航空发动机多级低涡转子叶片装配工艺设计

杨洋 龙洋 孙贵青 李昊轩 赵宇

摘 要：为解决航空发动机低压涡轮转子叶片装分操作中存在的缘板易损、叶冠错齿、装配应力大等问题，提出一种可施加平稳载荷，对叶片与涡轮盘相对轴向距离进行无级调控的新型装配工艺。设计的转子叶片装分装置，能够满足装配需求，可为发动机其他转子类似结构的装配工艺提供技术参考。

关键词：航空发动机；低压涡轮；转子叶片；装配工艺

1 概述

大涵道比涡扇发动机普遍追求大推力、大功率等性能指标。为了驱动大风扇、提高效率，涡轮结构一般采用多级低压涡轮。[1]低压涡轮转子叶片作为其中重要零件之一，不仅加工难度大，制造成本昂贵，工作时又需要在高温高压状态下运转，承载受力大，工况复杂。[2]面对如此恶劣的条件，转子叶片表面微小的损伤都极有可能被催化放大，进而产生裂纹、掉块等故障，严重威胁发动机可靠性和稳定性。因此无论从控制投入成本、生产周期亦或保障发动机性能角度考虑，转子叶片的表面质量都需要全方位严加要求。

由于结构设计特殊性，低涡转子叶片榫头安装到盘组件榫槽时，需要克服一定阻力。为避免施加装配外力造成转子叶片表面损伤，国外安装转子叶片采用专用装配工艺，而国内在该工艺研究方面一直处于瓶颈状态。[3-4]目前国内采用手动敲击叶片的装配方式，易造成叶片损伤、叶冠错齿等情况，存在安全隐患，影响装配质量。

本文基于对多级低压涡轮盘片组件的结构分析，提供了一种转子叶片的新型装配工艺，操作方式简单，在一定程度上降低了装配应力，确保发动机装配质量和性能。

2 结构分析

锯齿形叶冠为发动机低压涡轮转子叶片常用叶冠形状。由于相邻叶片间叶冠锯齿存在咬合，因此该型叶冠叶片在盘组件上的装分操作，需要整圈叶片沿盘组件同时轴向移动方能实现。

受机件加工误差、叶片间相互约束等因素影响，整圈叶片需克服一定阻力才能沿盘组件移动。而鉴于转子叶片和涡轮盘的装配结构特点和可操作性，转子叶片的外力可作用位置仅限于内缘板附近位置。国内现多采用橡胶锤或其他类似工具敲砸缘板的方法施加冲击外载：操作者首先将所有叶片榫头搭接到涡轮盘榫槽上，同时确保叶片叶冠处于正常咬合状态；准备好后手持橡胶锤，敲砸若干相邻叶片的缘板，使其轴向移动一小段距离，接着再对邻近若干叶片敲击，如此逐组进行，整圈叶片得以轴向移动一定距离，重复操作，最终实现叶片裝分。这种方法看似简单，但实际存在很大安全风险：人工施加冲击外载，难以控制施力大小，力过小无法实现叶片安装，力过大容易损伤叶片，且叶片内缘板结构较窄，强度不高，现场已多次出现缘板砸伤事故。

3 工艺设计

3.1 总体方案

转子叶片在涡轮盘组件上的装配工艺设计，主要即加载装置和支承装置两大工艺装置的设计。加载装置，主要为叶片装分提供稳定均匀载荷，受装配结构限制，仅可设置在叶片内缘板附近位置加载；支承装置，在装分过程中支承定位叶片和涡轮盘组件，具备无级调控两者相对轴向距离的功能，可适应过程中叶片和涡轮盘组件的任意轴向状态。此外，考虑到低涡的多级结构，因此该工艺设计需要具有通用适应性，加载装置和支承装置应能实现各级转子叶片的装分。

3.2 工艺原理

转子叶片装分原理见图2。利用支承装置对叶片和盘组件分别进行定位，通过加载机构对叶片内缘板根部附近位置/端面施加压力，同时配合传动机构不断调整叶片和盘间的轴向距离，最终实现叶片在盘组件上的装配/分解。

由于叶片处于盘组件径向外侧且数目众多，相邻件间又仅存在叶冠锯齿约束，故支承装置托举整圈叶片进行轴向运动实现难度较大，传动机构设计将十分复杂，相较而言，盘组件的移动更易实现，因此选定盘组件轴向移动、叶片固定作为装分操作的工作形式。

3.3 装置设计

低涡转子叶片装分工艺装置结构见图3，由加载和支承两大部分组成。加载装置主要包括压杆组件、滚轮组件、固紧螺母等；支承装置主要包括底座、叶片支承组件、盘支承组件、传动机构等。底盘为整个装置的基座，其上有螺栓孔，用于与工作台之间的固定和防转；叶片支承组件通过若干支承杆安装在底盘上，负责支承叶片；传动机构与底座连接，其外螺纹套、压杆支承套可绕中心轴各自周向转动；盘支承组件用于放置涡轮盘组件，具备与各级盘相应接口，与传动机构的外螺纹套间设有螺纹传动可以轴向移动；压杆组件在压杆支承套带动下绕中心轴做周向回转运动，其上装有滚轮组件，用于对叶片加载。

整个发明装置的动力输入有两处，分别为扳杆和压杆组件：转动扳杆，外螺纹套随之旋转，而与之有螺纹传动连接的盘支承组件由于被防转销限制无法转动，故将轴向移动，从而带动盘组件轴向运动；盘组件向上运动，而叶片受滚轮组件压制无法移动，叶片榫头将插入/移出涡轮盘榫槽，推动压杆组件带动滚轮组件绕中心轴对整圈叶片转动加载，即实现整圈叶片装分。

盘组件和叶片相对位置受支承装置限定，因此可通过调节盘支撑组件轴向进给量来控制每次滚轮滚压时叶片相对盘组件的轴向移动距离，以此避免相邻叶片移动距离相差过大造成的叶冠错齿问题。此外，滚轮在压杆组件上设有径向调节结构，能够实现低压涡轮多级盘装分的通用性。

4 结语

采用新型装配工艺，实现航空发动机低涡转子叶片的装分，避免了以往操作过程中可能出现的过大冲击力和叶冠错齿问题，操作安全性明显得以提高；此外，装置的多级接口与滚轮径向调节两项功能，实现了工艺对于多级低涡结构的通用适应性。经现场应用实践，使用该装配工艺的操作过程中载荷施加缓慢平稳，内部装配应力得以有效降低，一定程度上提高了装配质量。

参考文献：

[1]杨养花，付依顺，刘志江.大涵道比涡扇发动机涡轮结构设计关键技术分析[J].航空发动机，2009，35（3）：8-11.

[2]卫炜，周来水，安鲁陵，兰凌.航空发动机叶片型面测具快速设计系统[J].航空制造技术，2012，（11）：43-45.

[3]汤凤，孟光.带冠涡轮叶片的接触分析[J].噪声与振动控制，2005，（4）：5-7.

[4]袁惠群，张亮，韩清凯.航空发动机转子失谐叶片减振安装优化分析[J].振动测试与诊断，2011，31（5）：647-651.

作者简介：杨洋（1988-），女，辽宁海城人，工程师，工作于中国航发沈阳发动机研究所，研究方向为发动机装配工艺设计。