CN109093378B - 一种低压涡轮安装设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低压涡轮安装设备以及使用该低压涡轮安装设备安装低压涡轮的方法。该低压涡轮安装设备包括：内转轴，用于与所述低压涡轮的转子连接；外转轴，用于与所述低压涡轮的静子连接，其中所述内转轴与所述外转轴同轴，且所述内转轴和所述外转轴能够互相独立转动；内转轴转动控制组件，用于驱动所述内转轴转动；外转轴转动控制组件，用于驱动所述外转轴转动；以及抱紧机构，用于限制所述内转轴相对于所述外转轴的转动和轴向窜动。本发明的低压涡轮安装设备在装配过程中其能够独立地控制低压涡轮的转子、静子转动，具有控制精度高、装配效率高、安全性高、成本低等特点。

Description

一种低压涡轮安装设备及其使用方法

技术领域

本发明主要涉及航空发动机装配领域，尤其涉及一种低压涡轮安装设备及其使用方法。

背景技术

航空发动机总装是航空发动机装配的重要环节，装配效果直接影响发动机产品质量。在装配过程中需要对接风扇核心机和低压涡轮，要求将低压涡轮中长约2m的低压涡轮轴(转子)插入风扇核心机中，对接过程中需要经历低压涡轮轴与风扇轴的花键啮合、机匣部位的孔位对正及螺栓连接、低压涡轮轴的大螺母拧紧，该过程需要保证三处实现对接：(1)低压涡轮轴与风扇轴(属于风扇核心机)的花键啮合；(2)低压涡轮静子机匣前端面与风扇核心机外机匣后端面的螺栓连接；(3)低压涡轮轴与风扇轴两个短止口处的配合。由此可知该装配过程具有以下特点：

1.对低压涡轮转子、静子角向的控制精度要求高

1)为实现花键啮合，需实现对低压涡轮转子角向的高精度控制。花键角向对正是实现风扇轴花键与低压涡轮轴花键啮合的前提，装配工艺要求花键对接过程中仅对低压涡轮轴角向控制，如花键未对正就开始对接，会导致低压涡轮轴受到轴向压缩，可能导致零件损坏，不利于装配安全。

2)为实现外部机匣(属于静子)的螺栓连接，需实现对低压涡轮静子角向的高精度控制。螺栓孔孔位对正是实现低压涡轮静子机匣与风扇核心机外机匣螺栓连接的前提，因装配工艺要求风扇核心机在对接过程中无转动，故仅可通过调整低压涡轮静子机匣角向偏转实现螺栓孔位对正。由于该螺栓孔的对正存在以下两个难点，该过程需要低压涡轮静子机匣实现高精度控制，难点具体如下：

a)对正位置唯一。该螺栓孔数量约110个且并非均匀分布，故对正位置是唯一的。

b)对正精度要求高。所有螺栓孔均对应于M6螺栓且孔径仅为6.5mm，而其分布圆直径约1.1m，故如静子的转动误差超过arctan(0.5/1100)≈0.026°，孔位将无法对正。

2.对低压涡轮转子、静子轴向窜动的限位要求高

由于低压涡轮转子上连接有转子叶片，静子上连接有静子叶片，且转子叶片和静子叶片在轴向上间隔分布，故为防止装配过程中转子叶片和静子叶片发生碰撞，必须保证对低压涡轮转子、静子轴向窜动的限位要求。

目前，对此装配过程仍采用人+吊车，配合使用专用工装的装配方案，其是将低压涡轮转子、静子通过工装连接为一体，通过人工转动低压涡轮静子机匣实现其绕轴向的转动，从而实现角向的对正以及后续的对接装配。这种装配方案存在如下不足：

1.将转子、静子作为一体进行转动控制，不利于保证机匣孔位对正的精度，且导致装配效率低、成本高。具体如下：

1)将转子、静子作为一体进行转动控制，不利于保证机匣孔位对正的精度。由于机匣孔位对正前，花键已经啮合一半，故在转动低压涡轮静子机匣进行孔位对正时，由于低压涡轮转子、静子一体转动，风扇转子部件(如风扇轴等)将随低压涡轮轴转动，进而对静子机匣的转动产生影响，不利于保证机匣孔位对正的精度。

