王威+武晓龙
摘 要：航空发动机转子结构是多样的，结构特性则决定平衡工艺路线，传统航空发动机转子根据其支承方式大体分为一般结构转子的动平衡和外部悬转子的动平衡两种，根据转子相应的结构来选择平衡方法。根据转子相应的结构来选择平衡方法。该转子结构复杂，影响实现平衡过程的因素多，需要针对该转子的特殊结构来完成平衡工艺方法制定及工装结构设计。
关键词：航空发动机；动平衡；低压涡轮转子；特殊结构；工装设计
引言
航空发动机装配工艺中，最重要的一个工艺就是动平衡工艺，航空转子动平衡工作是保证航空发动机转子正常运转的必要工作，转子的不平衡量偏大在转子高速运转状态下会产生大的离心力，而这种离心力则会造成发动机的振动，所以动平衡工作也是控制发动机振动的一种重要工艺。转子动平衡的实现，要取决于转子自身的结构，所以要实现一个转子动平衡过程，准确地实现平衡技术条件，要考虑的方面很多。传统发动机转子一般结构较为简单，多数可用转子本身的支点轴承进行支承，这样可以更好的接近发动机支承状态，这样可以使平衡前装配的难度降低。部分转子由于结构原因要适当改变支承方案和动平衡的方案，以保证能有效的校正其不平衡量。一般要采用特殊的工艺方法，适当转换转子的支承位置，调整其支承方案，保证有效的采集动不平衡数据并根据数据进行校正，达到最终完成转子动平衡的目的。
1 研究目标
1.1 任务来源
该课题为某研制发动机低压涡轮转子动平衡工艺研究，课题主要来源于某科研发动机的工艺准备任务。对于设计图纸的工艺分析时，发现由于转子结构的特殊性，而无法用传统的方法实现转子的动平衡，必须考虑采用其他合理有效的方案来满足其设计要求。这也需要针对该组件结构和其他成熟的动平衡方法，合理的借鉴和针对性分析论证动平衡方案，针对动平衡方案设计合理的工艺装备，完成其动平衡工艺准备，最终完成工艺研究工作。
1.2 设计要求
根据图纸可知，转子长轴单盘结构，单盘前后共有两个支点，即四支点和五支点，其中四支点轴承为滚子轴承且仅装配轴承外套，轴承外套预先装配在轴承座内，五支点轴承为滚子轴承，但由于五支点轴承位置内缩与封严环组件内侧，即若需要以五支点轴承进行支承，则要考虑支承点的变化。同样由于四支点位置的特殊结构且距离五支点较近，不能实现带轴转子的动平衡，所以另外的支点应考虑长轴的周端，轴端自身无支承位置，所以需要选择适合的支承位置和设计适用的工艺装备来完成起支承方案的确定。
动平衡要求平衡转速不低于1300r/min。装叶片前先对转子进行动平衡，找出轻、重点，排列各级叶片的位置，把转子不平衡量消除在400g·cm范围内。加装平衡块消除不平衡量，使两修正面的残余不平衡量不超过17g·cm。
1.3 零件类型
某研制发动机低压涡轮转子属于典型的低压涡轮转子结构，为一级涡轮，从动平衡方面考虑，该发动机动平衡方案参照一般发动机低压涡轮转子动平衡支承方案进行，并对相应的平衡用工艺装备进行结构设计。
根据某研制发动机低压涡轮转子的结构，其动平衡用工艺装备设计从以下几个方面考虑。
1.3.1 转子的支承方案，确定完成转子的支承方案，要根据支承位置设计一定结构的工装，来完成转子在平衡机上的支承，结合太行发动机低压涡轮结构和支承方案选择轴颈前端及五支点轴承位置作为支承位置，但由于五支点轴承位置缩进封严盘内，所以要考虑通过设计的工装来进一步实现其支承点，另外还要考虑与平衡机支承位置相配合的情况，选用鞍型座或者选用滚轮架支承。
1.3.2 工装结构的设计，工装结构要考虑与机件结构相辅相成，所以要根据机件的具体结构，来考虑工装的结构，另外还要考虑工装的传动方式及定位面的选择。
1.3.3 设计参数的制定，平衡用工装设计参数主要有几个方面，一是与装配位置的配合要求，即根据定位和装配情况选择合理的配合尺寸；二是加工尺寸，要根据装配结构和动平衡机承载方式，选用合理的尺寸和公差，保证定位和装配要求，另外要给出合理的表面粗糙度、跳动、圆度、同轴度等要求，平衡工装的这些参数直接影响动平衡的结果的准确性。
2 设计论证与结构分析
根据前面某研制发动机发动机低压涡轮转子的结构特性分析，主要涉及两个方面的工艺装备设计。
2.1 前工艺轴套
2.1.1 首先考虑定位位置，根据低压涡轮与风扇组件的装配定位位置，选用相同位置进行定位。因正常装配的基准位置加工的尺寸公差精确，加工要求高，故选择该位置。
