CN111306095A - 一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法 - Google Patents

一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法 Download PDF

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Abstract

一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法，包括以下步骤：一，准备压气机转子各部件、动力设备、连接工装；二，将连接工装与压气机转子连接，然后进行动平衡；三，连接压气机转子与连接工装与动力设备；四，启动动力设备；五，测量所有叶片的伸长量；六，若测量的所有叶片的伸长量均在允许范围内，则完成叶尖直径控制；若有的伸长量超过允许范围的，则进行磨削直至叶片总长度符合要求；七，重复步骤三至步骤六，直至所有叶片在离心旋转后的伸长量均在允许范围内。本发明具有成本低、技术简单、容易执行、效率高、效果好等优点。

Description

一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，涉及一种叶片尺寸控制技术，尤其涉及一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法。
背景技术
小型发动机压气机尺寸小，结构紧凑，一般采用T形环榫槽结构连接转子叶片与转子轮盘。该种结构由于叶片榫头、轮盘榫槽公差累积等原因，装配时，榫头、榫槽间会存在间隙H，而且不同的叶片榫头与榫槽之间的间隙不一致，在装配状态下完成转子叶尖磨削后，叶尖直径一致，但工作状态下，转子叶片受离心力作用下甩出，消除了榫头榫槽间隙，但因初始间隙不同，各个叶片伸长量不同(一般最大伸长量约为0.2mm～0.3mm)。所以，首次试车后，必然出现部分转子叶片叶尖伸长，刮磨转子外环石墨的情况，从而造成部分转子叶片叶尖间隙增大，有的可达设计间隙的2倍，如设计间隙0.2mm～0.4mm，间隙增大后可达0.4mm～0.7mm，最终导致压气机损失增大，压气机效率、压比下降，因此需要研究一种技术，对压气机转子叶尖尺寸进行控制，保证首次试车过程中，叶尖直径基本不变，从而保证压气机效率和压比，进而提高发动整机效率和气动性能。
目前，该问题主要有3种解决方案。
1、提高榫头、榫槽精度要求。该技术执行难度很大，榫头、榫槽配合面为小圆弧面，叶片尺寸小，加工精度受加工条件、设备和零件自身结构限制，而且即使精度提高到极限，公差累积也难以避免，因此，该技术难以彻底解决叶尖伸长问题；同时提高榫头、榫槽加工精度后，由于转子叶片装配时需要榫头在T形环榫槽内周向窜动，还会导致压气机转子叶片装配十分困难。
3、利用高速磨床磨削。采用高速磨床磨削技术加工转子叶尖尺寸。该技术要求磨床转速达到每分钟3万多转，该状态下，转子叶片在离心力作用下已甩出，榫头与榫槽已基本贴合，消除了装配时榫头榫槽间隙，从而可以保证工作状态下叶片叶尖直径不再伸长，再对伸长的叶尖进行磨削，以解决这一问题。但该高速磨床采购成本高达数百万，为单一产品工序采购高成本设备，费用太高，经济效益差，难以实施。
4、首次试车后磨削转子叶尖直径。该技术在首次试车后，转子叶片已经伸长的状态下再次进行磨削。该技术需要同时对刮磨的工作环进行重新喷涂，而且首次试车过程中，压气机效率降低。重复试车、重新喷涂工作环均浪费大量资源，同时对生产交付进度影响很大。
发明内容
为避免现有方案的缺陷，解决上述问题，本发明提供了一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法，可实现高转速小型发动机压气机转子叶片叶尖尺寸控制，保证新品发动机试车过程中压气机转子叶片叶尖尺寸稳定。
本发明的技术方案是：一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法，包括以下步骤：
步骤一，准备阶段
组装压气机转子各部件，并准备一台动力设备，该动力设备的最高转速应大于或等于压气机转子的额定转速；设计并制造连接工装，该连接工装可将动力设备的输出扭矩传递给压气机转子的转子轴，并带动压气机转子旋转；
步骤二，动平衡
将连接工装与压气机转子连接，然后进行动平衡，直至动平衡量达到指标要求；
步骤三，连接
将动平衡结束的压气机转子与连接工装与动力设备连接；
步骤四，消除榫头与榫槽间隙
启动动力设备，带动压气机转子在额定的工作转速下旋转；
步骤五，测量
测量所有叶片的伸长量；
步骤六，磨削
若测量的所有叶片的伸长量均在允许范围内，则完成叶尖直径控制；若有的伸长量超过允许范围的，则对伸长量超过允许范围的叶片进行磨削直至叶片总长度符合要求；
步骤七，验证
重复步骤三至步骤六，直至所有叶片在离心旋转后的伸长量均在允许范围内。
进一步的，步骤二的动平衡具体为：将连接工装与压气机转子连接后，在连接工装的两侧设置多个平衡螺钉，根据调整平衡螺钉的位置、角度和数量，使得连接工装与压气机转子整体质心与转动时的轴心位置相吻合。