2)将转子、静子作为一体进行转动控制，降低了对正效率。低压涡轮轴花键与静子机匣孔位的初始角向相对位置不唯一，若将转子、静子作为一体进行转动控制，易增加不必要的转动，导致累计误差升高、对正效率降低。

3)将转子、静子作为一体进行转动控制，增加了设备负荷、安全隐患以及成本。对于转动控制设备而言，将转子、静子连接为一体时，其控制对象并不是单一的低压涡轮转子或静子，而是低压涡轮+风扇转子(包含风扇轴等转子部件)，由此导致设备控制对象的转动惯量大幅提高，进一步导致控制难度、安全隐患大幅提高，增加了设备成本。

2.装配过程中转子、静子的转动调姿，主要由人力控制，难以保证角度控制精度，易造成零件磕碰，且严重依赖工人经验，重复性差，装配效率低下。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于安装航空发动机中的低压涡轮的低压涡轮安装设备，在装配过程中其能够独立地控制低压涡轮的转子、静子转动，具有控制精度高、装配效率高、安全性高、成本低等特点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种低压涡轮安装设备，用于安装航空发动机中的低压涡轮，所述低压涡轮安装设备包括：内转轴，用于与所述低压涡轮的转子连接；外转轴，用于与所述低压涡轮的静子连接，其中所述内转轴与所述外转轴同轴，且所述内转轴和所述外转轴能够互相独立转动；内转轴转动控制组件，用于驱动所述内转轴转动；外转轴转动控制组件，用于驱动所述外转轴转动；以及抱紧机构，用于限制所述内转轴相对于所述外转轴的转动和轴向窜动。

在本发明的一实施例中，所述内转轴转动控制组件包括第一电机、第一减速器和第一传动齿轮组，所述第一电机根据第一控制信号输出第一扭矩，所述第一扭矩经所述第一减速器和所述第一传动齿轮组后传递至所述内转轴，驱动所述内转轴转动。

在本发明的一实施例中，所述第一电机为伺服电机，所述第一减速器为行星减速器。

在本发明的一实施例中，所述外转轴转动控制组件包括第二电机、第二传动齿轮组和第二减速器，所述第二电机根据第二控制信号输出第二扭矩，所述第二扭矩经所述第二传动齿轮组和所述第二减速器后传递至所述外转轴，驱动所述外转轴转动。

在本发明的一实施例中，所述第二电机为伺服电机，所述第二减速器为RV减速器。

在本发明的一实施例中，所述抱紧机构在抱紧时，同时限制所述内转轴的转动和轴向窜动；所述抱紧机构在松开时，限制所述内转轴的轴向窜动。

在本发明的一实施例中，所述抱紧机构包括：抱紧机构控制组件，用于根据第三控制信号输出第三扭矩；以及执行组件，用于根据所述第三扭矩抱紧或松开所述内转轴。

在本发明的一实施例中，所述抱紧机构控制组件包括第三电机和第三减速器，所述第三电机根据所述第三控制信号输出第四扭矩，所述第四扭矩经所述第三减速器后输出所述第三扭矩。

在本发明的一实施例中，所述第三电机为伺服电机，所述第三减速器为行星减速器。

在本发明的一实施例中，所述执行组件包括抱紧传动轴和抱紧压板，所述抱紧传动轴根据所述第三扭矩驱动所述抱紧压板抱紧或松开所述内转轴。

本发明的另一方面提供了一种使用如上所述的低压涡轮安装设备安装低压涡轮的方法，包括：将所述低压涡轮的转子、静子与所述内转轴、外转轴分别连接，所述抱紧机构抱紧所述内转轴；将连接有所述低压涡轮的所述低压涡轮安装设备运送至装配平台，其中所述装配平台能够控制所述低压涡轮安装设备及其上的所述低压涡轮沿轴向直线运动；所述装配平台控制所述低压涡轮移动，以使所述低压涡轮插入风扇核心机，所述抱紧机构松开所述内转轴；所述内转轴转动控制组件驱动所述内转轴转动，进而带动所述转子转动，实现花键对正；在花键对正后，所述装配平台控制所述低压涡轮移动，以使所述转子与所述风扇核心机的风扇轴的花键啮合；以及所述外转轴转动控制组件驱动所述外转轴转动，进而带动所述静子转动，实现机匣外部孔位对正。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.提高了装配精度。具体如下：

