（机械工程专业论文）高压压气机转子装配和平衡工艺方法研究.pdf

大连理二r ：大学专业学位硕士学位论文 摘要 某新型发动机是世界一流发动机属于第三代机，其高压压气机转子转配工艺比较复 杂，装配精度高，平衡难度较大。本文对高压压气机转子装配工艺过程进行了分析和研 究，重点探讨了叶片外径组合加工工艺方法的改进和装配过程对平衡的影响。 叶片外径加工传统的工艺方法是每级叶片装到模拟盘上进行磨削。加工后的叶片装 到转子上，叶片叶尖跳动量与叶片工作状态差异很大。本文采用高速叶尖磨床对叶片外 径进行磨削，加工过程中转子高速旋转将叶片甩开，模拟叶片工作状态，且在真盘上进 行加工，大大减少了叶片加工状态和工作状态的差异，提高了叶片外径的表面粗糙度和 尺寸精度。 本文研究的高压压气机转子为单元体结构设计，其初始不平衡量较大，为减少安装 平衡数量，采取了一种新的平衡工艺方法，即用“模拟转子”分步、转位的平衡方法。 目前按优化后的工艺进行装配加工的高压压气机转子已经通过试车的考核，叶片外 径与机匣的碰磨大大减少，且其径向间隙也趋于均匀化。发动机的振动频次有所降低， 证明高压压气机转子的工艺优化对转子装配质量的提高起到很大的作用。 关键词：压气机转子平衡工艺；动平衡；高速叶尖磨削 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 t h es t u d yo i lt h ea s s e m b l yp r o c e s so fh i g h p r e s s u r e c o m p r e s s o rr o t o r an e w t y p eo fe n g i n ei st h ew o r l df i r s t c l a s se n g i n ef o rt h et h i r dg e n e r a t i o np l a n e f o ri t sh i g h - p r e s s u r ec o m p r e s s o rr o t o r ，t h ea s s e m b l yt e c h n i q u e si sq u i t ec o m p l e xa n d t h ea s s e m b l yp r e c i s i o ni sh i g ha sw e l la st h ed i f f i c u l t yo fb a l a n c ei sg r e a t i nt h i s p a p e r ，t h ep r o c e s so fh i g h p r e s s u r ec o m p r e s s o rr o t o ra s s e m b l yi sa n a l y z e dd e e p l ya n d r e s e a r c h e da n dm a i n l yt h ei m p r o v e m e n to ft h ec o m b i n a t i o np r o c e s s i n gt e c h n i q u eo f l e a v e so u t e rd i a m e t e ra n dt h ei n f l u e n c eo fa s s e m b l yp r o c e s so nb a l a n c ea r ed i s c u s s e d t h et r a d i t i o n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fl e a v e so u t e rd i a m e t e ri n s t a l l se a c hl e v e l b l a d ei n t os i m u l a t i v ep l a t ef o rg r i n d i n g w h e nt h ep r o c e s s e dl e a v e sa r ea s s e m b l e d o n t or o t o r ，t h eb l a d et i po ft h ew o r ks t a t eb e a ta l a r g ea m o u n to f e r r o r s i nt h i sp a p e r ， t h eh i g hs p e e d a p e xg r i n d e ri sp r o p o s e da n dw o r k e r si n s t a l lt h el e a fb l a d eo nt h er e a l p l a t et oc a r r yo nt h eo u t e rd i a m e t e rg r i n d i n g d u r i n gp r o c e s s i n g ，w i t hr o t o rh i g hs p e e d r e v o l v i n gt h el e a fc a s t sa w a yt os i m u l a t et h er e a lc o n d i