潘 輝，馬 健，林 磊，宋德福，朱 成，王丹丹

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

1 引言

國(guó)內(nèi)外先進(jìn)軍、民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用了單元體[1]設(shè)計(jì)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的維修性，縮短維修保障時(shí)間，降低全壽命周期費(fèi)用，提高飛機(jī)的作戰(zhàn)效能和出勤率[2-4]。核心機(jī)單元體主要由壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪和中央傳動(dòng)等部組件組成，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最核心部件的集成體，在發(fā)動(dòng)機(jī)中處于高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的最?lèi)毫庸ぷ鳝h(huán)境，為發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度和使用可靠性方面最為關(guān)鍵的單元體。無(wú)論是新機(jī)研制還是發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)過(guò)程中，發(fā)生的許多問(wèn)題都和核心機(jī)單元體密切相關(guān)[5]。因此，核心機(jī)單元體設(shè)計(jì)并努力實(shí)現(xiàn)其獨(dú)立交付是航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和發(fā)展的必然趨勢(shì)[6]。

核心機(jī)單元體設(shè)計(jì)要求同一單元體在性能與裝配上規(guī)格化，同一編號(hào)的單元體能互換，且更換后不影響發(fā)動(dòng)機(jī)完整性、轉(zhuǎn)子平衡和發(fā)動(dòng)機(jī)性能，且不需在臺(tái)架上進(jìn)行試車(chē)調(diào)整[1，7]。本文基于某航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)單元體的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐，總結(jié)了滿(mǎn)足核心機(jī)單元體獨(dú)立交付要求的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容，主要包括機(jī)匣同軸度、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡、接口控制、包裝運(yùn)輸和驗(yàn)收交付，并在此基礎(chǔ)上提出了相關(guān)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，以期能為相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供參考。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)匣同軸度

機(jī)匣同軸度(即發(fā)動(dòng)機(jī)支點(diǎn)同軸度)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸度的保持。保證機(jī)匣同軸度主要有以下4 方面的措施：①簡(jiǎn)化尺寸鏈，減少公差累積；②提高機(jī)匣剛性和設(shè)計(jì)精度；③對(duì)機(jī)匣進(jìn)行組合加工；④通過(guò)選配機(jī)匣、增加偏心襯套或不等厚墊片等實(shí)現(xiàn)公差調(diào)整[8]。其中，組合加工將使機(jī)匣失去互換性，選配機(jī)匣需要有較多臺(tái)份機(jī)匣供選擇，增加偏心襯套或不等厚墊片不利于傳裝工藝優(yōu)化和單元體接口控制。因此，可獨(dú)立交付核心機(jī)單元體的機(jī)匣同軸度設(shè)計(jì)，最好采用簡(jiǎn)化尺寸鏈、提高機(jī)匣剛性和設(shè)計(jì)精度措施，以控制公差累積和機(jī)匣變形對(duì)支點(diǎn)同軸度的影響。

圖1 所示核心機(jī)單元體機(jī)匣由中介機(jī)匣、壓氣機(jī)機(jī)匣和燃燒室機(jī)匣三段構(gòu)成。在整機(jī)支點(diǎn)同軸度設(shè)計(jì)時(shí)，采用極限偏差法確定核心機(jī)單元體機(jī)匣同軸度的設(shè)計(jì)指標(biāo)，核心機(jī)單元體設(shè)計(jì)時(shí)再將指標(biāo)進(jìn)一步分解至中介機(jī)匣、壓氣機(jī)機(jī)匣和燃燒室機(jī)匣上，最后各部件通過(guò)簡(jiǎn)化尺寸鏈、公差再分配、機(jī)匣剛度設(shè)計(jì)、連接定心設(shè)計(jì)、形位公差設(shè)計(jì)等措施保證設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。其中，三段機(jī)匣間的連接采用精密銷(xiāo)釘或螺栓+止口圓柱面的定心方式，精密銷(xiāo)釘或螺栓占截面連接件總數(shù)的1/3，止口圓柱面長(zhǎng)度不低于2.5 mm。核心機(jī)單元體正式裝配前，通過(guò)逐級(jí)假裝和檢查機(jī)匣同軸度確認(rèn)各機(jī)匣的加工和裝配質(zhì)量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作后出現(xiàn)機(jī)匣同軸度不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求時(shí)，允許適量修磨中間截面(即壓氣機(jī)機(jī)匣后端面)校正，但不允許修磨單元體前后接口界面。

2.2 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡

核心機(jī)單元體的高壓轉(zhuǎn)子由壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子不平衡量是引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)超限的主要原因[9]。為此，必須科學(xué)合理地設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子平衡精度和殘余不平衡量，并在裝配前嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求完成多步平衡，以保證轉(zhuǎn)子在發(fā)動(dòng)機(jī)上正常滿(mǎn)意地工作。

