发动机低涡轴碰磨故障的装配工艺分析

2018-03-13孙贵青

现代制造技术与装备 2018年1期

赵哲孙贵青王彤

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）

低压涡轮轴是连接航空发动机风扇压气机和低压涡轮之间的桥梁，它能否安全、稳定地工作，关系到整个发动机能否安全稳定地运转[1-2]。低压涡轮轴选用材料具有高强度、易腐蚀特点，一旦表面发生腐蚀，疲劳强度会明显降低，寿命大幅度缩短，工作时可能会发生断轴故障，对发动机的工作安全构成高度威胁。为防止低压涡轮轴表面发生腐蚀，表面选用防腐漆进行保护，能够显著提高低压涡轮轴的抗腐蚀性。

国外CFM-56发动机在生产制造中发现，低压涡轮轴发生碰磨故障，表面防腐漆出现多处大面积脱落，沿轴向呈波浪形状分布，已露出金属基体，部分基体存在轻微磨痕。国内某型航空发动机的低压涡轮主单元体拆卸后，同样发现低压涡轮轴发生碰磨损伤，故障现象同国外相似，低压涡轮轴的碰磨问题亟待解决。

装配工艺控制对航空发动机装配质量至关重要，可以确保发动机性能及使用的可靠性和耐久性[3]。本文结合航空发动机结构特点，对低压涡轮轴碰磨故障进行工艺分析，确定故障原因，制定改进措施。

1 结构特点

低压涡轮轴表面防腐漆划痕呈非径向整环分布，可排除发动机试车发生的可能性，推断为安装/拆卸过程中造成的机件碰磨事件。结合某型航空发动机低压涡轮轴防腐漆的脱落区域，从低压涡轮主单元体装分路径上分析判断，对低压涡轮轴碰磨具有影响的机件为空气导管、轴前封严环、四支点外环、压紧螺母，如图1所示。

图1 低压涡轮轴装配结构

在低压涡轮主单元体装配过程中，计算低压涡轮轴与发动机各机件的单边径向装配间隙为：

式中，i为低压涡轮轴装配时经过的各机件，i=1，2，3…；D为低压涡轮轴最大外径；d为机件最小内径。

低压涡轮主单元体装配时，低压涡轮轴的径向偏摆距离大于相配合机件的单边径向装配间隙∆时，可发生碰磨。如图1所示，当前，空气导管与低压涡轮轴的装配间隙最小，利用公式（1）计算单边径向装配间隙为∆min，低压涡轮轴的轴端发生偏摆∆≥∆min时，可与空气导管发生接触碰磨。

2 工艺分析

2.1 定心引导

某型航空发动机低压涡轮主单元体装配工艺采用“水平装配技术”，使用可调重心水平吊具，利用前支点定心引导系列工装进行装配，如图2所示。分析发现，低压涡轮主单元体装配时，仅在低压涡轮轴前端安装定心引导工装，单支点定心引导不足，会引起悬臂较长的低压涡轮轴发生偏摆。

图2 低压涡轮主单元体装配

现有低压涡轮主单元体装配时，使用的前支点定心引导系列工装配合尺寸如表1所示，计算工装定心径向总配合间隙为t=3.7～4.6mm（即t=4+0.6-0.3），工装与发动机的定心配合间隙较大，定心效果不足，可能对低压涡轮轴偏摆碰磨具有直接影响。可在低压涡轮轴增加后支点定心引导工装，实现低压涡轮轴的双支点水平定心引导装配，提高低压涡轮轴装配时的定心引导作用，如图2所示。

表1 定心工装配合尺寸

2.2 吊装稳定性

低压涡轮主单元体采用水平吊装方式装配，吊具的吊点D应与低压涡轮主单元体的重心M在一条竖直线上（见图3），保证低压涡轮主单元体在装配过程中的水平度。操作时一旦出现误操作，会造成低压涡轮主单元体的偏摆，进而导致低压涡轮轴碰磨。