t i o nw h e r et h el e a fb l a d ei s p r o c e s s e d ，w h i c hi n c r e a s e sg r e a t l yt h es u r f a c er o u g h n e s so ft h el e a fa n dd i m e n s i o n a l a c c u r a c y i nt h i sp a p e r ，h i g h p r e s s u r ec o m p r e s s o rr o t o ri st h eu n i tb o d ys t r u c t u r ed e s i g n a n dt h ei n i t i a li m b a l a n c ei sq u i t eg r e a t i no r d e rt or e d u c et h en u m b e ro fi n s t a l l e d b a l a n c e ，an e wa p p r o a c ht ob a l a n c ep r o c e s si st a k e n ，t h a ti s ，”r o t o rs i m u l a t i o n ” s t e p b y s t e p ，t h et r a n s p o s i t i o no ft h eb a l a n c em e t h o d s a tp r e s e n t ，w i t ht h eo p t i m i z e da s s e m b l yp r o c e s s ，h i g h p r e s s u r ec o m p r e s s o rr o t o r h a sp a s s e dt h ea s s e s s m e n tt e s t i n g ，c a s i n gb e t w e e nt h eo u t e ro fl e a v e sa n dr u bi s g r e a t l yr e d u c e da n dt h er a d i a lg a pt e n d st ot h eu n i f o r m i z a t i o n e n g i n ev i b r a t i o n f r e q u e n c yi sd e c r e a s e d ，w h i c hp r o v e st h a th i g h p r e s s u r ec o m p r e s s o rr o t o ra s s e m b l y p r o c e s so p t i m i z a t i o np l a yas i g n i f i c a n tr o l ei ni m p r o v i n g t h eq u a l i t yr o t o r s k e yw o r d s ：h i 曲一p r e s s u r ec o m p r e s s o r ； r o t o ra s s e m b l yp r o c e s s ；d y n a m i cb a l a n c e ； h i 曲一s p e e dg r i n d i n gb l a d et i p i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：高压压氢扭蛰壬装配塑垩煎王艺左洼盟塞 一 作者签名： 三塑幺迫日期：趟笸年臣月l 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：直压压氢扭蛰王装显狸壬煎工艺左洼珏究 作者签名：熬。函日期：2 坐笸：年臣月上l 日 导师签名：e l 期：丝! 笸年上月卫日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1 选题意义 长期以来，航空发动机的平衡技术是其研制中的关键技术之一f j j 。航空发动机压气 机转子、涡轮转子等转动件的平衡在发动机制造中占重要地位，实践证明，转动件的动 不平衡是影响发动机试车时振动超限的主要因素【2 】。中、小型涡桨、涡轴发动机，其功 率质量比和功率尺寸比日益提高，轴系长而细，转子动力学的问题尤为重要。例如堪称 当今世界上ll o o k w 一- - 1 7 6 0 k w 级的涡轴涡桨发动机“三杰”之一的r t m 3 2 2 一0 1 ，在其高压 核心机验证计划中，曾把转子动力学作为总体结构中的主要任务进行研究p l 。m t u 公司 和t m 公司联合研制m t m 一3 8 0 - 发动机时曾因轴系振动而失败，而m t m 3 8 5 r 则吸取m t m 3 8 0 的教训，重新研制成功。1 9 9 6 年，美国4 架f _ 1 6 飞机失事，数百台发动机受停机影响 也与平衡问题相关 4 1 。最近，国内对某大型高推力发动机振动问题分析表明，在诸多因 素中，转子质量不均布是主要矛盾。因此，航空发动机的动平衡技术的研究对新机开发 具有重要意义。 