白志剛，印雪梅

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)間隙控制是指對(duì)轉(zhuǎn)靜子軸向間隙和徑向間隙的控制，合理的設(shè)計(jì)間隙對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度與提高使用可靠性有著十分重要的影響。資料顯示，轉(zhuǎn)子徑向間隙增大，導(dǎo)致壓氣機(jī)流量、壓比、效率和喘振裕度下降，每增大1%轉(zhuǎn)子葉尖相對(duì)間隙，級(jí)效率下降1．5%；葉尖間隙過(guò)小會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)抱軸、轉(zhuǎn)靜子碰磨等故障。因此，合理控制葉尖間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率和可靠性有著十分重要的影響。

1 徑向間隙的設(shè)計(jì)

葉尖間隙設(shè)計(jì)研究工作是一項(xiàng)系統(tǒng)而又專(zhuān)業(yè)的綜合設(shè)計(jì)工作，它涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的多個(gè)部件和多個(gè)專(zhuān)業(yè)，同時(shí)又受到多種使用因素的影響，如果考慮不全，設(shè)計(jì)的間隙可能和實(shí)際相差很大。

式中：pS—工作間隙；mS—安裝間隙，即冷態(tài)設(shè)計(jì)間隙；

cδ—機(jī)匣徑向變形；dδ—盤(pán)徑向變形；bδ—葉片徑向變形；yδ—盤(pán)、葉片軸向變形對(duì)徑向間隙的影響。

以圖1所示大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉尖間隙設(shè)計(jì)為例，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計(jì)間隙為1．4～2．0mm，按照1式計(jì)算所得工作間隙最小為0．05mm。

表1為該大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的間隙，從表中可以看出，間隙的平均值為1．82mm，符合設(shè)計(jì)要求1．4～2．0mm，但從測(cè)量的正上、水平右、正下、水平左四個(gè)位置上的間隙值可以看出，局部間隙大于2．0，間隙周向差異大，局部存在超差，另外，試車(chē)后風(fēng)扇機(jī)匣涂層出現(xiàn)局部磨損。

表1 裝配間隙值

圖1 風(fēng)扇部分的轉(zhuǎn)靜子連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 問(wèn)題分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的葉尖工作間隙由安裝間隙、穩(wěn)態(tài)載荷、振動(dòng)載荷等因素共同決定，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙周向不均和機(jī)匣涂層磨損，結(jié)合大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)重點(diǎn)影響葉尖間隙因素進(jìn)行分析，具體如下。

2.1 葉尖間隙周向局部超差復(fù)查

安裝間隙是影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作間隙pS重要因素之一，風(fēng)扇機(jī)匣變形，轉(zhuǎn)靜子同軸等因素會(huì)影響葉尖間隙的周向均勻性，分別予以考慮，具體如下。（1）風(fēng)扇機(jī)匣變形復(fù)查。風(fēng)扇機(jī)匣裝在中介機(jī)匣前部，風(fēng)扇機(jī)匣為大尺寸薄壁件，懸臂長(zhǎng)，裝配狀態(tài)測(cè)量風(fēng)扇機(jī)匣涂層柱面跳動(dòng)將近1mm，復(fù)測(cè)新加工機(jī)匣的跳動(dòng)，發(fā)現(xiàn)跳動(dòng)普遍大于0．5mm，超過(guò)圖紙要求的0．2mm。復(fù)查加工工藝發(fā)現(xiàn)，新件加工完成，直接在機(jī)床上檢查跳動(dòng)。分析認(rèn)為：由于加工應(yīng)力、輔助支撐等因素存在，機(jī)匣自由狀態(tài)放置一段時(shí)間后，應(yīng)力釋放，機(jī)匣發(fā)生較大變形，導(dǎo)致跳動(dòng)增大。（2）轉(zhuǎn)靜子同軸度復(fù)查。為了掌握發(fā)動(dòng)機(jī)承力構(gòu)件的變形、裝配中支點(diǎn)同軸度的實(shí)際情況，以承力機(jī)匣后止口為基準(zhǔn)測(cè)量前、后支點(diǎn)軸承座跳動(dòng)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可以看出，前支點(diǎn)跳動(dòng)0．03，符合設(shè)計(jì)要求，后支點(diǎn)跳動(dòng)為0．05，超差0．01；經(jīng)計(jì)算分析，前支點(diǎn)位置度為0．01，后支點(diǎn)位置度為0．02，轉(zhuǎn)靜子同軸度在0．02內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)葉尖周向間隙的影響可忽略不計(jì)。

表2 前后支點(diǎn)跳動(dòng)值

2.2 風(fēng)扇機(jī)匣涂層磨損復(fù)查

為查明風(fēng)扇機(jī)匣涂層磨損的原因，對(duì)設(shè)計(jì)間隙、發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性進(jìn)行復(fù)查，具體如下：（1）設(shè)計(jì)間隙復(fù)查。首先復(fù)查風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片冷態(tài)間隙，風(fēng)扇葉片葉尖帶一定的傾斜角，安裝間隙計(jì)算需考慮徑向和軸向影響因素，首先固定風(fēng)扇葉片與風(fēng)扇機(jī)匣的相對(duì)軸向位置，在徑向方向上考慮影響間隙的因素，然后，在軸向方向上，考慮軸向串動(dòng)對(duì)徑向間隙的影響，通過(guò)尺寸鏈計(jì)算，風(fēng)扇葉片的安裝間隙在1．4～2．0mm之間，與圖紙要求相同，根據(jù)公示（1）計(jì)算的熱態(tài)間隙準(zhǔn)確無(wú)誤。（2）可靠性復(fù)查。對(duì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性的重要因素進(jìn)行復(fù)查，低壓渦輪帶動(dòng)低壓風(fēng)扇工作，風(fēng)扇軸需將渦輪輸出的功傳遞給風(fēng)扇盤(pán)，進(jìn)而帶動(dòng)低壓風(fēng)扇工作，因此，需對(duì)風(fēng)扇軸與風(fēng)扇盤(pán)工作的可靠性進(jìn)行復(fù)查。

