航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子鎖緊結(jié)構(gòu)裝配檢測(cè)要求研究

對(duì)于雙轉(zhuǎn)子直驅(qū)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可達(dá)10000r/min以上，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達(dá)2000r/min以上，需通過(guò)正確提出轉(zhuǎn)子前后鎖緊結(jié)構(gòu)的裝配要求，來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全、可靠和正常運(yùn)轉(zhuǎn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配是制造組裝的最后環(huán)節(jié)，其中裝配要求尤其是裝配過(guò)程檢測(cè)尺寸要求，決定了產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性和安全性，是表明產(chǎn)品裝配及交付是否合格的關(guān)鍵要素。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)大多為典型高低壓雙轉(zhuǎn)子構(gòu)型，高壓轉(zhuǎn)子由高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、高壓渦輪轉(zhuǎn)子組合而成，轉(zhuǎn)子在工作中高速旋轉(zhuǎn)，其常用的轉(zhuǎn)子鎖緊方式為前后大螺母擰緊。按照《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》（CCAR-33-R2）第33.93條要求，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)掛飛試驗(yàn)、地面試驗(yàn)、高空試驗(yàn)等試驗(yàn)驗(yàn)證后，以及發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)服役返廠維護(hù)時(shí)，需進(jìn)行分解至零組件級(jí)的維護(hù)檢查，且要求不允許出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。例如，過(guò)度的松開(kāi)扭矩，與安裝力矩對(duì)比過(guò)大或過(guò)小的松開(kāi)力矩。對(duì)高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)裝配檢測(cè)尺寸要求開(kāi)展研究，可以解決分解力矩過(guò)小問(wèn)題，保障高速旋轉(zhuǎn)件可靠運(yùn)行。高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)的主要功能為將中央傳動(dòng)齒輪箱（IGB）主動(dòng)錐齒輪及3號(hào)支點(diǎn)軸承（由一個(gè)滾珠軸承和一個(gè)滾棒軸承組成）壓緊至高壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，確保滾珠軸承（承受軸向力）及滾棒軸承（承受徑向力）隨高壓轉(zhuǎn)子安全可靠的工作。高壓轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)下（熱態(tài)），軸向載荷由壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子前軸頸與IGB的過(guò)盈、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子前軸頸與IGB的套齒結(jié)構(gòu)傳遞到滾珠軸承，由滾珠軸承傳力至承力機(jī)匣，由承力機(jī)匣傳遞至安裝節(jié)傳出；徑向載荷由滾棒軸承通過(guò)承力機(jī)匣傳遞至安裝節(jié)傳出。設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)子連接結(jié)構(gòu)在工作過(guò)程中不脫開(kāi)，須可靠傳遞各種工作載荷。高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示，由前承力機(jī)匣（核心機(jī)試驗(yàn)件）/中介機(jī)匣（整機(jī)）、3號(hào)支點(diǎn)軸承及IGB組件、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子前軸頸、壓緊螺母4部分組成。其中，3號(hào)支點(diǎn)軸承及IGB組件，通過(guò)主動(dòng)錐齒輪以過(guò)盈配合及套齒傳力的形式與高壓轉(zhuǎn)子組裝在一起；3號(hào)支點(diǎn)軸承通過(guò)止口過(guò)盈與螺栓配合的形式與承力機(jī)匣組裝在一起；壓緊螺母以擰緊的形式將3號(hào)支點(diǎn)軸承及IGB組件、高壓轉(zhuǎn)子前軸頸結(jié)構(gòu)等連接在一起。圖1