进一步的，步骤三中，压气机转子与连接工装与动力设备连接后，压气机转子与动力设备的输出轴同轴。
进一步的，步骤三中，采用悬挂式装配对，以减小装配压气机转子与连接工装对动力设备的同轴偏差。
进一步的，步骤四中，压气机转子在额定的工作转速下旋转不少于10分钟。在申请人进行多次试验后发现，压气机转子在额定的工作转速下转动10分钟，叶片基本位移到固定位置，低于该时间则不能保证叶片到位；多于该时间，后续转动中叶片也基本不会发生位移。
进一步的，步骤四中，对整个过程对压气机转子的振动进行监控，当振动值超过指标要求时，应立刻停止动力设备，然后将动力设备分离后，重新进行步骤二和步骤三。
进一步的，步骤一时，对压气机转子的叶片外径进行预磨削，从而减小上述重复工作，提高效率，预磨削值来源于设计要求。
进一步的，步骤一时，对压气机转子的叶片进行质量控制，使其质量偏差在一定范围内。
本发明的优点是：本发明可实现小型发动机压气机转子叶片叶尖尺寸控制，保证新品发动机试车过程中压气机转子叶片叶尖尺寸稳定，不伸长，从而保证压气机转子叶尖间隙均匀可控，提高压气机效率和压比，本发明具有成本低、技术简单、容易执行、效率高、效果好等优点。
具体实施方式
高转速发动机压气机变叶尖直径控制技术包括以下步骤：
步骤一，准备阶段
组装压气机转子各部件，并准备一台动力设备，该动力设备的最高转速应大于或等于压气机转子的额定转速，这个动力设备可以为超转试验器；设计并制造连接工装，该连接工装可将动力设备的输出扭矩传递给压气机转子的转子轴，并带动压气机转子旋转；对压气机转子的叶片外径进行预磨削和质量控制；
步骤二，动平衡
将连接工装与压气机转子连接，然后进行动平衡，直至动平衡量达到指标要求，将连接工装与压气机转子连接后，在连接工装的两侧设置多个平衡螺钉，根据调整平衡螺钉的位置、角度和数量，使得连接工装与压气机转子整体质心与转动时的轴心位置相吻合；
步骤三，连接
将动平衡结束的压气机转子与连接工装与动力设备连接，压气机转子与连接工装与动力设备连接后，压气机转子与动力设备的输出轴同轴，选择采用悬挂式装配，可以减小装配压气机转子与连接工装对动力设备的同轴偏差；
步骤四，消除榫头与榫槽间隙
启动动力设备，带动压气机转子在额定的工作转速下旋转；压气机转子在额定的工作转速下旋转不少于10分钟；对整个过程对压气机转子的振动进行监控，当振动值超过指标要求时，应立刻停止动力设备，然后将动力设备分离后，重新进行步骤二和步骤三；
步骤五，测量
测量所有叶片的伸长量；
步骤六，磨削
若测量的所有叶片的伸长量均在允许范围内，则完成叶尖直径控制；若有的伸长量超过允许范围的，则对伸长量超过允许范围的叶片进行磨削直至叶片总长度符合要求；
步骤七，验证
重复步骤三至步骤六，直至所有叶片在离心旋转后的伸长量均在允许范围内。
以下是本发明的另一个实施例
本实施例所用的动力设备为超转试验器；本实施例磨削使用的设备为普通磨床。
本发明借用动力设备，如超转试验器模拟发动机工作状态，使压气机转子在高速旋转状态下，利用离心力将转子叶片甩出，消除榫头和榫槽间隙，保证榫头和榫槽贴合，此时压气机转子各转子叶片通过数十个叶片缘板之间以及榫头和榫槽边的复杂受力作用，重新完成受力平衡，然后再用普通磨床进行磨削，由于磨削时径向力很小，因此磨削后，榫头和榫槽贴合状态不再改变。工作时，由于榫头榫槽已经消除了装配间隙，因此转子叶尖不会产生较大变化，叶尖尺寸稳定，不会出现个别叶片伸长刮磨压气机匣石墨的情况，从而保证了压气机转子叶尖工作间隙，减小了叶尖间隙损失，提高了压气机效率和压比。
如下例子：
某小型航空发动机压气机转子，工作时动平衡量不大于10g·mm，最高转速为36000转/分，最大振动量为0.06mm，转子叶尖直径公差为(0-0.06)，压气机转子叶尖尺寸的具体控制技术为：
1准备：
组装压气机转子各部件；
准备一台动力设备，所述的动力设备为德国申克BI2U超转试验器，最高转速为50000转/分；
设计并制造连接工装，所述的连接工装可将动力设备的输出扭矩传递给压气机转子的转子轴，并带动压气机转子旋转；
2动平衡：将连接工装与压气机转子连接，然后进行动平衡，动平衡后，前后两支点不平衡量分别为9g·mm、8g·mm；
3连接：将动平衡结束的压气机转子与连接工装与动力设备连接，并保证连接后的压气机转子与动力设备的输出转子同轴；
4消除间隙：启动动力设备，带动压气机转子旋转，压气机转子在额定的工作转速下旋转8分钟；同时整个过程对压气机转子的振动进行监控，振动值均在要求范围内；
5测量：测量所有叶片的伸长量；
试验后各级压气机转子变化量如下：
1级79片叶片全部伸长：变化量0.10mm～0.24mm；
2级87片叶片伸长82片：变化量0.02mm～0.20mm；不变5片；
3级91片叶片全部伸长：变化量0.02mm～0.24mm；
4级92片叶片伸长64片：变化量0.02mm～0.20mm；缩短2片，0.02mm～0.06mm，不变26片；
5级85片叶片伸长83片：变化量0.01mm～0.20mm；不变1片；
6级71片叶片伸长44片：变化量0.02mm～0.24mm；不变27片；
6磨削：对伸长量超过许用值的叶片通过普通磨床进行磨削直至叶片总长度符合要求；
7验证：重复第3-6步骤，直至所有叶片在离心旋转后的伸长量均在允许范围内；
8结束。