发动机转子由于加工误差，装配误差，零件材质不均匀，不对称等原因，旋转时会 产生不平衡的惯性力或力矩，这此力和力矩的大小与转速的平方成正比，其方向随着发 动机的转动而发生周期性的变化，这种交变的不平衡力或力矩作用在转子上，就会引起 发动机的振动【卯。为了尽可能减少轴承所承受的这类交变负荷，并保证发动机的振动过 负荷系数值在允许的范围内，对转子必须进行严格平衡。 随着科学技术与生产的高度发展，航空产品也在推陈出新，三代机、四代机的研制 任务越来越繁重，各型号新机开始投产，发动机的振动问题越来越突出，而对与发动机 这样的大回转体来说，由于不平衡引起的故障占很大比重，所以发动机各大转子的平衡 情况对发动机是否振动起着举足轻重的作用。 一但发动机在试车时发生振动，就要下试车台，对发动机整体分解排振，各大部件 重新检查，排除故障再原位装配，几大转子重新平衡，工作量非常大，且浪费巨大的人 力、物力，造成巨大的经济损失。 高压压气机转子装配过程中，需要对一至九级叶片外径进行组合磨削加工，国外航 空发动机制造公司和维修公司早已经普遍采用高速叶尖磨床进行转子叶片叶尖的粗加 工和精加工以及封严齿齿尖的磨削加工【6 】。目前国内的发动机制造公司无一家采用此类 型设备。采用高速叶尖磨床完成转子叶片外径磨削加工，能解决磨削叶片耗时多、叶尖 尺寸在线测量等问题，减少反复安装叶片与测量工作，大大提高劳动效率，缩短生产周 期，保证产品质量，同时可以避免传统磨削方法中将转子叶片安装到模拟盘后再使用 高压压气机转子装配和平衡工艺方法研究 普通车床改制的磨床对各个模拟盘逐一进行磨削。本文通过应用高速叶尖磨床磨削试验 转子叶片叶尖进行优选固化工艺参数、确定工艺路线、实现在线检测功能，最终使高速 叶尖磨床得以应用到转子叶片叶尖磨削实际生产中，解决了制约公司生产进度的瓶颈。 某机高压压气机转子为单元体结构设计，各级盘之间的盘鼓直径相同，鼓筒与盘之 间圆柱面和端面配合定位，通过螺栓连接，盘缘上有不同形式的榫槽用来安装转子叶片， 其结构特点是可以拆卸，便于维修，易于修理换件，轮盘之间焊接构成鼓筒，刚性好、 重量轻、工作可靠。简化了装配和调整过程，缩短了总装时间，保证了装配质量，其前 后鼓筒采用毛坯盘进行粗加工后，将单盘焊接在一起进行精加工，其本身的不平衡量较 大，且转子每级盘上装有叶片，叶片之间的间隙和本身活动量对平衡稳定性有很大影响。 这给高压转子的平衡带来很大难度。为了保证转子的互换性，不能够与高压涡轮转子进 行组合平衡。采取了一种新的平衡工艺方法，即“模拟转子方法。所谓“模拟转子” 即要求与真实转子的几何外型尺寸，重量、重心和转动惯量要相同，高压压气机转子的 平衡采取多步平衡，转位1 8 0 。消除夹具和装配对平衡的影响1 7 l 。 某机高压压气机转子的装配与平衡过程是该机投入小批生产的重大瓶颈问题，该机 鼓简装配技术要求高，转子平衡难度大，叶片外径组合加工质量不稳定，是制约高压压 气机装配周期的主要工序，同时此两项工序质量的高低对发动机性能有很大影响，转子 平衡状态对发动机是否振动起着举足轻重的作用，叶片外径尺寸是否准确，跳动量是否 满足要求直接影响发动机的效率。在发动机工厂试车过程中叶片叶尖和机匣涂层的碰 磨，造成叶片报废等使整个单元体装配周期比其它单元体件的周期长1 - 2 倍，成为配套 件中的紧俏件。转子是发动机中的主要部件之一，其装配工艺路线的优化，对保证产品 的技术要求，提高装配效率，降低工人的劳动强度，缩短生产周期，具有重要实际意义。 1 2动平衡技术的发展概况及研究现状 今天，在几乎所有的转子中，平衡工艺被看成是绝对必要的，它可以延长机器的寿 命，改善其性能，得到平稳无振动的运转砸1 。 “平衡“工艺这个课题是随着转动机的出现( 即快速旋转的机器) 而提出的，并且 随着汽轮机、发动机、电动机、离心泵以及压缩机的出现而变得越来越突出。旋转必须 在刀口或滚子上凭技巧和经验进行动平衡，并经常在运转状态中还要继续加以校正，以 达到平稳和无振动地运转。 有关平衡机的第一个专利是1 8 7 0 年( 即西门子公司发明发电机的四年之后) ，马 丁生( m a r t i n s o n ) 在加拿大提出申请的，在上世纪末到本世纪的初期，平衡技术获得了 美国的阿基莫夫( a k i m o f f ) 和瑞士的斯托多拉( s t o d o l a ) 的新推动，但直到1 9 0 7 年方由 一2 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 达姆斯塔特( d a r m a s t a d t ) 市的拉瓦茨克( l a w a c z e k ) 提出双面平衡机的专利申请，并经 过改进，在卡尔，申克厂制造才付诸工业使用【9 】。 今天，人们还可看到仍在使用的上世纪二十年代的平衡机，但它们与现代的平衡机 几乎没有什么共同之处。虽然当时转子必须放进轴承架，并加以驱动( 基本上与今天所 用的部件相同) ，但电气测量技术还很不成熟，当时人们仅依靠纯机械的测量工具进行 测量。为了提高测量灵敏度，曾在超共振运转后再降至共振转速的谐振中进行测量，这 样，才能获得比较良好的频率选择性。但是，关于角度位置，开始只能凭揣测而定，而 所要求的校正平面( 平面分离) 测量值的精确配置也还不可能。