图3 低压涡轮主单元体吊装

为进一步分析吊车操作稳定性的影响，进行机件吊装稳定性试验（见图3）。操作吊车进行点动试验，选取位置A（低压涡轮轴中点）和位置B（低压涡轮机匣前安装边）进行点动位移测量，测量结果如表2所示。

表2 吊车点动位移测量

根据表2可知，操作吊车进行低压涡轮主单元体装配时，低压涡轮轴会发生一定程度偏摆，位置A的点动位移量大于低压涡轮轴在装配过程中的最小装配间隙Δmin，存在发生偏摆碰磨可能。

2.3 碰磨风险

在低压涡轮主单元体装配的过程中，模拟低压涡轮轴的运动轨迹，当低压涡轮轴处于某一装配阶段时，决定低压涡轮轴最大偏摆角应为各个机件配合端中的两最小配合端。如图4所示，设装配时两最小配合端分别为A、B和C、D，最大偏摆角度为a，两最小配合端水平间距为L，辅助轴线为O2O′，碰磨处为M。理论装配时，低压涡轮轴的轴线O2O2′应与发动机的轴线O1O1′重合，实际装配时，低压涡轮轴的轴线O2O2′会发生偏摆。

图4 低压涡轮轴装配

低压涡轮轴在各装配阶段的最大偏摆角度为：

式中，i是指低压涡轮轴的各装配阶段，i=1，2，3…；L指两最小配合端的水平距离；D′为发动机左最小配合端直径，D′=AB；D〞为发动机右最小配合端直径，D〞=CD；d′为低压涡轮轴左最小配合端直径，d′=2EB；d〞为低压涡轮轴右最小配合端直径，d〞=2CF。

分析低压涡轮轴的碰磨风险，当低压涡轮轴发生偏摆后，M处的理论偏摆位移大于实际装配间隙Δ时，装配时低压涡轮轴就会发生碰磨，则低压涡轮轴的理论偏摆位移O1″O2″（见图 4）为：

式中，i为低压涡轮轴的各装配阶段，此处i=1，2，3…；D为低压涡轮轴碰磨处直径，D=MN；L′为低压涡轮轴左最小配合端距离碰磨处的水平距离。

以低压涡轮主单元体拆卸过程为分析对象（安装是逆过程），利用式（2）和式（3）对各退出阶段进行碰磨风险计算，计算时引入工装径向累积配合间隙，计算发现低压涡轮轴在退出行程60mm后，偏摆幅度超过许用间隙△，均存在碰磨风险，偏摆曲线如图5所示。

图5 低压涡轮轴偏摆幅度曲线

低压涡轮主单元体拆卸的全部退出行程中，在四支点轴承滚动体退出外环和压紧螺母前（低压涡轮轴退出0～60mm），由于外环和压紧螺母的过盈定心作用，低压涡轮轴不存在碰磨可能；从四支点轴承滚动体退出外环压紧螺母后至定心工装退出时（低压涡轮轴退出60～1500mm），低压涡轮轴均存在碰磨风险，理论碰磨区域覆盖现有防腐漆脱落区域，分析结果如表3所示。

由表3可知，低压涡轮轴仅在空气导管靠近四支点轴承的缩颈处可能发生碰磨，与低压涡轮主单元体退出时发生的碰磨状态相吻合，判断低压涡轮轴防腐漆脱落为拆卸时与空气导管发生碰磨所致。

3 改进措施

针对此故障，笔者提出以下改进措施：增加后支点定心引导工装，实现低压涡轮轴的两点水平定心引导装配；提高定心工装配合精度，改善定心引导效果；补充低压涡轮轴防腐漆临时修复工艺，及时解决防腐漆损伤；增加低压涡轮轴贮存油封工艺，防止低压涡轮轴表面基体发生腐蚀；对吊车进行改进，提高吊装时低压涡轮主单元体的装配稳定性。