高压转子维修单元体跳动评价方法_汪俊熙.pdf

收稿日期：2021-05-17作者简介：汪俊熙（1981），男，硕士，高级工程师。引用格式：汪俊熙，孙磊，赵岩，等.高压转子维修单元体跳动评价方法J.航空发动机，2023，49（3）：162-169.WANG Junxi，SUN Lei，ZHAO Yan，etal.Runout assessment method of high-pressure rotor maintenance moduleJ.Aeroengine，2023，49（3）：162-169.高压转子维修单元体跳动评价方法汪俊熙1，2，孙磊2，赵岩2，李琳2，苏巧灵2（1.西北工业大学 动力与能源学院，西安 710072；2.中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海 201306）摘要：为了提升航空发动机高压转子维修单元体的装配质量，针对当前高压转子维修单元体跳动评价方法中普遍存在的沿程测量误差问题，通过分析维修单元体转子偏心量与组合转子偏心量之间的影响关系，同时避免复杂的空间坐标变换计算，建立了高压组合转子结合面偏心量快速预估模型，提出以支承轴颈处偏心量来评价高压转子维修单元体跳动的方法。采用该方法可快速预估组合转子中间结合面偏心量范围，也可对批量压气机转子和涡轮转子实施最优配对。结果表明：在满足高压组合转子跳动设计要求的前提下，改进后的跳动评价方法使高压转子维修单元体不合格率从最高约67%降低到约8%，有效提升了转子装配质量，提高了装配效率。该跳动评价方法对于航空发动机转子装配、组合转子配对以及连接质量评估等工作的开展具有较强的工程指导意义。关键词：维修单元体；高压转子；跳动评价；装配；航空发动机中图分类号：V263.2+2文献标识码：Adoi：10.13477/ki.aeroengine.2023.03.021Runout Assessment Method of High-pressure Rotor Maintenance ModuleWANG Jun-xi1，2，SUN Lei2，ZHAO Yan2，LI lin2，SU Qiao-ling2（1.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi an 710072，China；2.AECC Commercial Aircraft Engine Co.，Ltd.，Shanghai 210306，China）Abstract：In order to improve the assembly quality of aeroengine high-pressure rotor maintenance module and solve the problem measuring error existing in conventional runout assessment,a quick prediction model for the eccentricity of the high-pressure combined rotorwas established and a method of using the eccentricity at the support journal was proposed to evaluate the runout quality of the rotor maintenance module,by analyzing the relationship of the eccentricity between the rotor maintenance module and the combined rotor,while avoiding complex spatial coordinate transformation calculations.The method could not only quickly predict the eccentricity range of the combined rotor,but also implement the optimal matching for compressor rotors and turbine rotors.The results show that the improved rotor runout assessment method can reduce the non-conformance rate of the rotor maintenance module from 67%to 8%on the premise of meetingthe runout design requirements of the combined rotor,which effectively improves the rotor assembly quality and efficiency.The rotor runoutassessment method can serve as a guide for the aeroengine rotor assembling,combined rotor matching and connection quality evaluation.Key words：maintenance module;high-pressure rotor;runout assessment;assembly;aeroengine航空发动机Aeroengine0引言振动是航空发动机研制和生产过程中的关键问题之一，装配质量对发动机振动水平有着直接影响。随着民用涡扇航空发动机涵道比、总压比的不断增大，部件效率、转子转速不断提升，核心机部件呈现出越来越细长的结构特征，研制阶段的振动问题尤为明显1-2。引起发动机整机振动的因素有很多，其中转子相关问题更加突出3-4。