在以后的几十年中，随 着新概念和新专利的充实，测量机器得以完善和改进【l0 1 。各种改进型号和全新的系统得 到了发展，当时基本观点是提高经济性，首先是缩短工时。整个费用必须花费在机械制 造方面。这种情况一直到引进电测量变换器才有所改变，第二次世界大战以后，随着电 子测量技术的迅速发展，有了根本改变。随着测量设备的改进，平衡机的机械结构也变 得更简单，而且除特殊机器之外，又回到早些年的一目了然的制造方式上。灵敏度，频 率选择、平面分离等任务现在都由测量设备来承担了j 。 由于生产需要，转子动平衡理论发展迅速。本世纪初，大部分转子系统工作在第一 阶临界转速以下，转子挠度变形可忽略不计，转子可看做刚性，对这方面的研究相对简 单些，故在3 0 年代后期刚性转子平衡理论已经接近成熟【i2 1 。刚性转子的平衡受其某一 速度限制，如果转速超过这一限制速度，已经平衡了的转子又不平衡了。特别是当转子 工作临界动平衡的关键是准确提取转子的不平衡矢量。通过合适的检测仪器以及必要的 数学手段，获得旋转机械振动信号中基频的幅值和相位，即得到了不平衡矢量。现场动 平衡时，受工作环境的影响，信号中会夹杂进很多其它的成分，且旋转机械在转速波动 的情况下也会使得振动信号的频谱出现“模糊 的现象，这些因素都会影响基频幅值及 相位的准确识别【1 3 1 。因此，为了能够在各种不利因素的干扰下迅速检测出与转速同频的 不平衡量的大小和相位，很多数字信号处理方法以及其它数学手段都被应用到动平衡中 来。 旋转机械在运行状态下，其转速在严格意义上是变化的，特别是在升、降速及转速 有较大波动的时候表现得尤其明显，在这样的状态下对应的振动信号属于非平稳信号， 不满足傅里叶变换对信号的平稳性要求，因此严格说来不适合用常规的频谱分析法分 析。若强行将这样的信号进行傅里叶变换，所得到的频谱将会出现严重的“频率模糊” 现象。为解决这一问题，产生了角域采样理论和建立在其基础上的阶比分析理论，从而 将非平稳的时域信号转换为满足平稳性要求的角域信号，使之可以进行常规的频谱分析 引。阶比分析的关键在于相对于参考轴的恒定角增量( 0 ) 采样，亦即等角度采样， 高压压气机转子装配和平衡工艺方法研究 通过阶比跟踪采样来实现这个过程。阶比跟踪( o r d e rt r a c k i n g ) 采样有传统阶比跟踪 ( t r a d i t i o n a lo r d e rt r a c k i n g ) 与计算机阶比跟踪( c o m p u t e do r d e rt r a c k i n g ) 两种， 其中计算机阶比跟踪法易于用软件实现，且硬件设施配备也比传统阶比跟踪法简单，因 而应用较为广泛。1 9 9 9 年，k mb o s s l e y 与r j m c k e n d r i c k 在结合两种阶比跟踪方法 优点的基础上，提出了混合计算阶比跟踪法( h y b r i dc o m p u t e do r d e rt r a c k i n g ) ，作为 对原有方法的一个改进和补充【l5 1 。2 0 0 3 年重庆大学的郭瑜博士非常有创见地提出了基 于瞬时频率估计( i n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c ye s t i m a t i o n ，i f e ) 实现旋转机械阶比跟踪 的新方法，简化了阶比分析对硬件的要求，用纯软件的方法实现了阶比跟踪，这种方法 是对原有阶比跟踪技术的一大创新【l6 】；这种方法对瞬时频率的估计是基于短时f o u r i e r 变换的，由于短时f o u r i e r 变换存在对信号的分段平稳性要求，因而在转速变化较快的 场合，这种方法就不再适用。 动平衡技术已经取得了巨大的发展，但现在实际应用中仍然存在很多问题值得研 究。比如动平衡技术的一个新的发展方向是在线动平衡。在线动平衡是种不影响转子 正常工作的平衡技术，它利用振动传感器和电气检测装置，在线检测出工作状态下转子 的不平衡量的大小和相位，然后根据此信息手动或自动控制平衡机构的工作，使其产生 相应的校正平衡量与原始不平衡量抵消，或去除原始不平衡量，从而使转子及时得到平 衡。 一4 一 大连理：】二人学专业学位硕士学位论文 2 平衡理论 2 1 静平衡 般当转子外径刃与其长度满足d l 5 时，只需进行静平衡【1 7 1 。对压气机轮 盘、轴等轴向尺寸相对较小的旋转零件，早期的发动机在静平衡架上进行静平衡。转子 重量g 和重心与旋转轴的轴心偏心距e 的乘积，称为静不平衡度。在转子半径r 处( 偏 离重心1 8 0 。方向) 增加或减去重量g 。使g e = g 。x r ，则可达到平衡。由于单盘静平衡 误差大，近期的发动机大多在静平衡机上对转子轮盘等旋转进行静平衡测试。现代的静 平衡机上由于运用了电子平衡系统，精度有所提高。 2 2 动平衡 2 2 1 刚性转子的平衡技术 7 刚性转子在平衡机上与在工作运转时的支承情况相差不大，转子只需在平衡转速 ( 一般为工作转速的2 0 左右) 上用两个( 任选的) 校正面平衡后就能平稳地运转在工作转 速上【1 8 】。 对于初始不平衡量很大，旋转时振动过大的转子，在作动平衡之前要先进行单面平 衡。