基于圆弧端齿连接结构的风扇转子装配技术研究与应用

尚佳宁 丰少宝 李思宇 张浩

摘要：航空发动机圆弧端齿连接结构不同于止口形式的连接，可以用现有的成熟装配技术控制转子同轴度，目前圆弧端齿连接转子的同轴度和初始不平衡量缺少有效的控制手段。本文分析了圆弧端齿连接结构对风扇转子装配的影响规律，创建了圆弧端齿连接结构转子的装配控制算法，突破了国内该结构转子在装配优化控制上的空白，降低了人工成本，提高了装配效率，并制定了风扇转子装配优化控制新方案，降低了转子初始不平衡量及进气机匣振动水平。综上，本文从装配角度解决了某小涵道比发动机进气机匣振动问题，取得了巨大的装配优化效果，具有较高的实用价值。

关键词：航空发动机；圆弧端齿；风扇转子；装配优化；振动；进气机匣

Keywords： aero-engine；curvic couplings；fan rotor；assembly optimization；vibration；intake casing

0 引言

小涵道比涡扇航空发动机多用于先进军用歼击机[1]，追求高推力和高速。该类发动机推进效率高、噪声低、燃油消耗率低，飞机航程远[2，3]。小涵道比涡扇航空发动机普遍采用单元体设计，具有制造和配合精度高的特点，其中转子件的装配工艺技术对于保证发动机的装配质量和效率尤为重要。

涡扇发动机转子常见的连接结构主要有圆柱面定心螺栓连接结构、花键连接结构、圆弧端齿连接结构。圆柱面定心螺栓连接结构依靠穿过盘体或法兰的拉杆和螺母紧固[4]，常用于轮盘之间或轮盘与轴之间的连接；花键连接结构依靠内外花键和螺栓紧固，常用于轮盘与轴、轴与轴之间的连接；圆弧端齿连接结构依靠圆弧端齿定心、扭转，采用拉杆和螺母紧固，不但具备前两种连接结构的优点，而且具有自动定心精度高、承载能力强、结构紧凑、重量轻等特点，广泛用于现代航空发动机转子系统零件之间的连接[5]。

圆弧端齿由格里森公司发明，与其他端齿相比，其优点主要有：可以人为地改善啮合副的接触区，避免因边缘接触引起齿的折断；可以避免因载荷变化引起的边缘接触；可以降低啮合副对装配误差的敏感度；加工工艺性好、生产效率高[6]；定位可靠、定心精度高、 承载能力强[7]。因此，圆弧端齿结构已逐渐应用于航空发动机和燃气轮机转子件的连接。

圆弧端齿结构设计、加工与装配工艺已经成为航空发动机转子结构设计的关键技术，然而在零件装配方案的优化控制上国内外相关资料均较少，仍需开展相当多的研究工作。

1 圆弧端齿连接结构对装配的影响分析

1.1 某小涵道比发动机风扇转子装配结构分析

某小涵道比发动机风扇一到三级转子全部采用整体叶盘结构（见图1），一级盘带有一体的前轴颈，二级盘带有后锥壁，后锥壁安装边上采用圆弧端齿结构，与风扇后轴颈实现定心和传扭，三级盘相对于转子一二支点（前后轴颈）轴线处于“外悬”状态，各级转子之间采用止口定心、过盈配合，螺栓连接。

1.2 目前装配方式存在的问题

该小涵道比发动机风扇转子二级盘和后轴颈圆弧端齿处共用24个螺栓连接，圆弧端齿连接结构由于其结构特性不能采用堆叠优化方法，目前采用随机位置装配。转子的初始不平衡量缺少有效的控制手段，导致发动机试车过程中，进气机匣振动频繁超限导致下台分解排故。因此，制定圆弧端齿连接结构的风扇转子的装配优化控制方案成为了型号研制中亟待解决的关键问题。

1.3 圆弧端齿连接转子的装配规律分析

以某小涵道比发动机风扇转子平衡组件进行平衡工艺试验，试验项目分两项，分别验证风扇后轴颈不同位置重复装拆和同一位置重复装拆对不平衡量的影响情况。不同位置重复装拆试验数据如表1、图2所示，同一位置重复装拆试验数据如表2所示。