2.1.2 工装功能的实现，工装除要作为前部支承点外，还要考虑装配及轴向定位锁紧要求，根据实际与风扇转子组件的装配结构，选择轴向定位面（即低涡调整垫片的端面位置），工装轴向定位面与其靠紧。
因转子组件的轴端与风扇转子有轴向传动的套齿，所以考虑转子动平衡时传动部位通过工艺轴套与该套齿相连并实现传动，同时要考虑前工艺轴套与平衡机联轴器相连部位的结构和尺寸，但考虑工艺轴套装配后的轴端螺母锁紧要求，所以考虑联轴器相连接的传动工装要独立与平衡轴套，并且与平衡轴套有相应的连接方式。
2.1.3 装配配合的确定，考虑工装装配在涡轮转子上以后要保证其支承的刚性，所以要选择适当的配合来实现，一般选择较小过盈来保证。由于两个装配的基准面的确定，其双面的同心度也有一定的要求。所以考虑工装制造时将两个配合面确定为基准面加工，保证其自身的尺寸同时，其他尺寸以该尺寸进行加工。
2.1.4 支点技术要求，根据对转子实际装配后支点跳动大小影响的不平衡量计算，如支点跳动为与基准的同轴度为Φ0.01，假设某研制发动机低压涡轮转子质量为100kg，则由此同轴度产生的不平衡量的误差为：
U=100kg×0.01mm=1kg·mm
约为6倍的转子不平衡量的公差要求，该计算为假设的最大的不平衡量考虑。但考虑转子由两个支点组成，且转子的重心位置距离两个支点有一定距离，并参照与其配合的机件的加工尺寸要求，结合设备加工能力的限制，最终考虑支承位置与基准的同轴度控制为Φ0.008，圆度为Φ0.005。
2.1.5 轴套前段为装配后的锁紧螺母空间，要充分考虑预留位置，前端传动法兰盘需与平衡机进行相关尺寸设计。
2.1.6 工装自身的动平衡，参与动平衡的工装要考虑其自身的动平衡量，由于工装直接装配于转子组件上，其动平衡量的结果直接带入转子动平衡量本身，所以在设计工装时要考虑工装自身的不平衡量校正和控制方案，必要时应考虑二类工装的设计，对于该轴套考虑其自身结构来完成动平衡的支承，并设计相应的去重面，其它尺寸要求根据机件装配位置要求选定。
2.1.7 拔具设计，在考虑动平衡工装时也应考虑相应的拔具，拔具设计为使用千斤顶进行分解平衡轴套。
2.2 后工艺轴套的设计
2.2.1 定位位置，根据低压涡轮五支点轴承装配位置，优先选择该位置进行定位，但考虑该位置无法做动平衡的真正支点，封严衬套干涉，所以结合参考太行发动机的低涡洞平衡方案，将该动平衡支点进行后移，即避开封严衬套。
2.2.2 工装功能的实现，工装依靠两个定位面进行定位，并以五支点轴承螺母压紧，保证装配稳靠。
该后工艺轴套仅仅做为转子动平衡支承用，所以其他特殊结构可不予以考虑。
同样根据平衡用工装的设计要求和设计原则考虑该工装其他尺寸和技术条件。
2.2.3 工装自身的动平衡，由于该工装自身结构原因，轴向距离较短，外径较大，所以自身无法在平衡机上进行动平衡，需要设计二类工装。
2.2.4 后平衡轴套设计时考虑设计的拔具。
2.3 结果
经过对图纸设计文件的分析，进行了相关的动平衡工艺论证，最终确定了动平衡方案，完成了工艺文件的编制后，设计了对应的动平衡工装，达到了完成某研制发动机低压涡轮平衡工艺方法及工装结构研究与设计的预期目标。
3 结束语
本攻关课题主要在于研究某研制发动机低压涡轮动平衡工艺，根据动平衡的一般理论和平衡的一般方法对转子进行分析，无法达到预期的动平衡的目的，所以有针对性地开展与其他发动机结构对比、平衡方案对比、工装对比等多方面论证，最终确定了以设计特殊结构前后平衡轴套为平衡支点，适当调整平衡设置参数的方法，保证了预期对转子完成规定的两个校正面为校正位置的动平衡理论及工艺方案论证的研究工作，编制相应的工艺文件后，最终设计完成了相应的平衡工艺装备，完成了工艺准备和工艺研究工作，也为后续首台投产奠定了基础。
参考文献
[1]景国光.某型航空发动机技术说明书[M].北京：空军装备部，2006.
[2]陶春虎，王仁智，聂景旭.航空发动机转动部件的失效与预防[M].北京：国防工业出版社，2004.
作者简介：王威（1983，5-），男，民族：汉，籍贯：辽宁铁岭，学历： 硕士研究生，2008年毕业于海军航空工程学院，职称：工程师，研究方向：航空发动机，现从事于航空发动机专业。