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)扇軸與風(fēng)扇盤(pán)選擇止口定心，螺栓壓緊的連接形式。過(guò)盈聯(lián)接的可靠性取決于實(shí)際過(guò)盈量、傳遞載荷所需的最小過(guò)盈量和聯(lián)接件不發(fā)生塑性變形或斷裂所允許的最大過(guò)盈量之間的關(guān)系，過(guò)盈配合的失效包括工作時(shí)配合面上產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)、風(fēng)扇盤(pán)塑性變形、風(fēng)扇軸產(chǎn)生塑性變形三種形式。如果分別用T1(X)、T2(X)和T3(X)來(lái)表示這三個(gè)事件不發(fā)生的概率(可靠性)，則整個(gè)配合系統(tǒng)的可靠性可表示為：T(X)=T1(X)·T2(X)·T3(X)。假設(shè)它服從正態(tài)分布，通過(guò)分析計(jì)算，將止口配合設(shè)計(jì)為過(guò)盈量為0．106～0．19mm的基孔制配合。風(fēng)扇盤(pán)和風(fēng)扇軸壓緊力的設(shè)計(jì)，需考慮扭矩，氣動(dòng)力，機(jī)動(dòng)飛行引起的慣性力和陀螺力力矩等各種載荷引起的軸向松弛力和壓緊力，保證裝配擰緊力矩全狀態(tài)滿足摩擦傳扭的要求，經(jīng)過(guò)計(jì)算，周向分布30個(gè)螺栓，預(yù)緊力不小于100N·M時(shí)，可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦傳扭的需求。

查閱國(guó)外成熟民用大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，如CMF56系列發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇盤(pán)和風(fēng)扇軸的配合方式及螺栓數(shù)量與本文方案相同，預(yù)緊力不小于80N·M，止口過(guò)盈量多在0．06～0．19之間。另外，本方案發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)過(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定，振動(dòng)符合設(shè)計(jì)要求，因此認(rèn)為，本文風(fēng)扇軸和風(fēng)扇盤(pán)的連接方案可靠。

2.3 小結(jié)

風(fēng)扇機(jī)匣的跳動(dòng)值與葉尖間隙周向差異接近，轉(zhuǎn)靜子的同心度較好，對(duì)周向間隙的影響可忽略不計(jì)，因此認(rèn)為，葉尖間隙周向不均勻主要由風(fēng)扇機(jī)匣變形引起。通過(guò)風(fēng)扇機(jī)匣涂層磨損原因的復(fù)查可知，間隙設(shè)計(jì)正確，發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠，涂層磨損的原因應(yīng)為熱態(tài)間隙計(jì)算時(shí)，影響葉尖的間隙因素考慮的不全，熱彎曲、振動(dòng)等因素，對(duì)葉尖間隙的影響目前還難以量化，后續(xù)應(yīng)根據(jù)試車(chē)情況進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

3 問(wèn)題解決

增加風(fēng)扇機(jī)匣放置時(shí)間和自由狀態(tài)測(cè)量跳動(dòng)的要求，控制機(jī)匣跳動(dòng)，將風(fēng)扇機(jī)匣裝配狀態(tài)的跳動(dòng)控制在0．5mm以內(nèi)。因涂層磨損的程度輕，試車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)份少，葉尖間隙暫不優(yōu)化。表3為采用控制葉尖間隙措施后，測(cè)量得到的3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片葉尖間隙，從表中可以看出，風(fēng)扇葉片葉尖裝配間隙周向相差均在0．5mm內(nèi)，葉尖間隙周向不均的現(xiàn)象得到很大程度的控制，因此認(rèn)為，控制葉尖間隙周向不均的措施有效。

表3 采用控制措施后的風(fēng)扇葉片葉尖間隙

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)影響葉尖間隙因素的復(fù)查，得出對(duì)間隙設(shè)計(jì)有工程指導(dǎo)價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)，具體如下：（1）安裝間隙是影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作間隙pS重要因素之一，通過(guò)控制葉尖間隙相關(guān)的軸向、徑向尺寸及公差，保證各臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙好的一致性，性能更穩(wěn)定。（2）葉尖間隙周向不均同樣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性有重要影響，需注意控制機(jī)匣變形、控制轉(zhuǎn)靜子同軸度，保證間隙周向均勻。（3）風(fēng)扇軸和風(fēng)扇盤(pán)的連接方案是影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性的重要因素之一，需保證風(fēng)扇軸和風(fēng)扇盤(pán)工作可靠。（4）發(fā)動(dòng)機(jī)工作存在熱彎曲、振動(dòng)等難以定量計(jì)算的因素，理論計(jì)算所得的間隙與實(shí)際情況會(huì)有差別，可根據(jù)后續(xù)試車(chē)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

參考文獻(xiàn)：

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