高壓壓氣機篦齒盤松脫原因分析及改進

■ 宋寶鑫 姚世珍 馬紅濤 趙建 余祎騰/ 航發動力

發動機裝配工藝過程中保證篦齒盤的穩定性是高壓轉子同心度控制的前提條件，若裝配工藝方法不合理，輕則造成裝配返工，重則造成零件損傷，引發發動機振動、碰磨等故障。

發動機振動的主要激振源是轉子的不平衡量造成的，而轉子不同心會使其質量偏心較大，進而產生較大的不平衡量[1]。工程上，一般以高壓轉子前、后軸頸為聯合基準測量篦齒盤盤心孔跳動來表征高壓轉子的同心度[2]。在發動機裝配過程中一般采取堆疊預測（SPS）技術對高壓轉子的同心度進行優化，為了使高壓轉子的不平衡量處于較低水平，還要進行高壓轉子組合平衡。然而，航空發動機結構復雜、裝配精度高、裝配流程長，裝配工藝既要保證各零件之間有正確的配合和位置，還要求全裝配流程有可靠的連接以及穩定的過程控制措施。高壓壓氣機轉子組件中,篦齒盤止口形位尺寸直接參與高壓轉子同心度預測，是關鍵裝配參數，也是衡量裝配品質的重要指標之一。

故障描述

發動機在完成一次試車后發生故障，按工藝要求需分解進行故障檢查。在分解時發現，高壓渦輪轉子從核心機上拆下后，高壓壓氣機轉子后端的篦齒盤偏斜，手動檢查后發現篦齒盤與高壓壓氣機九級盤止口脫開。正常情況下，高壓渦輪轉子拆下時，篦齒盤與高壓壓氣機九級盤連接止口仍處于較好的配合狀態。

零件結構

高壓轉子主要由高壓壓氣機轉子和高壓渦輪轉子組成。高壓壓氣機轉子主要由多級帶工作葉片的盤、篦齒盤和盤腔引氣導流裝置組成；高壓渦輪轉子主要由鼓筒軸、渦輪盤、工作葉片、前擋板、后擋板、盤前封嚴盤、后軸頸等零組件構成。篦齒盤將高壓壓氣機轉子與高壓渦輪轉子聯成一體，用螺栓、螺母固定。為保證高壓壓氣機與高壓渦輪之間有較佳的裝配定心和可靠的工作定心，篦齒盤與高壓壓氣機轉子、高壓渦輪轉子的配合止口均采用過盈配合，如圖1所示。

圖1 高壓轉子局部示意

裝配工藝

發動機的總裝工藝流程如圖2所示。高壓壓氣機轉子與高壓渦輪轉子之間的配合為過盈0.051～0.144mm，為保證高壓壓氣機轉子（篦齒盤處）與高壓渦輪轉子能夠順利裝配到位，采用溫差裝配法，即裝前將高壓渦輪轉子止口用液氮冷凍一定的時間后，將其安裝至高壓壓氣機轉子上。高壓渦輪轉子分解采用拉拔法對過盈配合的高壓渦輪轉子和高壓壓氣機轉子施加方向相反、大小相等的力將其分開。

圖2 發動機總裝工藝流程

故障原因分析

對篦齒盤松脫的原因列出故障樹如圖3所示，共梳理出底事件3項，依次進行分析排查。

圖3 篦齒盤松脫故障樹

篦齒盤連接緊固件

發動機分解前，檢查固定篦齒盤的螺栓、螺母，完整性好；分解過程中，測量螺母的松脫力矩，均在正常的范圍內；分解后，檢查連接件螺紋及螺母貼合端面，未見損傷情況。排除底事件A1。

篦齒盤與壓氣機九級盤配合尺寸

分解后，對篦齒盤及壓氣機九級盤進行尺寸復測，計算壓氣機九級盤與篦齒盤之間的配合為過盈0.143mm，單件止口柱面跳動均在0.01mm以內，無異常。排除底事件B1。

高壓渦輪轉子分解方法

高壓渦輪鼓筒前端的安裝邊上設計有6處M6的頂絲孔，用于將高壓渦輪轉子與高壓壓氣機轉子連接止口脫開。但采用頂絲分解時，需從高壓渦輪后軸內孔進入轉子鼓筒腔體內部進行作業，長時間俯身作業，勞動負荷較大，因此發動機采用了新改進的專用分解工裝進行分解。

高壓渦輪轉子專用分解工裝主要由定位板、傳力軸、螺母組成，如圖4所示。其原理為用定位板頂住篦齒盤盤心孔后端面，螺母與高壓渦輪后軸內孔螺紋連接，借助手壓泵通過傳力軸向高壓壓氣機篦齒盤和高壓渦輪加載反向相等的力，加載力超過篦齒盤與高壓渦輪轉子過盈止口處的預壓力，過盈配合段脫開。該方法能夠極大縮減操作人員在高壓渦輪鼓筒腔內部的工作量和作業時間，顯著提升分解效率。

圖4 高壓渦輪轉子專用分解工裝

仔細分析該分解工裝結構可以發現，工裝前端定位板支撐在篦齒盤盤心孔后端面上能夠簡化人員操作，但分解力加載位置距篦齒盤配合止口較遠，加載時可能會引起篦齒盤前端止口變形，導致篦齒盤與九級盤配合處過盈量變小甚至消失，在高壓渦輪轉子連接止口脫開的瞬間，篦齒盤與九級盤配合止口也一并脫開，篦齒盤松脫。

仿真分析

采用軟件對鼓筒軸與篦齒盤(含九級盤)的分解過程進行計算，計算中對所用實體模型零件特征進行簡化，為了便于計算，有限元模型也進行了簡化，周向取1/4。

在盤心孔后端面施加分解力，對鼓筒軸與篦齒盤(含九級盤)組件進行有限元分析，結果顯示：盤心孔軸向偏移0.536mm，螺栓孔軸向偏移0.149mm，篦齒盤前端止口最大徑向單邊偏移0.0489mm，如圖5所示。

圖5 盤心孔后端面施加分解力仿真

通過上述分析，在篦齒盤盤心孔后端面施加分解力時，篦齒盤變形較大，前端止口徑向偏移量與配合過盈量接近。由此可以斷定，故障發動機篦齒盤脫出是新結構分解工裝加載位置不合理引起篦齒盤前端止口變形過大造成的。

改進措施

改進分解工裝定位板結構，將分解加載位置由篦齒盤盤心孔后端面調整至篦齒盤安裝邊處，如圖6所示。

圖6 分解工裝定位板結構（改進后）

在篦齒盤安裝邊施加分解力，對鼓筒軸與篦齒盤(含九級盤)組件進行有限元分析，結果顯示：盤心孔軸向偏移0.94mm，螺栓孔軸向偏移0.865mm，篦齒盤前端止口最大徑向單邊偏移0.0169mm，如圖7所示。

圖7 篦齒盤安裝邊施加分解力仿真

結束語

通過對故障原因的排查、分析及仿真，可以得出以下結論：將篦齒盤盤心孔端面作為高壓渦輪轉子分解加載位置，會引起篦齒盤前端止口徑向嚴重變形，變形量幾乎與止口配合過盈量相當，分解時存在篦齒盤與九級盤止口松脫的風險；將分解工裝的加載位置由篦齒盤盤心孔端面調整至安裝邊處，篦齒盤前端止口的徑向變形能夠改善65.4%。對高壓渦輪轉子分解工裝進行結構優化，有效規避了分解過程中篦齒盤脫落的風險，新結構的分解工裝能夠大幅降低操作人員的勞動強度，一定程度上提高了裝配效率。