用公式（1）計算單邊徑向裝配間隙為?min，低壓渦輪軸的軸端發(fā)生偏擺?≥?min時，可與空氣導(dǎo)管發(fā)生接觸碰磨。

2 工藝分析

2.1 定心引導(dǎo)

某型航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪主單元體裝配工藝采用“水平裝配技術(shù)”，使用可調(diào)重心水平吊具，利用前支點(diǎn)定心引導(dǎo)系列工裝進(jìn)行裝配，如圖2所示。分析發(fā)現(xiàn)，低壓渦輪主單元體裝配時，僅在低壓渦輪軸前端安裝定心引導(dǎo)工裝，單支點(diǎn)定心引導(dǎo)不足，會引起懸臂較長的低壓渦輪軸發(fā)生偏擺。

圖2 低壓渦輪主單元體裝配

現(xiàn)有低壓渦輪主單元體裝配時，使用的前支點(diǎn)定心引導(dǎo)系列工裝配合尺寸如表1所示，計算工裝定心徑向總配合間隙為t=3.7～4.6mm（即t=4+0.6-0.3），工裝與發(fā)動機(jī)的定心配合間隙較大，定心效果不足，可能對低壓渦輪軸偏擺碰磨具有直接影響。可在低壓渦輪軸增加后支點(diǎn)定心引導(dǎo)工裝，實(shí)現(xiàn)低壓渦輪軸的雙支點(diǎn)水平定心引導(dǎo)裝配，提高低壓渦輪軸裝配時的定心引導(dǎo)作用，如圖2所示。

表1 定心工裝配合尺寸

2.2 吊裝穩(wěn)定性

低壓渦輪主單元體采用水平吊裝方式裝配，吊具的吊點(diǎn)D應(yīng)與低壓渦輪主單元體的重心M在一條豎直線上（見圖3），保證低壓渦輪主單元體在裝配過程中的水平度。操作時一旦出現(xiàn)誤操作，會造成低壓渦輪主單元體的偏擺，進(jìn)而導(dǎo)致低壓渦輪軸碰磨。

圖3 低壓渦輪主單元體吊裝

為進(jìn)一步分析吊車操作穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行機(jī)件吊裝穩(wěn)定性試驗(yàn)（見圖3）。操作吊車進(jìn)行點(diǎn)動試驗(yàn)，選取位置A（低壓渦輪軸中點(diǎn)）和位置B（低壓渦輪機(jī)匣前安裝邊）進(jìn)行點(diǎn)動位移測量，測量結(jié)果如表2所示。

表2 吊車點(diǎn)動位移測量

根據(jù)表2可知，操作吊車進(jìn)行低壓渦輪主單元體裝配時，低壓渦輪軸會發(fā)生一定程度偏擺，位置A的點(diǎn)動位移量大于低壓渦輪軸在裝配過程中的最小裝配間隙Δmin，存在發(fā)生偏擺碰磨可能。

2.3 碰磨風(fēng)險

在低壓渦輪主單元體裝配的過程中，模擬低壓渦輪軸的運(yùn)動軌跡，當(dāng)?shù)蛪簻u輪軸處于某一裝配階段時，決定低壓渦輪軸最大偏擺角應(yīng)為各個機(jī)件配合端中的兩最小配合端。如圖4所示，設(shè)裝配時兩最小配合端分別為A、B和C、D，最大偏擺角度為a，兩最小配合端水平間距為L，輔助軸線為O2O′，碰磨處為M。理論裝配時，低壓渦輪軸的軸線O2O2′應(yīng)與發(fā)動機(jī)的軸線O1O1′重合，實(shí)際裝配時，低壓渦輪軸的軸線O2O2′會發(fā)生偏擺。

圖4 低壓渦輪軸裝配

低壓渦輪軸在各裝配階段的最大偏擺角度為：

式中，i是指低壓渦輪軸的各裝配階段，i=1，2，3…；L指兩最小配合端的水平距離；D′為發(fā)動機(jī)左最小配合端直徑，D′=AB；D〞為發(fā)動機(jī)右最小配合端直徑，D〞=CD；d′為低壓渦輪軸左最小配合端直徑，d′=2EB；d〞為低壓渦輪軸右最小配合端直徑，d〞=2CF。

