微型涡喷发动机装配关键技术*

王航洲,胡智玺,刘建国,李永生

(西安现代控制技术研究所,西安 710065)

0 引言

微型涡喷发动机一般具有体积小、重量轻、转速高、油耗小、成本低等特点,可用作巡航导弹、无人侦察机、靶机、无人机等动力装置。早在20世纪60年代,国外如法国、美国、德国、英国和前苏联等国就展开了微型涡喷发动机技术研究,仅其定型的产品就多达几十种,并且形成各自系列产品,分别用于无人机、巡航导弹、布撒器、靶机和各种辅助动力装置,如美国WR系列、法国TRI60系列。近年来我国由于武器装备的需求,国内先后有多家单位展开微型涡喷发动机技术研究,其中装配技术是微型涡喷发动机研究的一个重要领域。微型涡喷发动机由于其体积小、结构紧凑、工作转速高(一般在105r/min以上)、工作条件要求极为苛刻,这就造成发动机装配时工序复杂,装配精度要求非常高,其装配质量的好坏严重影响着涡喷发动机的工作可靠性和寿命。

文中结合某微型涡喷发动机装配的成功经验,展开微型涡喷发动机装配技术研究论述。

1 微型涡喷发动机组成及工作原理

考虑到使用要求和成本,微型涡喷发动机一般为单轴结构形式,其一般由进气机匣、外壳部件、前端板、扩压叶盘、轴套、燃烧室、燃油系统、润滑系统、涡轮导向机匣等主要结构件组成静子系统,由叶轮锁紧螺母、叶轮、主轴、涡轮、涡轮锁紧螺母、陶瓷球轴承等组成转子系统。图1为一典型微型涡喷发动机结构形式。

工作原理为:涡喷发动机工作时,空气经压气机压缩减速增压,在燃烧室内与燃油混合并燃烧产生热能,高温高压气体在膨胀过程中驱动涡轮做功带动压气机旋转,同时以高速气流的形式从尾喷管喷出为飞行器提供推力。

2 微型涡喷发动机装配关键技术

微型涡喷发动机装配不同于其他产品的装配,整个装配过程不是简单堆积,需要制定正确的装调流程,需要来回的翻转装配和动态检测,甚至包含一些在线车削加工、焊接等工艺。要装好一台合格的微型涡喷发动机,除了需要提供合格的零部件外,必须掌握涡喷发动机装配的关键技术。微型涡喷发动机的装配关键技术主要包括动平衡技术、同心技术、间隙控制技术和热装配技术等。

2.1 动平衡技术

转子不平衡是由于材质不均匀,结构不对称,加工误差以及装配误差等致使转子质量偏心较大,在高运转过程中产生离心力引起自身振动,这是旋转机械最常见的故障,动平衡的好坏直接影响着发动机工作的可靠性和寿命。许用不平衡量的计算可按下式计算:

式中:M为转子质量(kg);G为转子平衡精度等级(mm/s);N为转子转速(r/min);U为转子许用不平衡量(g·mm)。

微型涡喷发动机转子系统一般工作在105r/min以上,一个转子系统由多个零部件组装而成,只进行整机动平衡不能保证其各个零部件都达到平衡,为改善发动机各零部件受力情况对动平衡的影响,在整机动平衡之前,需对各转子零部件进行分步动平衡。发动机各转子零部件动平衡的原则是使其尽量接近实际工作支撑状态,为此需设计专用动平衡工装夹具,其工艺心轴也要单独进行动平衡,以消除对转子件平衡量的影响至最小。动平衡时周围不允许有振动源,平衡支架的支撑位置、平衡驱动力需一致,不能有波动。各零部件动平衡精度等级一般选取为G6.3级,整机动平衡精度等级一般选取为G6.3级～G2.5级。

如某微型涡喷发动机进行动平衡时要求为:转子系统零部件动平衡精度需达到G6.3级以上,整机动平衡精度要求G2.5级以上,并设计专用动平衡工装夹具,首先完成单个转子件动平衡,然后进行组装件动平衡,最后进行整机动平衡,在动平衡过程中零部件拆装时进行标记定位,保证每次动平衡拆装时位置相同,动平衡时周围不允许有振动源,平衡支架的支撑位置、平衡驱动力需一致,不能有波动。

2.2 同心装配技术

同心装配技术贯穿于微型涡喷发动机静子系统和转子系统的每个装配环节。微型涡喷发动机由于其工作原理及特点,静子系统结构多数为环形对称结构形式,装配时必须同心,以保证气流通道的周向均匀性,其转子系统在高转速下转动,为了减小由于偏心引起的激振和与静子系统的间隙均匀性,转子系统要求装配时必须同心。若同心度过大,会引起发动机转子与静子间隙不均匀,造成发动机内部气体流场和温度场不均匀,降低发动机总体性能,引起发动机振动增大,甚至无法工作。因此在发动机装配的每个环节必须保证装配同心度要求。