該核心機(jī)單元體的高壓轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子，為使單元體具備良好的通用性和互換性，需采取措施保證組合動(dòng)平衡結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性，為此采用分級(jí)平衡原則設(shè)計(jì)。先對(duì)壓氣機(jī)和高壓渦輪轉(zhuǎn)子下屬各盤(pán)、軸、套管等進(jìn)行單獨(dú)平衡，然后對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子分別進(jìn)行單獨(dú)平衡，最后將壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子組裝成高壓轉(zhuǎn)子組件進(jìn)行組合動(dòng)平衡。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子的連接采用圓弧端齒+螺栓的定心結(jié)構(gòu)，裝配時(shí)通過(guò)分步施加力矩、十字交叉法擰緊和規(guī)定保壓時(shí)間等措施控制連接螺栓的擰緊力矩，并通過(guò)檢查跳動(dòng)確定裝配質(zhì)量。高壓轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡轉(zhuǎn)速不低于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的6%，平衡精度等級(jí)為G1.25，并同時(shí)控制初始不平衡量不超過(guò)殘余不平衡量的20～25倍。動(dòng)平衡完成后要求補(bǔ)充運(yùn)轉(zhuǎn)3次，平衡結(jié)果應(yīng)穩(wěn)定、合格，且3次平衡結(jié)果最大值與最小值之差≯2 g·cm。

圖1 核心機(jī)單元體機(jī)匣分布示意圖Fig.1 Case distribution of core engine module

2.3 接口控制

在整機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，即對(duì)核心機(jī)單元體的前后接口界面進(jìn)行劃分和明確，在詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中逐步完成對(duì)單元體接口尺寸的部件協(xié)調(diào)，明確各部件的接口尺寸控制要求，完成接口尺寸確認(rèn)、尺寸公差分配、形位公差選用等工作。對(duì)重要的接口尺寸，要求在部件出廠時(shí)進(jìn)行檢測(cè)并在質(zhì)量證明文件中記錄。對(duì)在單元體裝配過(guò)程中形成的接口尺寸，通過(guò)裝配技術(shù)要求明確技術(shù)調(diào)整和保障措施；通過(guò)裝配檢測(cè)項(xiàng)目及要求明確尺寸的測(cè)量位置、量具選擇、測(cè)量條件、注意事項(xiàng)、設(shè)計(jì)許可值、結(jié)果記錄等要求，以保證單元體物理接口的通用性。

該核心機(jī)單元體的接口有5 類(lèi)(圖2)：①與風(fēng)扇靜子和2 支點(diǎn)組件的接口，尺寸在中介機(jī)匣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工中保證；②與外涵機(jī)匣的接口，尺寸在外涵機(jī)匣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工中保證；③與低壓渦輪導(dǎo)向器、低壓渦輪轉(zhuǎn)子的接口，尺寸在燃燒室機(jī)匣和高壓渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工中保證；④與管路的接口，尺寸在各機(jī)匣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工中保證；⑤與發(fā)動(dòng)機(jī)低壓部件的接口DIS48，尺寸在單元體的裝配過(guò)程中保證。DIS48主要通過(guò)控制各零組件的加工精度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求自動(dòng)保證，必要時(shí)可通過(guò)設(shè)置在壓氣機(jī)前軸頸處的調(diào)整墊L3 進(jìn)行調(diào)整。L3 還同時(shí)控制單元體內(nèi)部轉(zhuǎn)靜子軸向間隙，其厚度在裝配前通過(guò)尺寸鏈聯(lián)算和合理折中選取。實(shí)踐表明，通過(guò)對(duì)零組件加工精度的控制和輔以L(fǎng)3調(diào)整墊，可同時(shí)滿(mǎn)足核心機(jī)單元體對(duì)內(nèi)部轉(zhuǎn)靜子軸向間隙的調(diào)整和對(duì)接口尺寸DIS48 的控制，使各間隙和接口尺寸均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，從而保證核心機(jī)單元體的裝配質(zhì)量和接口尺寸。

圖2 核心機(jī)單元體接口分布示意圖Fig.2 Interface distribution of core engine module

圖3 核心機(jī)單元體吊點(diǎn)、安裝支點(diǎn)分布示意圖Fig.3 Hoisting point and installation fulcrum distribution of core engine module