1)通过采用双转子结构，实现对低压涡轮转子、静子的独立控制，避免了在花键对正的过程中，低压涡轮静子对低压涡轮转子角向控制精度的影响。

2)通过采用双转子结构，实现对低压涡轮转子、静子的独立控制，避免了在孔位对正的过程中，风扇转子部件、低压涡轮转子对低压涡轮静子机匣的角向控制精度的影响。

3)通过对分别与低压涡轮转子、静子所连接的内转轴、外转轴采用伺服电机、RV减速器等高精度装置控制，实现了对低压涡轮转子、静子的独立高精度控制。

2.提高了装配效率。具体来说，通过对转子、静子分别实现高精度的转动控制，减少了低压涡轮静子机匣对接过程中不必要的转动及空程，提高对正效率。

3.保障装配安全。通过在双转子结构中引入抱紧机构，并采用独立伺服电机进行控制，实现了对低压涡轮转子相对底座静止与否的控制：在运输过程中，能够保证低压涡轮转子相对低压涡轮安装设备的底座静止，防止转子、静子之间如轴向窜动导致的磕碰等意外，从而保证运输安全；在装配过程中，能够保证低压涡轮转子、静子可相对转动且轴向窜动量仍在安全范围内，从而即方便独立转动控制，又保证了装配的安全。

4.降低设备负荷。现有技术由于将转子、静子作为一体控制，在花键对正时，其所控制的对象为低压涡轮单元体整体；在机匣孔位对正时，由于风扇轴花键已经与低压涡轮轴(转子)花键啮合，其所控制的对象为低压涡轮单元体整体+风扇转子。相比而言，本发明由于采用双转子结构且对低压涡轮转子、静子独立控制，在花键对正时，仅需控制内转轴带动低压涡轮转子转动，在机匣孔位对正时，仅需控制外转轴带动低压涡轮静子转动，每次角向对正所需控制对象的转动惯量均大幅减小，降低了设备负荷，提高了安全性，增加了设备寿命。

5.降低装配劳动量。通过应用双转子结构，操作人员只需控制伺服电机对应开关或采用相应传感器将控制信息传递给伺服电机，就可实现低压涡轮单元体的对接，大量减少操作人员的劳动量。

附图说明

图1是本发明一实施例的低压涡轮安装设备的三维立体图。

图2是图1中区域a的局部放大示意图。

图3是图1所示的低压涡轮安装设备沿A-A线的剖面示意图。

图4是图3中的区域b的局部放大示意图。

图5是图1所示的低压涡轮安装设备的侧视图。

图6是图5中的区域c的局部放大示意图。

图7是图1所示出的低压涡轮安装设备沿图5中的B-B线的剖视图。

图8是图7中的区域d的局部放大示意图。

图9是本发明一实施例的使用低压涡轮安装设备安装低压涡轮的方法。

图10是低压涡轮与低压涡轮安装设备连接后的示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

图1是本发明一实施例的低压涡轮安装设备的三维立体图。请参考图1，低压涡轮安装设备100包括内转轴110、外转轴120、内转轴转动控制组件130、外转轴转动控制组件140和抱紧机构150。可以理解，低压涡轮安装设备100还可以具有底座160，内转轴110、外转轴120、内转轴转动控制组件130、外转轴转动控制组件140和抱紧机构150装配后，整体设置于底座160上。

内转轴110用于与低压涡轮的转子连接，外转轴120用于与低压涡轮的定子连接，内转轴110与外转轴120同轴，且两个转子能够互相独立转动，形成双转子结构。在一实施例中，内转轴110穿过外转轴120的内孔，并实现小间隙配合，从而保证低压涡轮转子、静子的同轴度。由于低压涡轮安装设备100采用了双转子结构，实现了对低压涡轮转子、静子的独立控制，避免了在低压涡轮转子(低压涡轮轴)与风扇核心机的风扇轴在花键对正的过程中，低压涡轮静子对低压涡轮转子角向控制精度的影响。同样地，由于低压涡轮转子、静子能够独立地控制转动，避免了在孔位对正的过程中，风扇转子部件、低压涡轮转子对低压涡轮静子机匣的角向控制精度的影响。