在进行双面平衡时，可按下列公式求得两个校正平面的校正量。 u 。= b u ( a + b )( 2 1 ) u 。= a u ( a + b )( 2 2 ) 式中u 为不平衡量( 见图2 1 ) 。 图2 1 动平衡原理分析图 f i g 2 1d i a g r a mf o rar o t o rb a l a n c e 高压压气机转子装配和平衡工艺方法研究 这种方法广泛应用于航空发动机涡轮转子的平衡，但是当平衡机为软支承时，左右 平衡分离存在困难。2 0 世纪7 0 年代出现的硬支承平衡机是一次飞跃【l9 】，传统的支承平 衡机上麻烦的动态调整被代之以静态下的尺寸设定，从而形成永久标定式的平衡机。从 发展趋势看，除一些特殊情况需要( 如高速、微型) 外，这种形式将取代软支承平衡机。 但是，对于外悬外重的转子( 包括涡轮转子) ，硬、软支承平衡机均存在不平衡公差 分配不合理和左右校正分离困难两大问题，只是程度不同而己。为此，发展了一种最优 准静一偶分离平衡法【2 0 1 。对用于外悬外重转子，它有以下优点：在确保左右支承动载荷( 不 平衡量) 不超过规定的前提下，它可以最大限度地合理放宽对转子的平衡要求；分离比 高，并且稳定；不平衡量读数的重复性好；可以用于外悬外重转子的精平衡，也可以用 来指导转子( 如涡轮转子) 的粗平衡。平衡效率远高于左右校正面分离法。这种方法已成 功应用于国内，例如w p - 7 低压涡轮转子( 外悬外重的转子，重7 1 4 k g ，d = 4 0 m m ，l = 1 0 0 m m ) 。 该法应用于罗术罗公司生产的斯贝5 1 2 - 5 w 发动机低压涡轮转子( 外悬外重转子，重量 6 5 k g ，d = 8 5 m m ，l = 1 9 0 m m ) ，效果十分显著。一次加蜡平衡后，不平衡量就减少到6 1 8 8 9 * c m 。 2 2 2 刚性转子的动平衡工艺原理 动平衡机由三个主要部分组成见图2 2 ，支承部分、传动部分、测量及计算部分【z 。 转子装在平衡机上，应尽可能支承在工作轴颈处，校正平面应选在最靠近轴承处两端， 以增加校正效应，同时也便于试加配重。转子不平衡产生的支承振动或振动力，由左右 传感器转换成相应电信号，经过平面分离电路处理后输出信号，它分别与左右校正平面 上的不平衡量有关。同时与转子同轴旋转的参考相位发生器发出参数信号。 图2 2 动平衡机工作原理图 f i g 2 2b a l a n c i n gm a c h i n ew o r k i n gs c h e m a t i c 一6 一 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 上述两种信号输入测量电路，经滤波放大器放大后，检测出两校正平面上不平衡量的大 小和位置。 2 3 动平衡机的选择 现代动平衡机可由以下6 个部分组成： 机械正动系统( 含测振传感器和相位基准信号发生器) ； ( d 通用和专用平衡夹具； 驱动系统； ( d 电子测量系统( 含显示和打印) ； ( d 校正装置； ( d 安全防护系统。一般动平衡机都有前四个部分，后两个部分视需要而设【2 2 1 。 按转子一支承系统刚度、谐振频率高低，动平衡机有硬支承机和软支承机，软支承 机有较高的平衡精度，适合于单品种大批量生产。现代硬支承平衡机调整、使用方便， 精度可满足要求，不用标定( 永久性标定) ，设备坚固不怕过载【2 3 1 。 按转子的旋转轴方向，动平衡机有卧式和立式，立式平衡机配置套通用的自动定 心夹紧装置，适用于无轴径的盘状转动件的平衡。平衡精度一般稍低。 通用的中小型卧式动平衡机常配备有联轴节驱动和圈带驱动。联轴节驱动可传递较 大的转矩，并可克制转子在旋转时产生的轴向力，也不苛求转子的形状，通用性较好。 根据转动件结构，外廓尺寸( 外径、支点距离) ，质量、平衡精度等级，选择动 平衡机。平衡机的e m a r 小于待平衡转子e p e r ，并有一定的裕度以补偿用户转子的分离 面较多，装卡重复性比刚性整体的校验转子差的影响。 高压压气机转子装配和平衡1 二艺方法研究 3高压压气机转子的工艺设计 3 1 零件工艺性分析 3 1 1 零件在发动机中作用 高压压气机转子是发动机上的关键件。高压压气机是将低压压气机压缩的空气进一 步压缩，并使空气达到最高的压缩状态和最高的温度，为压缩空气进入燃烧室后点火做 进一步的准备。高压压气机的工作状态好坏直接影响发动机压缩机的压缩效率，从而影 响发动机的功率及各种性能参数。 3 1 2 零件的结构特点 某机高压压气机转子为单元体结构设计，为等内径，盘鼓结构，分为前、后两段， 均为整体焊接结构。包括以下5 个组件： 前轴颈， 第1 2 级盘鼓， 三级盘， ( d4 , - - 9 级盘鼓和转子后面的 ( p 旋转式封严环。 因前后两段转子材料不同，在三级盘的前后结合面处用螺栓将前轴颈，三级盘，1 2 级盘鼓和4 , - 一9 级盘鼓连成一体，为保证零件定位和转子的稳定性，结合面采用过盈止 口。 3 1 3 零件各组成单元件的分析 高压压气机转子的第1 - - 2 级盘鼓和第3 级盘均用优质钛合金锻件制成。