单位文秘网 2021-07-04 01:04:33 点击: 次
1.绪论
RB211-535E4系列发动机独特的三转子结构使各转子均能较好地处在恰当的叶尖切线速度下工作,提高转子效率的同时,降低了燃油消耗率。在相同的增压比条件下,减少了压气机和涡轮级数和各级叶片数量,从而使转子的长度得以缩短,以保证转子良好的刚性,降低发动机质量。此外,形成独立的中压转子结构,有效地提高发动机的起动、加速性能和喘振裕度。
但是,三转子结构带来了较多技术难题,如转子结构复杂,增加拆装难度;轴承润滑不理想;轴承腔室滑油封严结构复杂,易产生漏油问题;以及N3转子振动超限的问题。尤其是N3振动问题,在维修过程较为常见。随着该发动机老龄化日益加剧,N3振动问题也日显突出,困扰着发动机的按期交付。
本文将结合对该型发动机的N3振动分析和维修经验,从典型转子零件配合尺寸的恢复和控制角度,简要分析控制N3振动的修理工艺改进。
2.RB211-535E4发动机N3转子结构
RB211-535E4发动机N3转子由6级高压压气机和单级涡轮转子组成,采用1-0-1双轴承支承方案,如图2-1所示。由于转子各段零件采取刚性连接,各连接点均是影响N3振动的位置。根据转子直线装配理论,除前后轴承位置和位置1的端齿配合面外,位置2至4均为大直径配合尺寸,对转子装配同轴度的影响较大。
位置2:该发动机N3轉子主要采用了“Spigot”零件联接方式,HPC 1-2级转子盘和后转子鼓的内外配合直径,通过HPC 3级转子盘,以一定的过盈配合进行定位联接,采用拉杆螺栓紧固。
位置3:与位置2类似,HPC后鼓与HPT盘的联接同样采取了“Spigot”结构,配合直径以过盈配合定位联接,并用拉杆螺栓紧固。
位置4:HPT盘后安装边与后短轴安装边的联接同样由“Spigot”结构联接定位并用拉杆螺栓紧固。另外,在两零件安装边的配合平面采用了独特的微花键结构(细密划痕),可使接合面上的摩擦力沿周向均匀,受热状态下盘与短轴保持同心。
根据该发动机各项设计特性,N3转子各零件之间的联接定位、紧固方式和扭矩传递方式等方面均有着较独特的设计。该结构为该发动机的高效运转提供了有力保障,但在转子振动方面为修理和装配工艺提出了极高的要求。
3.影响N3振动的因素及维修工艺的改善方法
RB211-535E4发动机N3转子产生振动超限问题的主要原因在于各主要转动零件间的尺寸配合状态和同轴度不好,从而会导致转子的测量装配和配平测试得到不理想的结果。另外,转子常常在装配过程的跳动量和动平衡能够满足手册要求,但发动机装配完成后的台架试车结果存在N3振动超限的问题。
虽然转子长度较短,但由于对同轴度偏差极为敏感,因此转子零件的同轴度需要保持极高的要求。以尺寸最长的HPC后转子鼓为例,采用气动旋转平台和0.0025mm精度的电子跳动量测量设备测量前配合直径的圆度要求小于0.005mm。再以其作为基准轴测量后配合直径同轴度要求小于0.025mm。
为了尽可能减少转子装配跳动量,除保证八点法相应位置点的数据符合要求外,同时要确保配合直径上不存在超出公差极限的高点。
4.RB211-535E4发动机高压压气机3级转子盘配合直径恢复修理的工艺改善
从图2-1中可以看出,高压压气机3级盘通过其前后配合内径与HPC 1-2级盘和HPC后鼓过盈配合,并通过端齿与前短轴啮合联接。因而,该转子盘是N3转子传递推力和扭矩的核心零件,在转子轴向和径向定位以及周向角度调整均起到重要作用。同时,N3转子的不平衡量将通过该转子盘前端齿传递至高压转子前定位轴承。
根据发动机手册相关检查章节的尺寸要求,对于前后配合内径尺寸超出磨损极限,则需执行等离子喷涂修理FRS4315恢复内径配合尺寸。喷涂后的机加工直径尺寸应满足尺寸公差、配合公差和形位公差要求,并且兼顾涂层厚度控制。最终机加工步骤决定了零件配合直径跳动量和采用直线装配法转配的转子同轴度的关键环节。
