叠加投影装配技术发展及应用

王娜　杜立峰　郭作燃　孙逍遥　王欢

摘 要：航空发动机转子结构是多样的，结构特性则决定装配工艺路线，发动机转子装配依靠人工、采用简单的高低点抵消的方式装配，时常出现不能满足技术要求的现象，调整工作量大，装配精度、效率低，可控性较差。国外某先进发动机装配专用台架采用气动定心结构，并配带叠加投影装配软件和数据采集系统，具有定位精度、检测精度、装配质量和效率高等优点。

关键词：转子；叠加投影；装配

中图分类号：V231 文献标志码：A

0 引言

航空发动机转子作为发动机的动力系统，直接影响航空发动机的性能，如推力、振动等。航空发动机旋转产生高压，它的转子由多个堆叠在一起的部件组成，所以每个部件的回转轴理论上应该与整个发动机的轴线重合。大型发动机高速的旋转速度大于10000rpm，任何轴向和径向跳动引起的不平衡都会对发动机造成重大影响，因而保证各部件堆叠后的同心度是安装的难点。

航空发动机转子结构较为复杂，目前转子均采用分段制造，然后通过止口与孔由螺栓装配组合成转子。转子要求有精确的尺寸精度和形位公差，以减小整个转子装配后各主要支点之间的形位公差，从而降低转子高速运转时发动机的振动。发动机振动多由绕轴线的不平衡质量和转子偏心引起，如何控制转子零件装配精度，进而提升转子整体精度成为研究重点。

航空发动机转子一般划分为四大转子，即低压压气机转子、高压压气机转子、高压涡轮转子和低压涡轮转子。自三代航空发动机开始，在结构上，高压压气机、高压涡轮转子采用一体式设计，即高压压气机转子和高压涡轮转子间通过螺栓连接成一整体，通常称之为核心机转子。低压压气机转子一般不超过四级，主要由盘、鼓筒、前轴颈、后轴颈组成，高压压气机转子由多级盘、鼓筒、前轴颈、篦齿盘、鼓筒轴及连接件组成。压气机转子零件间采用螺栓连接结构。高压涡轮转子主要由涡轮盘和后轴颈等组成，涡轮盘前带有短轴和安装边，通过螺栓与高压压气机转子联接成一体。低压涡轮转子主要由低压涡轮盘和低压涡轮轴组成。

为保证转子在整个转速范围内具有良好的定心和刚性，各零件的止口配合关系依据强度计算结果进行选取，连接螺栓与安装孔采用小间隙配合。

每个转子分段不可避免地存在两端止口的同心度和孔平面的平面度的制造误差，从而导致发动机转子在轴承处产生的累积误差可能超过规定值。而减小偏心的途径有两种：

（1）减小各个转子段的制造误差。

（2）合理装配转子段，使得累积误差最小化。

随着航空发动机的发展，发动机转子件制造精度要求大幅提高，制造难度加大，通过减小制造精度来提升转子精度的难度相当大，成本也将大幅增加。因此，提升转子装配质量，控制转子整体公差，必然成为提升发动机的关键环节。

传统的解决方法是按照转子组成零部件的不平衡相位交错180°装配。组成零部件首先进行平衡，测量不平衡相位和幅值，该平衡一般在低转速下进行，在转子工作状态（一般转速相差10倍以上），并受到工装夹具、安装等因素影响，不平衡相位和幅值是否与工作状态一致存在疑虑，按此方法装配的转子常出现“曲轴”和“香蕉”型误差，严重影响转子偏心，导致发动机振动过大等问题。

因此，需要更先进、更优化的装配技术来解决该问题。

1 先进装配技术和设备发展和应用成果

叠加投影装配技术是目前转子装配类较为先进的装配技术，国外对于转子装配技术的研究发展较快，叠加投影装配技术具备成熟的理论基础。目前该类装配技术已长足地应用于航空转子装配中，并取得良好效果，该技术的应用有效地提高了转子装配的准确性和稳定性，并成功地提高了转子装配的效率，对于避免反复装配增加装配周期和降低发动机成本有着重要的作用。

目前叠加投影装配所采用的设备为专用设备。英国Taylor Hobson公司将该技术转化为实际应用系统，即叠加投影装配系统（简称SPS），在全球航空发动机和燃气轮机的涡轮、压气机转子装配中大量应用。