第4 - - 9 级 盘采用高强直接时效镍基合金锻件制成。在前三级盘上加工有轴向燕尾形榫槽，后六级 盘上车削加工周向燕尾形榫槽( 省去成形拉削工艺) 。第1 2 级盘鼓和第4 9 级盘采 用焊接连成一体，采用此种工艺，可以省去盘与鼓筒的紧固螺栓，减轻转子的重量并增 加了转子的强度，改善了转子的装配工艺性，简化装配过程。由于其一、二级盘的榫槽 已经拉削完成后进行的焊接，使一、二级盘的不同心度在焊后加工中无法得到很好的改 善，其不平衡量值较大，对鼓筒的初始不平衡量有较大的影响；后鼓筒由于是六级单盘 焊接到一起，其同心度非常不好，后鼓筒的动不平衡量最大，后鼓筒组合加工的好坏直 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 接影响整个鼓筒的初始不平衡量，且其本身不平衡量不进行修正，直接带到转子上，影 响转子的初始不平衡量。 高压压气机转子前轴颈由优质钛合金制成。用螺栓固定在第1 2 级盘鼓和第3 级 盘之间，采用过盈止口定位，是高压压气机转子的前支承件。前轴颈用套齿与中央齿轮 机匣内的水平锥齿轮连结，并用连接螺帽固定。 前轴颈是关键件，整个高压压气机的基准就在此件上，且此件的壁厚非常薄，表面 喷丸后，极易变形，使此件成为难) j n - r - 件；三级盘连接前后鼓筒，盘两端面的平行度和 跳动稍有差池，对整个转子的装配影响非常大。其前后止口在喷丸后进行了) j n - r ，使前 后止口的跳动值非常好。 三级盘为单盘加工装配，盘的端面一面和前鼓筒中的二级盘止口配合，另一端面 和后鼓筒的四级盘止口配合。其两端面的平行度要求对盘鼓组件的跳动影响非常大。所 以三级盘两端面平行度要求非常高。 高压压气机转予后面的旋转式封严环是一个整体合金锻件。封严环通过配合止口 过盈量安装在4 , - - - , 9 盘鼓后安装边上固紧，把高压涡轮转子前安装边固定在压气机上， 并用螺栓和螺帽轴向固紧。封严环的篦齿是一个具有五个不等直径斜篦齿。为减小气动 激振，在前端第一个篦齿下装有一个开口钢丝环。 3 1 4 技术要求 盘鼓组合件装配后要保证的技术要求，以前轴径上外圆和端面为( d 、为基准， 前鼓筒上一级盘端面和内孔跳动0 0 3 m m ，后鼓筒上四级盘叶片周向槽跳动0 0 4 r a m ，九 级盘叶片周向槽内跳动0 0 4 m m ，篦齿盘端面和止口出跳动0 0 3 r a m 见图3 1 以表面a 、b 为基准各级叶片的叶尖中径位置处的跳动都应在o 0 5 r a m 以内，1 - - - 9 级叶片组合磨叶尖，要求叶片在甩开状态磨削，模拟工作状态，叶片叶尖倒圆抛光，粗 糙度r a o 8l im 。，见图3 2 前后鼓筒上各止口的跳动值对基准a 、b 的跳动都应0 0 5 r a m 以内，与模拟高压涡轮 转子组合技术要求见下图3 3 ；盘鼓组合件的初始动不平衡量在4 、9 级盘的校正面上应 不大于4 6 0 0 9 m m ；高压压气机转子在4 、9 级校正面上的最终许用不平衡量应不大于 3 0 0 9 m m 。见图3 3 高压压气机转子装配和平衡工艺方法研究 图3 。1高压压气机鼓筒装配图 f i g3 1h i g h - p r e s s u r ec o m p r e s s o rd r u mt u b ea s s e m b l y l o _ 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图3 2 高压压气机转子叶片加工技术条件 f i g3 2 h i g h p r e s s u r ec o m p r e s s o rr o t o rb l a d ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 图3 3 高压压气机转子平衡图 f i g3 3h i g h - p r e s s u r ec o m p r e s s o rr o t o r b a l a n c ep l a n s l l 高压压气机转子装配和平衡工艺方法研究 3 2 高压压气机转子装配的工艺路线 磨1 - 一3 级叶片外径一称2 、3 级叶片质量一称一级叶片质量矩一前鼓筒( 带叶片) 动平衡一平衡3 级盘组件一选装前鼓筒和前轴径一选装3 级盘一选装后鼓筒一装引 起盘和导流叶片一选装篦齿盘一磨4 9 级叶片外径一称4 9 级叶片质量一转子 初平一安装叶片一转子动平衡 3 3 选用设备 旋转平台，鼓筒的装配过程中，各级盘接合处的跳动值检测，为各级盘的预装配做 好准备。 卧式平衡机( h l 5 u b ) ，整个压气机转子不带叶片的初始动平衡和带叶片的最终动平 衡。 3 4 盘鼓组件的装配 装配是指将若干零件与部件以技术标准要求，连接固定组成机器的方法和过程【2 4 1 。 装配不仅是对组成零件制造质量的检验过程，而且还直接影响到发动机的寿命和性能。 装配和平衡，看似不相关联的两道工序，实际却有紧密的关系。要想控制好初始不平衡 量，以达到理想的范围，制定合理有效的装配工艺非常重要。 首先，为了减少组件的不平衡力及力矩，在装配之前对组成转子的各个重要转动件 都要进行初始平衡，以供装配耐参考( 见表3 1 ) 。 