图2是图1中区域a的局部放大示意图。图3是图1所示的低压涡轮安装设备沿A-A线的剖面示意图。图4是图3中的区域b的局部放大示意图。请结合参考图1至图4，内转轴转动控制组件130用于驱动内转轴110转动。内转轴转动控制组件130包括第一电机131、第一减速器132和第一传动齿轮组133，第一电机131、第一减速器132、第一传动齿轮组133和内转轴110依次连接，第一电机131根据第一控制信号输出第一扭矩，第一扭矩经第一减速器132和第一传动齿轮组133后，传递至内转轴110，用于驱动内转轴110转动，如此实现了对内转轴110角向的高精度转动控制。优选的，第一电机131为伺服电机，第一减速器132为行星齿轮。

图5是图1所示的低压涡轮安装设备的侧视图。图6是图5中的区域c的局部放大示意图。请结合参考图1、图2、图5和图6，外转轴转动控制组件140用于驱动外转轴120转动。外转轴转动控制组件140包括第二电机141、第二传动齿轮组142和第二减速器143，第二电机141、第二传动齿轮组142、第二减速器143和外转轴120依次连接，第二电机141根据第二控制信号输出第二扭矩，第二扭矩经第二齿轮组142和第二减速器143后，传递至外转轴120，用于驱动外转轴120转动，如此实现了外转轴120角向的高精度转动控制。优选的，第二电机141为伺服电机，第二减速器143为RV减速器。

图7是图1所示出的低压涡轮安装设备沿图5中的B-B线的剖视图。

图8是图7中的区域d的局部放大示意图。请结合参考图1、图2、图4、图5和图8，抱紧机构150用于限制内转轴110相对于外转轴120的转动和轴向窜动。具体而言，当抱紧机构150抱紧时，同时限制内转轴110的转动和轴向窜动，当抱紧机构150松开时，限制内转轴110的轴向窜动。抱紧机构150包括抱紧机构控制组件151和执行组件152，抱紧机构控制组件151用于根据第三控制信号输出第三扭矩，执行组件152用于根据第三扭矩抱紧或松开内转轴110。如此，低压涡轮安装设备100对低压涡轮的转子、静子的轴向窜动进行了限位，防止转子、静子零件轴向上磕碰，保证了低压涡轮的安全，具体而言，当抱紧机构150在抱紧状态时，能够保证内转轴110相对于底座160静止，进而保证了转子也相对于底座160静止，能够防止运输过程中出现低压涡轮转子、静子轴向窜动磕碰损伤等意外情况，保证了运输安全；当抱紧机构150在松开状态时，仍对内转轴110具有限位作用，此时，内转轴110和外转轴120可相对运动，但轴向窜动量仍在要求范围内，故能够实现低压涡轮转子、静子的独立控制，同时能够防止轴向窜动过大导致的转子、静子叶片碰撞等安全问题。

抱紧机构控制组件151包括第三电机151a和第三减速器151b，第三电机151a根据第三控制信号输出第四扭矩，第四扭矩经第三减速器151b后输出第三扭矩，以驱动执行组件152执行抱紧或松开动作。优选的，第三电机151a为伺服电机，第三减速器151b为行星减速器。

执行组件152包括抱紧传动轴152a和抱紧压板152b，抱紧传动轴152a根据第三扭矩驱动抱紧压板152b抱紧或松开内转轴110，以在抱紧状态和松开状态间切换。在一实施例中，具有间隔一距离设置的两个凸沿，抱紧压板152b设置于该两个凸沿内，如此抱紧压板152b和两个凸沿构成一个限位结构，以限制内转轴110沿轴向的移动。

图9是本发明一实施例的使用低压涡轮安装设备安装低压涡轮的方法。请参考图9，使用低压涡轮安装设备安装低压涡轮的方法300包括：

步骤310：将低压涡轮的转子、静子与内转轴、外转轴分别连接，抱紧机构抱紧内转轴。低压涡轮的转子210、静子220与低压涡轮安装设备100连接后如图10所示。

步骤320：将连接有低压涡轮的低压涡轮安装设备运送至装配平台，其中装配平台能够控制低压涡轮安装设备及其上的低压涡轮沿轴向直线运动。该装配平台还为第一电机131、第二电机141和第三电机151a分别提供第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号。

