基于同轴度优化的多级压气机转子分段堆叠装配方法研究

王 玉 李 静 庞 昕

（中国航发动力股份有限公司 第一装配中心，西安 710021）

航空发动机转子在工作中高速旋转，转子装配后的初始不平衡量对整机的振动响应有着较大影响，因此在装配过程中控制初始不平衡量的大小十分重要。国内外很多学者对此进行了研究。曹国茂[1]和李立新[2]分别利用Powell 法和遗传算法对多级盘转子装配相位进行优化，有效降低了不平衡量引起的力和力矩。吴法勇[3]和琚奕鹏等[4]通过分析多级盘转子结构同心度、垂直度与不平衡量的堆叠机理以及装配参数对不平衡量的影响关系进行双目标优化，极大地降低了装配后的初始不平衡量。

新一代航空发动机压气机转子均采用整体叶盘结构，单盘剩余不平衡量接近平衡机精度。因此，针对单盘剩余不平衡量较小的转子部件，在转子堆叠装配过程中应重点考虑同轴度优化。在转子部件之间周向位置随机装配的模式下，转子一次装配成功率不高，需要多次调整才能保障同心度符合设计要求[5]。同时，转子的初始不平衡量较大，给平衡工艺带来困难。随着测试技术的进步，测量精度逐渐提高，转子装配优化技术越来越成熟。

1 转子不平衡及多级转子不平衡量传递

1.1 转子不平衡

所有转动件的不平衡量都能表示成静不平衡量和偶不平衡量叠加的形式，其中静不平衡的特点如下。第一，转子的主惯性轴线相对回转轴线平行移动时，转子就会存在静不平衡。第二，转子存在静不平衡时，其主惯性轴线与回转轴线平行。第三，在静不平衡状态下回转时，转子存在通过重心的不平衡质量所产生的离心惯性力，即静不平衡力，而且不平衡离心力偶为零。第四，若转子关于轴承支座对称，当转子旋转时静不平衡力作用在两个轴承上的力大小相等。第五，在静止状态下可以观察到静不平衡，并在重心平面内与不平衡量反向加单个配重进行校正[6]。力偶不平衡是由惯性力偶引起的不平衡，在静止状态下无法观察到，只有在转子转动时才能表现出来，这时转子上加有摇摆振动，中心主惯性轴线相对于回转轴线以锥形轨迹运动。

1.2 多级转子不平衡量传递

多级压气机转子装配后，初始不平衡量是衡量航空发动机装配质量的重要参数。由于叶盘在加工过程中存在加工误差，在多级转子装配过程中误差逐级传递并放大，使得叶盘轴心偏离，从而产生不平衡量误差[7]。叶盘定位误差的存在，使得叶盘配合面产生偏心和垂直度误差，分别用平移矩阵Pe和Pc表示，表达式为

式中：e为转子测量面偏心距；θe为转子测量面偏心角。

式中：c为转子测量面垂直度误差。

2 分段方法与机理

针对转子不平衡现象，提出一种航空发动机压气机转子的装配工艺方案。该转子各级盘均采用整体叶盘结构，各级盘、轴颈之间均为止口配合，单盘初始不平衡量接近平衡机精度。常用的装配工艺方案是在单盘测量后计算多级盘、轴颈堆叠装配角向。受装配误差影响，多级压气机转子组件最终同轴度实测值与预测值存在较大差异，因此需要调整装配工艺，使组件最终达到同轴度优化。

2.1 止口配合结构

针对止口配合的多级压气机转子部件，由于止口跳动及配合紧度的影响，盘、轴类零件在装配后会发生质心偏移，偏移量为δL，零件质量为M，则质心偏移引起的不平衡量U为

式中：k为影响系数，与零件外形结构等因素相关。止口配合结构偏心示意图，如图1 所示。

图1 止口配合结构偏心示意图

2.2 分段方法

压气机转子各级盘、轴颈通过紧固件连接，每级紧固件与其连接的盘、轴颈组成压气机转子的一段。其中：四级螺栓连接的三级盘、四级盘、五级盘为第1 段组件；二级螺栓连接的一级盘、前轴颈、二级盘、第1 段组件为第2 段组件；后端螺栓连接的第2 段组件、篦齿盘、后轴颈为第3 段组件。各段结构示意如图2 ～4所示。

1.三级盘；2.四级盘；3.五级盘。图2 压气机转子第1 段结构

2.3 分段机理

在分段堆叠过程中，第1 段组件按同轴度最优相位堆叠装配。第2 段组件装配时，将第1 段组件作为整体进行堆叠测量，用该测量值与前轴颈和二级盘进行堆叠，获得同轴度最优装配角向，修正第1 段组件实际装配偏差。第3 段组件装配时，以第2 段组件作为整体进行堆叠测量，用该测量值与篦齿盘、后轴颈进行堆叠，获得多级压气机转子部件头周度最优装配角向，修正第2 段组件实际装配偏差。

3 分段式堆叠装配过程

由分段堆叠机理可知，转子分段堆叠优化需要按照组件分段、零组件测量、优化计算、分段装配及检验验证5 个步骤进行，其中组件分段依照第2.2 章节的方法，此处不再赘述。

3.1 零组件测量

零组件测量指测量并记录各级盘、轴颈、第1 段组件和第2 段组件止口的跳动、同轴度等形位尺寸数据，作为堆叠角向优化计算的数据输入。

3.2 优化计算

根据零组件测量结果及优化机理，按矢量计算出每段组件同轴度最优的装配组合角向。当同轴度最优时为某一角度时，若此处没有螺栓，则选取最近的螺栓位置。

3.3 分段装配

基于同轴度矢量，按照三级盘、四级盘、五级盘堆叠计算最优相位，完成第1 段组件各级盘装配。将第1 段整体作为组件，测量第1 段组件的堆叠数据，以第2 段组件同轴度最小为目标，进行第2 段其余盘、轴颈的优化计算，按优化相位完成第2 段组件装配。将第2 段整体作为组件，测量第2 段组件的堆叠数据，以保证第3 段组件同轴度最小为目标，进行第3 段其余盘、轴颈的优化计算，按优化相位完成第3 段组件装配，即完成压气机转子装配。

3.4 检验验证

在第2 段组件、第3 段组件装配过程中进行检验验证，抵消前2 段装配工艺偏差，最终只需对装配完成的转子进行检验测量，以获得最终的转子部件同轴度。

4 工程验证

以某型压气机转子组件装配为例，根据组件结构特点，其装配工艺路线设计为五级盘→四级盘→三级盘→二级盘→前轴颈→一级盘→组件翻转180°→安装篦齿盘和后轴颈。将该压气机转子组件分为3 个装配段，对其进行分段堆叠装配，同轴度、垂直度的实测数据如表1 所示。由表1 可知，组件最终同轴度优化在较小范围内，有效降低了压气机转子组件初始不平衡量，提升了装配质量。

表1 某型压气机转子组件同轴度与垂直度实测数据 单位：mm

5 结语

多级压气机转子分段堆叠方法能够及时有效地调整装配误差带来的部件同轴度与理论值偏差，在装配过程中优化了工艺偏差，从而装配完成后实现压气机转子部件同轴度优化。利用前一段组件的堆叠结果与该段盘、轴颈堆叠，可以达到更好的同轴度优化效果。随着堆叠段数增加，同轴度及垂直度比前一段更优。