表3 1 各单件平衡方式和补偿方式汇总表 t a b3 1t h eu n i tb a l a n c ea n ds u m m a r yc o m p e n s a t i o nt a b l e 大连理工大学专业学位硕士学位论文 在表格内的各部件中，轴颈和篦齿盘的质量较轻。在机加工序中，质量分布也比较 均匀，存在的不平衡量相对较小。但轴颈是整个高压压气机的基准，且轴颈是薄壁件， 容易变形，所以虽然其不平衡量很小，但定位面的基准就非常重要了。与轴颈配合的一 二级鼓筒与三级盘在工序平衡中也可以通过叶片称静力矩的方法对其原有的初始不平 衡量进行校正补偿。所以其中对组合件不平衡量影响最大的主要是四一九级鼓筒，由于 它每一级都是用摩擦焊机焊到一起的，内外的型面也很复杂，难于加工，所以很容易对 质心存在偏差。而且它的高度也很高，经常会产生偶不平衡的状态。同时它的质量又是 最重的，一般都在5 3 5 公斤左右，相对径向跳动偏移影响也就非常的大。我们可根据 不平衡量计算公式c - e = m 1 - 来计算后鼓筒的安装误差对不平衡量的影响，假设鼓筒相对于 旋转中心轴线偏移0 0 3 r r 岫的话，5 3 5 k g 3 0 u m 2 1 2 m m = 7 5 9 可见0 0 3 r a m 这麽小的 偏移，就会在转子的跳动产生1 6 0 5 9 m m 平衡量，也就相当于2 1 2 m m 的半径处填加了7 5 9 的质量，这就可以说明装配调整对平衡量的影响有多大。正常的规范装配方法是，前鼓 筒三级盘的轻点与后鼓筒的轻点方向相反安装，根据矢量平衡的条件，要使它们的不平 衡量相抵消。但剩余不平衡量已经很小的前鼓筒对后鼓筒的影响不是很大。如果破坏前 鼓筒的不平衡量以抵消后鼓筒，虽然转子整体组件不平衡量减少了，但可能会导致转子 内应力的增大，是不能忽视的隐患，对发动机也会有较大的危害。相比之下，通过跳动 调整的效果会更有效。 由上面的公式就可知道，对于初始不平量较大的鼓筒，可以先对它的跳动值测量后 选择装配方法。根据平衡的轻重点与连接的盘对点补偿，而且将三级盘外圆跳动的低点 有选择的偏向于鼓筒的重点，即后鼓筒重点处于外圆跳动值的低点。利用跳动弥补不平 衡量，再对连接用的螺钉进行称重补偿。虽然说这样会比较麻烦，而且有时还需要有多 台鼓筒和螺钉来供选择，但却可以有效的减少转子的初始的不平衡量，同时也增加了平 衡的速度，工作效率也就提高了。 为保证高压压气机转子组件的初始不平衡量。在装配之前，首先完成了1 - - - 9 级叶 片的外径磨削工作，前鼓简装上叶片后进行动平衡，允许残余不平衡量3 0 0g 咖，记录 重点位置。三级盘装上叶片后进行静平衡，允许残余不平衡量3 0 0 9 册。装配时按带叶 片平衡的不平衡量进行装配。 3 4 1 前鼓筒和前轴径的装配 因为整个盘鼓组件的基准为前轴颈上的基准a 、b ，在检测夹具上我们选用了旋转 平台上配合一个转接座，此转接座在研制过程中经过了一定的改进。在以前的基础上增 加了找正用的芯棒，因为零件的跳动测具底座找正时，如果找正芯棒与零件的直径的实 高压压气机转子装配和平衡工艺方法研究 际值相差的多，对测量的结果有一定的影响，为了消除这样的影响，对找正芯棒进行了 分组。轴颈的尺寸公差为1 2 5 5 2 7 0 川，对此公差分成了三组，见表3 2 表3 2 芯棒分组表 t a b3 2 p l u gd i v i s i o nt a b l e 芯棒尺寸 ( 单位：m m ) 可代表的轴颈尺寸 ( 单位：r m ) 1 2 5 5 2 5 m 1 2 5 5 2 0 1 2 5 5 1 6 1 2 5 5 2 3 1 2 5 5 2 7 中1 2 5 5 1 8 1 2 5 5 2 2 中1 2 5 5 1 4 1 2 5 5 1 7 1 ) 注：测量温度为摄氏2 0 。c 。 这样，对于不同的轴颈，实际的差值在0 0 0 2m m 的范围内，从而最大限度的减少 了测量误差。 前轴颈与前鼓筒的配合为过盈配合，装配前检查各配合尺寸，特别是转接圆弧和倒 角，防止装配时发生干涉。要将其装配到一起，采用将前轴颈加温的方法，将6 0 个螺 栓每隔一个孔安装在前鼓筒组件的联接孔内，螺栓的重量有严格的限制，任意两个螺栓 重量差不能大于0 1 9 。将前鼓筒组件装到夹具上，将加热后的前轴径上的连接孔对正一、 二级盘组件上逐个露出的6 0 个螺栓后压入一、二级盘组合件上，至顶住为止，并调整 6 0 件螺栓尾部端面至顶住，恢复到室温。将前轴径上第一孔标记转移到前鼓筒外圆表面 上。见图3 4 图3 4 前轴径、三级盘、后鼓简装配图 f i g3 4 t h ef r o n tp a t h w a yo f a x i s 、a f t e rt h et h r e e - t i e rd r u mt u b ea s s e m b l y 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 4 2 三级盘和后鼓简的装配 接下来准备装三级盘，三级盘与轴径的配合为过盈配合，装配前检查各配合尺寸， 特别是转接圆弧和倒角，防止装配时发生干涉。将三级盘加热到1 7 7 。