高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)圖1中示出了IGB轉(zhuǎn)子件與高壓轉(zhuǎn)子之間軸向配合。BA1～BA6、Zmes、Zcal、ΔZ為軸向尺寸，對(duì)ΔZ提出裝配尺寸檢測(cè)要求。其中，BA1為前軸頸前端面至與篦齒環(huán)后端配合面軸向尺寸；BA2為篦齒環(huán)軸向尺寸；BA3為主動(dòng)錐齒輪前端面至跑道組件后端面軸向尺寸（BA3由調(diào)整墊1、調(diào)整墊2保證，不同發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型略有差異）；BA4為壓緊螺母軸向長(zhǎng)度；BA5為高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子狀態(tài)下的前軸頸至篦齒環(huán)前端面長(zhǎng)度；BA6為直接測(cè)量得到的前軸頸前端面至主動(dòng)錐齒輪前端面軸向長(zhǎng)度；BA1～BA6需要滿(mǎn)足在裝配過(guò)程中的單件或組件狀態(tài)下的尺寸限制值要求；Zcal為前篦齒壓緊螺母前端面至高壓壓氣機(jī)前軸頸前端面軸向距離計(jì)算值；Zmes為前篦齒壓緊螺母前端面至高壓壓氣機(jī)前軸頸前端面軸向距離實(shí)測(cè)值；ΔZ為實(shí)測(cè)值（Zmes）-計(jì)算值（Zcal），ΔZ需要滿(mǎn)足最終的裝配尺寸限制值要求。IGB轉(zhuǎn)子件與高壓轉(zhuǎn)子之間徑向配合要求為過(guò)盈配合。在裝配過(guò)程中，采用加熱3號(hào)支點(diǎn)軸承及IGB組件的方式確保徑向順利裝配，圖2為裝配工藝說(shuō)明。圖２

裝配工藝說(shuō)明高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)螺母分解力矩過(guò)小問(wèn)題在已有各臺(tái)核心機(jī)地面臺(tái)大氣進(jìn)氣試驗(yàn)、加溫加壓試驗(yàn)、高空試驗(yàn)后的分解檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分臺(tái)份次分解力矩過(guò)小的情況。螺母分解力矩過(guò)小表示此處螺母在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生了松動(dòng)情況；存在螺母脫出，極端情況有可能發(fā)生高壓轉(zhuǎn)子從3號(hào)支點(diǎn)軸承及IGB組件上松脫，導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)靜子軸向碰磨，影響試驗(yàn)安全。經(jīng)故障樹(shù)進(jìn)行底事件排查（見(jiàn)圖3），因未考慮裝配和工作軸向壓緊變形對(duì)鎖緊結(jié)構(gòu)壓緊力矩的影響，原高壓轉(zhuǎn)子裝配尺寸檢測(cè)要求ΔZ為-0.25～+0.05mm過(guò)于寬松，在軸向力較大的試驗(yàn)狀態(tài)下，3號(hào)支點(diǎn)軸承及IGB組件、高壓轉(zhuǎn)子前軸頸、篦齒環(huán)等結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)子軸向力壓緊變形后的變形量小于壓緊螺母裝配后的鎖緊位置，導(dǎo)致壓緊螺母軸向力消失。圖3

前端鎖緊結(jié)構(gòu)螺母分解力矩過(guò)小問(wèn)題故障樹(shù)分析歷次裝配分解數(shù)據(jù)，可以初步判定力矩下降與裝配檢測(cè)要求尺寸值ΔZ有關(guān)。在ΔZ壓縮量大于-0.05mm時(shí)，出現(xiàn)分解力矩下降25%以上的情況；ΔZ壓縮量小于-0.05mm時(shí)，分解力矩?zé)o明顯下降（10%以?xún)?nèi)）。結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，ΔZ要求的上限應(yīng)改為-0.05mm才可滿(mǎn)足試驗(yàn)中高壓轉(zhuǎn)子軸向力較大狀態(tài)時(shí)，壓緊螺母不松脫的安全性、可靠性工作要求。高壓轉(zhuǎn)子鎖緊結(jié)構(gòu)裝配檢測(cè)要求設(shè)計(jì)方法