步骤330：装配平台控制低压涡轮移动，以使低压涡轮插入风扇核心机，抱紧机构松开内转轴。

步骤340：内转轴转动控制组件驱动内转轴转动，进而带动转子转动，实现转子与风扇核心机的风扇轴的花键对正。具体而言，装配平台的传感器将包含角向控制数据的第一控制信号发送至第一电机131，第一电机131根据第一控制信号输出第一扭矩，第一扭矩经第一减速器132和第一传动齿轮组133后，传递至内转轴110，以驱动内转轴110转动，进而带动低压涡轮的转子210转动，实现转子210与风扇核心机的风扇轴的花键对正，此时，第一电机131停止动作，转子210也不再转动。

步骤350：在花键对正后，装配平台控制低压涡轮移动，以使转子与风扇核心机的风扇轴的花键啮合。优选的，使转子与风扇核心机的风扇轴的花键啮合一半。

步骤360：外转轴转动控制组件驱动外转轴转动，进而带动静子转动，实现机匣外部孔位对正。具体而言，装配平台的传感器将包含角向控制数据的第二控制信号发送至第二电机141，第二电机141根据第二控制信号输出第二扭矩，第二扭矩经第二齿轮组142和第二减速器143后，传递至外转轴120，以驱动外转轴120转动，进而带动低压涡轮的静子220转动，实现机匣外部孔位对正，此时，第二电机141停止动作，静子220也不再转动。

可以看出，使用低压涡轮安装设备安装低压涡轮的方法300可以对第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号实时地更新，以实现实时调姿。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (11)

1.一种低压涡轮安装设备，用于安装航空发动机中的低压涡轮，所述低压涡轮安装设备包括：

内转轴，用于与所述低压涡轮的转子连接；

外转轴，用于与所述低压涡轮的静子连接，其中所述内转轴与所述外转轴同轴，且所述内转轴和所述外转轴能够互相独立转动；

内转轴转动控制组件，用于驱动所述内转轴转动；

外转轴转动控制组件，用于驱动所述外转轴转动；以及

抱紧机构，用于限制所述内转轴相对于所述外转轴的转动和轴向窜动。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述内转轴转动控制组件包括第一电机、第一减速器和第一传动齿轮组，所述第一电机根据第一控制信号输出第一扭矩，所述第一扭矩经所述第一减速器和所述第一传动齿轮组后传递至所述内转轴，驱动所述内转轴转动。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述第一电机为伺服电机，所述第一减速器为行星减速器。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述外转轴转动控制组件包括第二电机、第二传动齿轮组和第二减速器，所述第二电机根据第二控制信号输出第二扭矩，所述第二扭矩经所述第二传动齿轮组和所述第二减速器后传递至所述外转轴，驱动所述外转轴转动。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第二电机为伺服电机，所述第二减速器为RV减速器。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述抱紧机构在抱紧时，同时限制所述内转轴的转动和轴向窜动；所述抱紧机构在松开时，限制所述内转轴的轴向窜动。

7.根据权利要求1或6所述的设备，其特征在于，所述抱紧机构包括：

抱紧机构控制组件，用于根据第三控制信号输出第三扭矩；以及

执行组件，用于根据所述第三扭矩抱紧或松开所述内转轴。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述抱紧机构控制组件包括第三电机和第三减速器，所述第三电机根据所述第三控制信号输出第四扭矩，所述第四扭矩经所述第三减速器后输出所述第三扭矩。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第三电机为伺服电机，所述第三减速器为行星减速器。

10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述执行组件包括抱紧传动轴和抱紧压板，所述抱紧传动轴根据所述第三扭矩驱动所述抱紧压板抱紧或松开所述内转轴。

11.一种使用权利要求1至10中任一项所述的低压涡轮安装设备安装低压涡轮的方法，包括：

将所述低压涡轮的转子、静子与所述内转轴、外转轴分别连接，所述抱紧机构抱紧所述内转轴；

将连接有所述低压涡轮的所述低压涡轮安装设备运送至装配平台，其中所述装配平台能够控制所述低压涡轮安装设备及其上的所述低压涡轮沿轴向直线运动；

所述装配平台控制所述低压涡轮移动，以使所述低压涡轮插入风扇核心机，所述抱紧机构松开所述内转轴；

所述内转轴转动控制组件驱动所述内转轴转动，进而带动所述转子转动，实现所述转子与所述风扇核心机的风扇轴的花键对正；

在花键对正后，所述装配平台控制所述低压涡轮移动，以使所述转子与所述风扇核心机的风扇轴的花键啮合；以及

所述外转轴转动控制组件驱动所述外转轴转动，进而带动所述静子转动，实现机匣外部孔位对正。