通过应用叠加投影装配系统，发动机零部件实现了装配关系的矢量优化，即优化转子装配时各部件（段）之间的相互装配角度，以达到轴心偏离最小的目的，也使转子装配技术呈现出轻量化、整体化、系统性、高效性，装配工作趋于简单化，从根本上改变了传统的工作模式、方法和手段，检测范围、检测精度发生了质的变化，目前该设备也是较为先进的专业用于叠加装配的专用设备。

2 叠加投影装配技术的可应用性

叠加投影装配系统能自动收集零件及预测装配数据，主要包括跳动、同心度、垂直度、平行度和平面度，同时，在计算机和软件的协助下，能明显减少人工判读的任务量，还降低了读数造成的误差，最重要的是转子零件测量和预测技术能够对组合在一起的各零件通过测量和计算确定出最佳的相对装配位置。转子零件测量和预测技术应用到高压转子装配和平衡，由精密仪器测量和计算得到各盘鼓、叶片最佳的相对装配位置，避免人工操作的误差，提高装配精度和质量，同时，也大幅提高装配效率。

叠加投影装配系统是一种工业中的强化引擎定位调整系统。系统采用位于仪器杆上的多套精密仪器测量头来确保系统测量前快速而准确地安置与准备工作。其特有的“旋转式”仪器测杆使得操作者能够以快速而安全的方法来装卸工件。其功能概括如下：

（1）空气轴承主轴径向和轴向精度高于0.125um。

（2）整套的调心与调倾功能，负载能力高。

（3）低式工作台有助于组装与堆砌。

（4）多个仪器测测头（8项可选操作功能），4种仪器模拟测量。

（5）灵活的旋转式仪器测头便于安全的装卸工件。

（6）容易安装且生产车间程序化的Aerospect组装堆砌预测软件。

（7）软件操控的调心与调倾。

（8）测量参数包括平面度、圆度、同轴度、垂直度、平行度等。

3 应用前景

国外发动机转子采用该项装配技术，利用转子件之间的偏差进行互补形成了整个转子的可靠，装配质量和可靠性大幅提升，装配可控性大幅提升。

通过使用叠加投影装系统，有效降低单件的加工精度要求，从而降低了对单个零件制造精度的要求，使生产制造更容易保证制造精度，大大减小了组装堆砌时间，而且优化发动机的性能，提高了生产制造效率，降低了消耗。

通过此系统安装的发动机可以基本使发动机处于最佳安装位置，大大减小误差。每个部件的数据都可以保留，每次安装前都可以进行预测，工人只需根据预测的方向安装即可，效率非常高。

同等精度的零部件，通过使用叠加投影装系统装配形成的转子，可有效控制“曲轴”和“香蕉”型等误差，转子装配状态远优于采用传统装配方法装配形成的转子。

据有关资料介绍，采用传统方法装配转子，耗费大量的时间，返工的可能性大，非常影响安装的效率和一次成功率，一般一次成功装配需要2d～3d，采用叠加投影装系统安装转子只需要1d，而且一次成功率可达95%以上。

叠加投影装性能表现为：节省40%安装时间和费用，95%的一次安装成功率，可预测安装进度，减小转子和静子之间的间隙，增加发动机稳定性，降低发动机振动，增加发动机寿命，减少两次维护之间的时间，节省发动机燃料消耗，减小CO2排放，减小发动机噪声污染。

結论

（1）采用传统装配技术装配的转子已不能满足公司目前先进发动机制造和研制需求，叠加投影装配系统作为国际先进装配技术，经过多年研究与应用已完全成熟，诸多国际著名发动机制造商通过采用叠加投影装配系统，转子装配质量、效率以及发动机振动等性能都得以显著提升。

（2）叠加投影装配系统作为国际转子装配先进技术，它对转子装配质量、效率以致发动机整机性能的提升带来新的发展和提升。

（3）为确定该技术的成熟程度和在其实际装配中的应用效果，仍然需要在进一步的设备应用中进行探索分析并得出使用效果。

参考文献

[1]《航空制造工程手册》总编委会主编.发动机装配与试车[M].北京：航空工业出版社，1994.