c ，保温3 0 - - , 4 0 m i n ， 检查三级盘和前鼓筒的重点位置标记。使三级盘重点的标记，与前鼓筒上二级盘上的重 点标记错开1 8 0 。，将6 0 件螺栓插入三级盘孔内，待所有螺栓逐个露出后，将三级盘装 入前轴颈组件上。这时采用了不平衡量抵消的方法，把三级盘组件与前鼓筒上的剩余不 平衡量位置进行对点装配来抵消一定的不平衡量。装三级盘是本次鼓简装配的关键所 在，装配之前先检查后鼓筒上的跳动分布情况，分两种情况研究，见图3 5 图3 5后鼓筒跳动分布图 f i g3 5 t h eb e a t i n go fb a c k d r u m sr o b em a p ( 1 ) 第一种情况 当四、九级盘榫槽的跳动高点都分布在a 1 r a 3 或a 2 a 4 的范围内，即可视为同 相跳动。装配三级盘时，主要控制其盘面的水平跳动值，一盘要在0 o l m m 以下，对其 中心轴线的不重合度，一般视情况可在0 0 2 5 - - 0 0 3 m m 的范围内。装配时，在后鼓筒上 找出四级盘止口处的高点，应与四、九级跳动的高点相对，再找出三级盘的内止口处的 低点，重合装配，能保证四、九级盘的跳动值要求。 ( 2 ) 第二种情况 相反，情况要复杂一些，当四、九级盘榫槽的跳动高点分别分布在h l a 2 或a 3 厂、a 4 的范围内时，即可视为异相跳动。装配三级盘时，主要控制其三级盘中心线与组件 高压压气机转子装配和平衡工艺方法研究 旋转轴的重合度，要控制在0 o l m m 以下，三级盘端面的水平跳动应控制在0 0 2 5 - - 0 0 3 的范围内。在水平转台上，检查后鼓筒的跳动分布，可以在鼓筒的四级盘端面垫一定量 的塞尺，来检查四、九级盘榫槽的跳动与九级盘止口的外圆跳动和端面跳动，合格后在 垫塞尺处做好标记，在三级盘相应高点处做好标记，因为后鼓筒与三级盘只有1 2 个位 置可以装配，所以这给装配也带来了一定的困难，按标记重合装配，按要求将6 0 个螺 母打紧限力后，检查各处的跳动值，合格的比率比较大。 装配时用干冰冷却四九级组合件前安装边，使四九级组合件冷却到一6 0 ，并 保温2 0 - - 3 0 m i n ，将压装上三级盘组前轴颈组合件加热到1 7 7 ，保温3 0 - - , 4 0 m i n ，称 6 0 件螺母的重量，要求任意两个螺母的质量差不大于0 0 5 9 。将压装上三级盘组前轴颈 组合件装到夹具上，然后将四九级组合件连接孔插入螺栓内，迅速装到三级盘上至顶 住，并恢复到室温。用普通扳手对点交叉拧紧螺母固紧，然后对点松开螺母5 1 0 。， 用限力扳手对点交叉将螺母拧紧达限力，拧紧力矩。 3 4 3 篦齿盘的装配 篦齿盘与后鼓筒的九级盘的配合为过盈配合，装配前检查各配合尺寸，特别是转接 圆弧和倒角，防止装配时发生干涉。称4 8 件螺栓重量，要求任意两个螺栓的质量差不 大于o 1g ，将螺栓放入后鼓筒连接孔内，使螺栓上弹簧片卡到轮盘端面上，将篦齿盘 加热到1 7 7 ，保温2 0 - - - 3 0 m i n ，篦齿盘的重点位置和后鼓筒的重点方向错开1 8 0 。，将 4 8 件螺栓装入篦齿盘连接孔内，待所有的螺栓逐个漏出后，迅速将篦齿盘压装到后鼓筒 上至顶住为止。恢复到常温。 检查图3 1 的技术条件，不合格重新调整重新装配。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 4 高压压气机转子的平衡 4 1 前鼓筒平衡 平衡前鼓筒前先将平衡夹具平衡，不平衡量不大于i g 。m i f i 。前鼓筒在装叶片前先进 行一次动平衡，记录不平衡量大小和位置，一、二级叶片外径粗加工完后，叶片外径留 0 2 m m 余量，称一级叶片重量矩并排序，依据前鼓筒初平时一级盘的不平衡量xg ，计 算出一级盘平均半径处的不平衡量xg m m 。将一级盘平衡半径处的不平衡量xg m m ， 输入静力矩测量仪，按盘和叶片组件不平衡量最小优化叶片排序，装配时按优化结果安 装叶片。 二级叶片采用称重的方法，将叶片重量精确到0 o l g ，将叶片按质量递减的次序进 行编号，再按一轻一重的排列，安装时考虑用叶片质量抵消盘的不平衡量，最重的叶片 装n - - 级轮盘的轻点对应的榫槽内。前鼓简装上叶片后进行初始动平衡。 以基准a 、b ( 二级盘止口) 装配到平衡工装上，采用过盈配合，装配时用干冰冷却 二级盘止口，保温2 0 - - 一3 0 m i n ，或用液氮冷却二级盘止口，保温约5 m i n 。将平衡夹具置 于止口上压紧，允许用铝棒将平衡夹具与一、二级盘配合面对点轻轻打靠。等待2 0 - - 3 0 m i n ，使一、二级盘止口温度恢复室温。用2 0 个螺钉将平衡夹具交叉拧紧至接触，并 固紧，限力时，对点交叉松开，用限力扳手十字交叉打限力。找正一、二级盘组合件 平衡夹具配合表面跳动不大于0 0 1 5m m ，压紧表面( d ，拧紧螺母，连接好联轴节。 平衡前检查零件表面跳动。检查m b t 、m b u 两个校正平面的不平衡量各不大于x g m m ， 通过串动一、二级叶片达到平衡精度x g 咖。然后精磨一、二级叶片外径，再对前鼓筒 ( 带叶片) 进行最终动平衡，通过串动一、二级叶片使m b t 、m