2.4 包裝運(yùn)輸

為實(shí)現(xiàn)核心機(jī)單元體的獨(dú)立交付，需對(duì)單元體的吊運(yùn)、安裝、防護(hù)及包裝箱等進(jìn)行合理可靠的設(shè)計(jì)，以保障單元體的轉(zhuǎn)運(yùn)安全。如圖3所示，該核心機(jī)單元體采用2 截面4 吊點(diǎn)起吊方案。前吊點(diǎn)設(shè)置在單元體進(jìn)口的中介機(jī)匣前安裝邊上，后吊點(diǎn)設(shè)置在單元體出口的承力工裝安裝邊上，每個(gè)截面各有2 個(gè)吊點(diǎn)，分別位于單元體正上約±40°位置。單元體運(yùn)輸采用2截面3支點(diǎn)固定方案，前安裝支點(diǎn)使用中介機(jī)匣上左、右對(duì)稱(chēng)的2個(gè)主安裝節(jié)，對(duì)單元體實(shí)現(xiàn)軸向和側(cè)拉限位；后安裝支點(diǎn)同樣設(shè)置在出口承力工裝安裝邊上，左、右對(duì)稱(chēng)布置2 個(gè)，根據(jù)車(chē)架情況選擇其中1個(gè)對(duì)單元體進(jìn)行俯仰定位?？紤]到單元體后部對(duì)高壓轉(zhuǎn)子無(wú)支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了后部承力工裝，用于對(duì)高壓轉(zhuǎn)子的支撐和定心；設(shè)計(jì)了高壓轉(zhuǎn)子防轉(zhuǎn)工裝，并與后部承力工裝一起承受運(yùn)輸過(guò)程中的沖擊載荷，防止發(fā)生轉(zhuǎn)靜子碰磨等。針對(duì)包裝運(yùn)輸設(shè)計(jì)了單元體防護(hù)工裝，對(duì)前后軸承腔、流道進(jìn)出口、機(jī)匣外露敞開(kāi)口等進(jìn)行封堵，對(duì)高壓渦輪轉(zhuǎn)子外露篦齒進(jìn)行保護(hù)，防止在包裝運(yùn)輸過(guò)程中帶入外來(lái)物和對(duì)篦齒產(chǎn)生磕碰傷。其中，軸承腔與流道隔開(kāi)防護(hù)，利于對(duì)軸承的油封和對(duì)軸承腔的清潔度控制。此外，按照國(guó)軍標(biāo)[10]要求設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的包裝箱，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)，并通過(guò)核心機(jī)單元體包裝運(yùn)輸要求明確單元體的吊裝、防護(hù)、油封、包裝和運(yùn)輸?shù)纫?，全方位保障核心機(jī)單元體的轉(zhuǎn)運(yùn)安全。

2.5 驗(yàn)收交付

核心機(jī)單元體的獨(dú)立交付必須重視和保證單元體的驗(yàn)收和交付質(zhì)量。針對(duì)該核心機(jī)單元體的驗(yàn)收和交付工作，按照發(fā)動(dòng)機(jī)裝配交付、驗(yàn)收管理規(guī)定編寫(xiě)了核心機(jī)單元體驗(yàn)收技術(shù)要求，明確了對(duì)交付產(chǎn)品(包括消耗件和備件)、隨件資料、驗(yàn)收程序、驗(yàn)收內(nèi)容等的規(guī)定，并對(duì)交付產(chǎn)品補(bǔ)充規(guī)定了現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)檢查項(xiàng)目，包括產(chǎn)品外觀檢查、保險(xiǎn)檢查、轉(zhuǎn)子盤(pán)車(chē)檢查、流道孔探檢查、壓氣機(jī)導(dǎo)葉驅(qū)動(dòng)檢查等內(nèi)容。驗(yàn)收過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)填寫(xiě)核心機(jī)單元體驗(yàn)收檢查記錄單，對(duì)提出的質(zhì)量問(wèn)題及時(shí)處理和整改。交付產(chǎn)品時(shí)填寫(xiě)核心機(jī)單元體周轉(zhuǎn)、交付記錄單，記錄交付產(chǎn)品和隨件資料的類(lèi)別、數(shù)量、油封期限等信息，由交付單位和接受單位的相關(guān)責(zé)任人確認(rèn)并簽字，保證整個(gè)驗(yàn)收和交付工作內(nèi)容完整、流程規(guī)范、記錄清楚，保證驗(yàn)收和交付的全過(guò)程質(zhì)量受控。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)可獨(dú)立交付核心機(jī)單元體的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐和總結(jié)，提出以下設(shè)計(jì)原則：

(1) 通過(guò)簡(jiǎn)化尺寸鏈、合理的公差分配、機(jī)匣剛度設(shè)計(jì)、連接定心設(shè)計(jì)、形位公差設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)機(jī)匣的同軸度設(shè)計(jì)要求；

(2) 高壓轉(zhuǎn)子采用分級(jí)平衡設(shè)計(jì)，通過(guò)可靠的轉(zhuǎn)子定心和連接設(shè)計(jì)，合理選擇平衡轉(zhuǎn)速和平衡精度，以及同時(shí)控制初始和殘余不平衡量等措施，保證高壓轉(zhuǎn)子組合動(dòng)平衡結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性；

(3) 通過(guò)全面細(xì)致的接口協(xié)調(diào)和控制、合理可行的包裝運(yùn)輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及規(guī)范嚴(yán)格的驗(yàn)收交付過(guò)程控制，保證核心機(jī)單元體的接口通用性、運(yùn)輸安全性和交付質(zhì)量受控。