針對(duì)分解力矩變小的問(wèn)題，為了確保裝配到位，使轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)下擰緊螺母力矩不下降、且可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)在工作過(guò)程中變形量的方法來(lái)確定和校核高壓轉(zhuǎn)子前端裝配檢測(cè)尺寸ΔZ要求范圍。結(jié)構(gòu)參數(shù)與邊界條件高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)分為4個(gè)整體，包括壓緊螺母、3號(hào)支點(diǎn)軸承及IGB組件、壓氣機(jī)篦齒環(huán)、前軸頸，所需計(jì)算的材料系數(shù)為裝配狀態(tài)溫度和工作狀態(tài)溫度下的熱膨脹系數(shù)、彈性模量。高壓轉(zhuǎn)子壓緊螺母在裝配過(guò)程中須擰緊兩次，第一次是在加熱3號(hào)支點(diǎn)軸承及IGB組件和承力機(jī)匣后，將高壓轉(zhuǎn)子前端拉入3號(hào)支點(diǎn)軸承及IGB組件，使其組裝到位，采用較大的擰緊力矩；第二次是為了保證工作狀態(tài)的擰緊力矩比裝配力矩要小。高壓轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)下的載荷包括轉(zhuǎn)子軸向力載荷、螺母壓緊力載荷以及溫度載荷，其中最大軸向力對(duì)應(yīng)整機(jī)標(biāo)天起飛工況點(diǎn)（發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況），最小軸向力對(duì)應(yīng)整機(jī)最小氣動(dòng)負(fù)荷工況，軸向力順航向向前。徑向變形校核計(jì)算裝配和工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)徑向變形量，此處結(jié)構(gòu)徑向載荷及變形僅考慮結(jié)構(gòu)溫度載荷變化引起的熱變形，即可采用材料力學(xué)經(jīng)典熱變形公式進(jìn)行快速評(píng)估。通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)加工至極限公差情況下的熱變形量徑向計(jì)算結(jié)果可以得知，在裝配狀態(tài)下，孔軸之間為間隙配合，可以保證裝配時(shí)轉(zhuǎn)子前軸頸穿過(guò)IGB主動(dòng)錐齒輪結(jié)構(gòu)無(wú)困難；在工作狀態(tài)下，孔軸之間為過(guò)盈配合，可以保證工作時(shí)的傳扭和傳力，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的功能性需求。軸向變形校核計(jì)算裝配和工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)軸向變形量。在裝配狀態(tài)下，影響軸向變形的載荷主要為壓緊螺母擰緊力矩；在工作狀態(tài)下，影響軸向變形的載荷主要為轉(zhuǎn)子軸向力、溫度載荷。其中，可采用材料力學(xué)虎克定律公式進(jìn)行快速評(píng)估；根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可以將擰緊力矩轉(zhuǎn)換為軸向壓緊力。通過(guò)校核裝配過(guò)程軸向變形計(jì)算結(jié)果可以得知，在裝配過(guò)程中，施加兩次擰緊力矩，壓緊螺母、3號(hào)支點(diǎn)軸承及IGB組件、壓氣機(jī)篦齒環(huán)、前軸頸產(chǎn)生的理論軸向變形為第一次壓縮變形量大，第二次壓縮變形量小。為避免結(jié)構(gòu)受力變形大引起結(jié)構(gòu)損傷，應(yīng)選取受力大的第一次變形壓縮量作為ΔZ的限制要求。通過(guò)校核工作狀態(tài)軸向變形計(jì)算結(jié)果可以得知，在整機(jī)標(biāo)天起飛狀態(tài)，3號(hào)支點(diǎn)軸承承受最大軸向力載荷作用下，對(duì)轉(zhuǎn)子前軸頸結(jié)構(gòu)的軸向變形影響較大。須在裝配時(shí)將各相關(guān)結(jié)構(gòu)壓緊變形，ΔZ的限制要求應(yīng)滿(mǎn)足承受最大工作軸向力載荷作用下的軸向變形量，才能保證在整機(jī)標(biāo)天起飛狀態(tài)以及其他工況狀態(tài)下工作時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子及壓緊螺母結(jié)構(gòu)不松脫。高壓轉(zhuǎn)子鎖緊結(jié)構(gòu)裝配檢測(cè)要求改進(jìn)應(yīng)用

根據(jù)結(jié)構(gòu)變形量的理論計(jì)算可以判定高壓轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)鎖緊結(jié)構(gòu)，其徑向尺寸設(shè)計(jì)合理，能夠保證裝配過(guò)程為間隙配合，工作狀態(tài)下為過(guò)盈配合；其軸向尺寸既要考慮到裝配過(guò)程中的受力情況，也要考慮工作狀態(tài)下的受力情況。高壓轉(zhuǎn)子前端鎖緊結(jié)構(gòu)的裝配檢測(cè)尺寸實(shí)測(cè)值ΔZ，須滿(mǎn)足最小壓緊量大于最大高壓轉(zhuǎn)子軸向力載荷條件下的壓緊變形量；最大壓緊量小于理想裝配狀態(tài)下所受最大擰緊力矩載荷的壓緊變形量。此數(shù)值范圍根據(jù)不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，可采用本文敘述的方法根據(jù)具體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行快速校正。落實(shí)經(jīng)校核后的高壓轉(zhuǎn)子裝配檢測(cè)ΔZ限制值后，后