Claims (8)

1.一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，准备阶段
组装压气机转子各部件，并准备一台动力设备，该动力设备的最高转速应大于或等于压气机转子的额定转速；设计并制造连接工装，该连接工装可将动力设备的输出扭矩传递给压气机转子的转子轴，并带动压气机转子旋转；
步骤二，动平衡
将连接工装与压气机转子连接，然后进行动平衡，直至动平衡量达到指标要求；
步骤三，连接
将动平衡结束的压气机转子与连接工装与动力设备连接；
步骤四，消除榫头与榫槽间隙
启动动力设备，带动压气机转子在额定的工作转速下旋转；
步骤五，测量
测量所有叶片的伸长量；
步骤六，磨削
若测量的所有叶片的伸长量均在允许范围内，则完成叶尖直径控制；若有的伸长量超过允许范围的，则对伸长量超过允许范围的叶片进行磨削直至叶片总长度符合要求；
步骤七，验证
重复步骤三至步骤六，直至所有叶片在离心旋转后的伸长量均在允许范围内。
2.根据权利要求1所述的一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法，其特征在于，所述的步骤二的动平衡具体为：将连接工装与压气机转子连接后，在连接工装的两侧设置多个平衡螺钉，根据调整平衡螺钉的位置、角度和数量，使得连接工装与压气机转子整体质心与转动时的轴心位置相吻合。
3.根据权利要求1所述的一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法，其特征在于，所述的步骤三中，压气机转子与连接工装与动力设备连接后，压气机转子与动力设备的输出轴同轴。
4.根据权利要求3所述的一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法，其特征在于，所述的步骤三中，采用悬挂式装配对。
5.根据权利要求1所述的一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法，其特征在于，所述的步骤四中，压气机转子在额定的工作转速下旋转不少于10分钟。
6.根据权利要求1所述的一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法，其特征在于，所述的步骤四中，对整个过程对压气机转子的振动进行监控，当振动值超过指标要求时，应立刻停止动力设备，然后将动力设备分离后，重新进行步骤二和步骤三。
7.根据权利要求1所述的一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法，其特征在于，所述的步骤一时，对压气机转子的叶片外径进行预磨削，从而减小上述重复工作，提高效率，预磨削值来源于设计要求。
8.根据权利要求1所述的一种高转速发动机压气机变叶尖尺寸控制方法，其特征在于，所述的步骤一时，对压气机转子的叶片进行质量控制，使其质量偏差在一定范围内。
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