如某微型涡喷发动机装配过程中,为消除装夹误差和检测误差,要求将工件放置在精密机床上,装配时尽量选择同一固定安装定位基准面,同时通过杠杆表检测跳动量,根据跳动量大小和偏离方向调整两者之间装配同心度小于一定范围;为了保证转子系统与静子系统同心度,通过预留加工余量和专用工装,将静子系统固定于精密机床上,加工与关键转子部件的配合面,保证两者的同心度;在安装燃烧室时,通过整形工装和在线打表检测来调整燃烧室的安装同心度;在安装燃油系统时,通过设计专用工装来调整燃油喷嘴的角度和周向位置,保证燃烧室燃油燃烧均匀性。

因此在微型涡喷发动机的每个装配环节,必须保证各零件的装配同心度。

2.3 间隙控制技术

在微型涡喷发动机设计装配中,涡轮、压气机的叶间间隙对发动机性能有很大影响,一般微型涡喷发动机的叶间轴向和径向间隙控制在0.1～0.5 mm之间,间隙过大,效率损失就越大,间隙过小,由于振动、热变形等因素会造成叶顶与机匣产生摩擦、刮碰,造成发动机损坏。若通过设计来保证,会造成零件制造成本增加,而且由于涉及零件较多,累计公差范围大,很难通过设计尺寸链保证所需间隙尺寸。因此如何通过装配来控制间隙尤为重要。在微型涡喷发动机装配中,径向间隙一般可通过在机匣与压气机、涡轮壁面配合处,对机匣内壁预留一定设计加工余量,待装配时,通过配车和在线检测方法进行间隙控制,对轴向间隙控制,可设计多组不同规格调整垫片或通过设计留有加工余量进行间隙控制。

如某微型涡喷发动机装配时,通过在压气机后端增加调整垫片保证其与进气机匣的轴向间隙尺寸;为了保证压气机与扩压叶盘径向间隙,涡轮与导向器机匣的径向间隙,在装配时进行同心配车和同心度检测,既保证了径向间隙的要求,又保证了径向间隙的均匀性。

2.4 热装配技术

热装配技术是指利用零件材料热涨冷缩的原理将两个零件装配在一起的一种装配技术。热装配技术在微型涡喷发动机中应用较多,其优点是在保证零部件强度的前提下能减少发动机零件数量和减轻发动机重量。这符合微型涡喷发动机结构简单,重量轻的要求。微型涡喷发动机中压气机与主轴的装配、涡轮与主轴的装配采用这种装配方式较多。

在进行热装配时必须严格控制加热时间、加热区域和加热距离,加热不够,易造成装配卡滞和拆卸时零件无法正常拆卸,损坏零件;加热时间过长,易造成零件过热,发生永久变形。热装配的加热时间和加热距离需通过多次试验验证获得,热装配的过盈量计算可通过以下计算公式:

ΔD=a×ΔT×D

(1)

式中:ΔD为加热膨胀量(mm);a为线胀系数10-6(1/ ℃);ΔT为加热温度( ℃);D为配合面直径(mm)。

N=E×Δe×L×μ×r

(2)

式中:N为扭矩(N·m);E为弹性模量(Pa);Δe为预紧量(m);μ为摩擦系数;r为扭矩半径(m);L为配合面长度(m)。

热装配的过盈量计算必须同时满足加热膨胀量和转子工作时的扭矩要求,即所给出的过盈量(材料弹性极限范围内)必须保证加热后孔的直径大于轴的直径,同时在发动机工作过程中,转子的装配扭矩必须大于工作扭矩。

2.5 其他技术

微型涡喷发动机装配是一种精细装配,所设计的薄壁件、焊接件、管路较多,装配的每个环节都需要考虑可能因素的影响,因此在装配过程中要随时做到动态的检测和保护,燃油系统和润滑系统装配前需进行流量检测,装配完毕后需再次进行检测,装配过程中需使用橡胶堵头进行封堵,以免赃物进入管路;燃烧室壁面开孔装配前后需进行检测和调整,以满足设计要求;燃油喷嘴角度,轴承轴向预紧力、整流罩与涡轮轴向间隙等都需要装配动态检测和调整。

3 结束语

微型涡喷发动机装配相对于传统产品装配方法,要求装配人员要有综合装配技能。好的装配工艺是装配技术实现的关键,国外同类产品装配完一台合格产品大概只需一天,甚至几个小时。我国现阶段主要靠先引进再测绘仿研后改进研究,起步较晚,且对微型涡喷发动机装配技术研究不够深入,没有形成一套成熟装配体系,加之零件材料和制造工艺与国外发达国家的差距,所装配的微型涡喷发动机在质量一致性、可靠性和使用寿命上与国外进口样机都存在一定差距。因此必须加强对微型涡喷发动机的装配技术的深入研究,掌握好微型涡喷发动机的装配关键技术,制定严格可行的装配工艺是装配好微型涡喷发动机的关键。