参考FRS4315修理规范,零件的加工基准为HPC 3级盘前端齿外径和端齿节线,与转子跳动量、动平衡测量的基准相同。端齿结构通过凸凹齿精准的啮合,可实现精确的自动定中心,而且互换性较好。常规修理规范中要求使用HU24855作为定位工装进行喷涂前后的机加工步骤。该工装以HPC 3级盘榫槽区域的前后端面作为夹持固定面,加持面积大,较为稳定。但是,从定位和校准的角度看,首先通过此工装的夹持固定后,很难实现对端齿基准的校准,无法实现对HPC 3级转子盘的定位。
通过对零件结构、高压转子装配、跳动量测量、转子平衡以及转子在发动机运行中的定位和传力关系的分析,HPC 3级盘端齿不仅是其自身的定位基准,同时还是N3转子的重要基准之一。
因此,使用HPC转子跳动量检查定位工装HU28950/3和HU28909/2,为HPC 3级盘进行定位,并使用安装定位螺栓BLT5176定位,拉杆螺栓BLT4135将两端齿紧固,如图4-1所示。由于该工装是以转子盘的端齿进行固定,紧固位置较加工位置距离轴线较近,切削点力臂比紧固点力臂长很多。但从机加工工艺角度分析,零件材料硬度不强,加工进刀量很小,且对涂层的精加工阻力较小。为了证明加持的稳定性,通过模拟加工,并对基准和加工位置使用千分表监测零件在受机加工力的作用下未产生位移,证实了端齿定位的稳定性和可靠性。
为了验证通过此项改进工艺恢复的配合直径的同轴度和跳动量,根据N3转子装配章节的HPC 3级转子盘跳动量测试规范SUBTASK 72-41-30-440-003,进行恢复后的配合直径进行跳动量检查。由于跳动量测试采用的气动平台和电子跳动量测量设备精度高于机加工设备,测试数值与加工时所得数值存在细微差别,但基本保持一致,印证了改善工艺的有效性。
5.RB211-535E4发动机高压压气机后转子鼓各配合直径恢复修理的工艺改善
高压压气机后转子鼓是N3转子最长的零件,同时由于其结构特点,在配合直径恢复修理中的机加工环节对零件配合直径的同轴度和跳动量影响较大。与高压转子其余主要转动零件相比,若该零件的前后配合直径的同轴度不理想或存在材料高点,那么对整个高压转子的跳动量和不平衡量都会产生很大的影响,从而较大程度上会增加N3振动超限的风险。
根据HPC后转子鼓的前、后配合直径恢复的修理规范(FRS5093和FRS5112)的要求,HPC后鼓的前配合直径在跳动量测试中要求其圆度不大于0.005mm,以其为基准,测量后配合内径的同轴度和跳动量。另外,此零件前部直径较大,后部直径逐渐减小的结构特点,对前安装边配合直径进行机加工造成了一定的困难。
由于该零件的结构特点,为简化机加工工艺,以零件后端面为加工的基准平面,与工装平面配合,使用长螺杆和圆形压板压紧4级转子板内孔前端面。由于加工位置位于零件的最上部,雖然便于控制进退刀操作,但定位与固定方式缺乏稳定性,在切削力的作用下,极大地影响了配合直径同轴度和跳动量。
结合零件结构特点,为减少机械加工产生的不稳定因素,采取倒置零件,紧固转子鼓的前安装边进行机械加工。使得转子鼓在加工过程中尽量接近于动平衡测试和试车运转时的状态,如图5-3所示。经初步改进后的测试结果表明,由于圆形压板的加持位置较高,仍存在零件加工的加持稳定性问题。同时加持方式会转子鼓整体结构产生弹性挤压变形,导致零件加工过程中测量的尺寸与自由状态下的尺寸及形位公差存在一定差别。为消除这一加工尺寸差异,经测试采取与装配方式相近的扇形压板和螺栓固定方式,使加持力均匀施加在前安装边上,如图5-4所示。由于安装状态与试车运转方式几乎一致,加工过程也未对零件结构造成挤压弹性变形,零件在自由状态和装机状态下的形位尺寸不会造成差异影响。
6.结论
综上,通过对RB211-535E4发动机高压压气机 3级盘和后转子鼓配合直径的机加工工装的替代和改善,加工稳定性得到了极大的提高,并且加持状态与装机运行状态基本一致,零件不论是在装夹状态和自由状态,所加工直径的同轴度、跳动量均有较大的改善。根据转子直线装配法理论,不仅在装配过程中减少了由于转子直径配对导致的困难,更主要地是装配后的高压转子具备了良好同轴度,极大地降低了N3振动超限的风险点。
(作者单位:北京飞机维修工程有限公司)
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