在转子的研制过程中尽管有设计手册5-6、标准以及相关技术资料7的指导，但受制于转子结构特点、测量技术、工作状态等，仍然存在设计要求或工艺制定不合理的问题。高压转子是航空发动机的重要组成部分，转子装配越直，跳动越小，即转子组件内部质量偏离旋转轴线的距离越小，产生的转子安装不平衡量也越小。为了提高转子装配质量并提升转子同心度，目前在优化第 49 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.49 No.3Jun.2023汪俊熙等：高压转子维修单元体跳动评价方法第 3 期转子装配工艺方面已开展了大量研究。刘君等8提出针对转子不同心度和不平衡量双目标优化理论，并采用蒙特卡洛仿真法对优化效果进行分析；琚奕鹏等9提出一种以跳动和不平衡量双目标优化理论为基础的转子装配工艺优化方法。在民用航空发动机领域基于最优相位装配和偏心率预测的装配工艺已在转子装配上得到大量应用。Hussain等10-11以航空发动机转子装配时各零件偏心度和同轴度误差最小为目标研究了转子直线优化装配法；Yang等12-14对航空发动机转子装配中零件堆叠后累积偏差的控制和优化技术进行研究；Sun等15研究了基于神经网络的航空发动机多级转子同心度和垂直度预测方法，与传统方法相比提升了预测精度；Sun等16研究了航空发动机转子装配中零件维修的决策机制，提出以转子零件偏心度误差最优为目标，并通过参数敏感性分析对零件维修提供技术依据。但随着新型发动机产品性能的提升，转子级数增多、直径趋小、长径比增大，转子装配合格率很难进一步提高。在实际生产中也发现，使用一些存在跳动不合格的维修单元体转子也能装配出性能及振动合格的发动机。因此，需要对维修单元体转子跳动评价指标进行进一步研究。单福平等17研究了形位偏差在航空发动机转子件止口装配过程中的传递机理，建立了一般化的尺寸链模型用于转子设计；陈渊博等18从尺寸公差、形位公差、周向定位3种不同角度对发动机关键装配参数开展应用研究；孟祥海等19-20利用公差传递模型建立了一种转子件装配质量预测方法，同时也利用偏差模型分析了形位公差对整机装配的影响。本文结合航空发动机高压转子实际装配的特点，提出一种基于组合转子偏心量快速预估模型的维修单元体转子跳动评价方法，以期为优化维修单元体转子装配质量评价提供新思路。1转子跳动评价方法分析1.1目前的跳动评价方法民用大涵道比涡扇航空发动机高压组合转子由高压压气机维修单元体转子（简称压气机转子）和高压涡轮维修单元体转子（简称涡轮转子）组成，转子支承一般采用1-0-1形式。为保证转子装配质量，在发动机不同装配阶段采取不同的跳动控制措施，高压转子跳动评价方法如图1所示。部件装配阶段单独针对2个维修单元体转子进行跳动控制，对压气机转子的要求为：以转子前端轴颈上的2处圆柱面或者1处圆柱面加1处轴肩端面为基准，要求篦齿盘后端止口处的端面跳动和圆柱面径向跳动R1。对涡轮转子的要求为：以转子前端鼓筒轴止口处的端面和圆柱面为基准，要求后端支承轴颈处的圆柱面和轴肩端面跳动R2。在总装阶段，对高压组合转子的要求为：以组合转子两端支承轴颈处的圆柱面为联合基准，要求中间结合面附近的篦齿盘盘心跳动或者鼓筒轴前端外圆柱面跳动R3。几种发动机高压部件转子跳动限制值要求见表1。1.2目前跳动评价方法存在的不足在发动机实际装配过程中发现，按照上述方法评价出的转子跳动值可能不能反映转子真实状态，并对后续装配过程产生误导。图1高压转子跳动评价方法发动机型号CFM56-3CFM56-7BWXX-01CXX-01跳动限制值压气机转子0.0380.0380.0380.040涡轮转子0.0400.0400.0380.040组合转子0.0380.0380.0380.050表1几种发动机高压部件转子跳动限制值mm（a）压气机转子（b）涡轮转子（c）高压组合转子BAB或ABR1R2ABABR3A-BAB163航空发动机第 49 卷1.2.1压气机转子单元体跳动评价方法的不足目前压气机转子跳动测量基准设置在前端（非组合转子的中间结合面），无论采用以圆柱面和端面为基准还是采用以双圆柱面为基准的跳动评价方法，都可能会受转子自身结构特征的影响而产生测量沿程误差，容易造成转子跳动不合格的假象，无法继续开展后续组合转子装配。高压压气机转子跳动测量如图2所示，从如图2（a）中可见，以前端圆柱面和轴肩端面为基准测量后端跳动，假设轴肩端面存在垂直度误差1。在找正A基准和B基准后，会在转子后端分别产生次生偏心量2和次生端跳3。由几何关系可知，2=L/D11，3=D/D11（式中L为A基准中心点到篦齿盘后端止口端面的轴向距离；D为篦齿盘后端止口內圆直径；D1为转子前端轴肩端面圆环中心位置处直径）。压气机转子的L/D1值一般为46，D/D1值一般为23，即便是1=0.005 mm，因沿程放大的关系会使次生偏心量2达到0.0200.030mm和次生端跳3达到0.010 0.015 mm，可能立即导致转子跳动超差。从图2（b）中可见，以前端双圆柱面为基准测量后端跳动，假设圆柱面存在同心度误差4。在找正A基准和B基准后，会在转子后端分别产生次生偏心量5和次生端跳6。由几何关系可知，5=L/La4（式中La为转子前端2个圆柱面中心的轴向距离），6=D/La4。压气机转子的L/La值一般为58，D/La值一般为23，即便是4=0.005 mm，因几何放大的关系会使次生偏心量5达到0.0250.040 mm和次生端跳6达到0.0100.015 mm，导致转子跳动超差。基准之间的制造误差0.005 mm已属于非常高的加工精度，若想再提高，制造难度将进一步加大，对加工设备的要求也更为苛刻，势必导致制造成本提高、生产效率下降。此外，这一部分的跳动沿程误差也会掩盖转子组件真实的跳动情况，导致对转子装配质量的误判。1.2.22个转子维修单元体以跳动值评价装配质量存在不足转子维修单元体显著的结构特点是零件多为薄壁结构、零件之间为过盈配合、大多数采用螺栓连接形式。容易造成转子配合部位在装配状态（受约束）和非装配状态（不受