风扇后轴颈出厂不平衡量测量值为85g·mm，可见加工精度较好。风扇转子平衡组件为刚性转子，且为整体叶盘，平衡误差主要由传感器本身的采集误差造成。经统计，风扇转子平衡组件的平衡误差仅为示值的10%。因此可见，不同装配位置转子静不平衡量的最大值偏差（460g·mm）、最小值偏差（541g·mm）均較大，相位变化大，而同一位置重复性装配静不平衡量变化<2%，相位只变化1°。

最终得出以下试验结论：

1）不同装配位置对圆弧端齿连接转子不平衡量的影响大；

2）同一位置重复装拆对圆弧端齿连接转子不平衡量的影响小。

2 创建圆弧端齿连接结构转子的装配控制算法

传统的装配方法是单件平衡后，轻重点交错180°的原则装配，但转子同轴度对转子不平衡量的影响更大[8]。如图3所示，本文创建了控制圆弧端齿连接结构转子同轴度的算法，通过两次拆装，找到最佳装配位置，降低了风扇二级盘和风扇后轴颈的跳动值，提高了该结构转子的一次性装配合格率。

对多台次风扇二级盘和后轴颈的圆弧端齿连接组件进行跳动及平衡检查，经验证，预测结果与实际值偏差<2.8%，相位变化≤3°，如表3所示。

3 风扇转子装配优化控制方案及其优化效果

以往风扇转子的装配方式是先将一二三级盘连接起来，再装配二级盘和后轴颈圆弧端齿处，流程图如图4所示。

传统的装配方法及装配顺序对风扇转子单盘及组件的跳动值没有给出控制标准，对风扇转子的初始不平衡量缺乏有效的控制手段。

本文制定了风扇转子优化控制方案，解决了某小涵道比发动机多台次进气机匣振动问题，流程图见图5。

1）组件装配时，首先确定圆弧端齿配合的风扇二级盘和后轴颈的最优装配位置，降低转子的初始不平衡量。

2）首要保证一二支点的同轴度，最后须以双柱面为基准检查“外悬”的三级盘盘心跳动是否满足装配要求。

3）止口装配方式由使用加温枪加热改为液氮冷装，使装配过程中温度分布均匀，止口配合更可靠。

利用SPS优化设备，在控制风扇转子组件的后轴颈和三级盘心的同轴度φ≤0.04的前提下，经过装配优化后，转子的初始不平衡量平均降低685g·mm，平均降幅30%，如表4所示。

用matlab软件对试车数据进行分析，如图6所示。基于matlab编程的试车数据对比图能够清晰直观地反映出采用上述工艺优化方案后，之前振动超限（50以上）的台份下降至30以下，优化效果最好的可以下降至20以下，取得了良好的排振效果。

4 结论

本文分析了圆弧端齿连接结构对风扇转子装配的影响规律，创建了圆弧端齿连接结构转子的装配控制算法，突破了国内该结构转子在装配优化控制上的空白，降低了人工成本，提高了装配效率，并制定了风扇转子装配优化控制方案，保证了转子稳定性指标，采用matlab软件通过编程的方法清晰直观地反映了采用新的工艺控制方案后，显著降低了进气机匣振动水平。综上，本文从装配角度解决了某重点型号多台次发动机进气机匣振动问题，取得了巨大的装配优化效果，具有较高的实用价值。

参考文献

[1] Gleason Works Co. Curvic Coupling Dimension Sheet Explanations [M]. New York：Rochester，1973.

[2] Rolls-Royce. JES175 Curvic Couplings [M]. Derby：1993.

[3] H Mueller，D Wiener，R Dutschk. A modular approach to computing spiral bevel gears and curvic couplings[J]. Gear Technology，2000，17（3）：32-36.

[4] R H Bannister. Methods for modelling flanged and curvic couplings for dynamic analysis of complex rotor constructions [J]. ASME，Transactions Journal of Mechanical Design. 1980，102（1）：130-139.

[5] 陈龙，石林，王宇星，等. 圆弧端齿联轴器，中国，CN202220805U[P]. 2012-5-16.

[6] 黄庆南，李鑫. QD128燃机动力涡轮圆弧端齿的设计.中国航空学会轻型燃气轮机专业第四次学术会议[C].厦门：2005.166-171.

[7] Orchard N B. Inspection of curvic couplings using a CMM [J]. Laser Metrology and Machine Performance VI. 2003：221-230.

[8]琚奕鵬，吴法勇，金彬，等.基于转子跳动和初始不平衡量优化的多级盘转子结构装配工艺[J].航空发动机，2018，44（6）：83-90.