分析低壓渦輪軸的碰磨風(fēng)險，當(dāng)?shù)蛪簻u輪軸發(fā)生偏擺后，M處的理論偏擺位移大于實(shí)際裝配間隙Δ時，裝配時低壓渦輪軸就會發(fā)生碰磨，則低壓渦輪軸的理論偏擺位移O1″O2″（見圖 4）為：

式中，i為低壓渦輪軸的各裝配階段，此處i=1，2，3…；D為低壓渦輪軸碰磨處直徑，D=MN；L′為低壓渦輪軸左最小配合端距離碰磨處的水平距離。

以低壓渦輪主單元體拆卸過程為分析對象（安裝是逆過程），利用式（2）和式（3）對各退出階段進(jìn)行碰磨風(fēng)險計算，計算時引入工裝徑向累積配合間隙，計算發(fā)現(xiàn)低壓渦輪軸在退出行程60mm后，偏擺幅度超過許用間隙△，均存在碰磨風(fēng)險，偏擺曲線如圖5所示。

圖5 低壓渦輪軸偏擺幅度曲線

低壓渦輪主單元體拆卸的全部退出行程中，在四支點(diǎn)軸承滾動體退出外環(huán)和壓緊螺母前（低壓渦輪軸退出0～60mm），由于外環(huán)和壓緊螺母的過盈定心作用，低壓渦輪軸不存在碰磨可能；從四支點(diǎn)軸承滾動體退出外環(huán)壓緊螺母后至定心工裝退出時（低壓渦輪軸退出60～1500mm），低壓渦輪軸均存在碰磨風(fēng)險，理論碰磨區(qū)域覆蓋現(xiàn)有防腐漆脫落區(qū)域，分析結(jié)果如表3所示。

由表3可知，低壓渦輪軸僅在空氣導(dǎo)管靠近四支點(diǎn)軸承的縮頸處可能發(fā)生碰磨，與低壓渦輪主單元體退出時發(fā)生的碰磨狀態(tài)相吻合，判斷低壓渦輪軸防腐漆脫落為拆卸時與空氣導(dǎo)管發(fā)生碰磨所致。

3 改進(jìn)措施

針對此故障，筆者提出以下改進(jìn)措施：增加后支點(diǎn)定心引導(dǎo)工裝，實(shí)現(xiàn)低壓渦輪軸的兩點(diǎn)水平定心引導(dǎo)裝配；提高定心工裝配合精度，改善定心引導(dǎo)效果；補(bǔ)充低壓渦輪軸防腐漆臨時修復(fù)工藝，及時解決防腐漆損傷；增加低壓渦輪軸貯存油封工藝，防止低壓渦輪軸表面基體發(fā)生腐蝕；對吊車進(jìn)行改進(jìn)，提高吊裝時低壓渦輪主單元體的裝配穩(wěn)定性。

表3 低壓渦輪主單元體拆卸時碰磨風(fēng)險

某型發(fā)動機(jī)低壓渦輪主單元體拆卸時，人們采用以上工藝改進(jìn)措施，低壓渦輪軸碰磨問題得到有效解決，防腐漆碰磨脫落現(xiàn)象大幅度減小。對于防腐漆的小面積脫落問題，人們可使用低壓渦輪軸防腐漆臨時修復(fù)工藝進(jìn)行修復(fù)，提高裝配效率。裝配過程中采用低壓渦輪軸貯存油封工藝進(jìn)行防護(hù)，保證裝配質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪軸的碰磨故障可知，裝配精確度和穩(wěn)定性對發(fā)動機(jī)的質(zhì)量安全具有重要意義。設(shè)計發(fā)動機(jī)裝配工藝時，應(yīng)結(jié)合發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模擬裝配路徑進(jìn)行碰磨風(fēng)險評估，進(jìn)行可達(dá)性分析，并全程對發(fā)動機(jī)的裝配機(jī)件采取有效防護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)的高效率、高質(zhì)量裝配。

[1]劉長福，鄧明.航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008：27-29.

[2]陳光，洪杰，馬艷紅.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：59-60.

[3]石宏.航空發(fā)動機(jī)裝配工藝技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015：111-123.