航空发动机转子装配相位优化方法及选配方法与流程

1.本技术属于航空发动机领域，特别涉及一种航空发动机转子装配相位优化方法及航空发动机转子选配方法。


背景技术：

2.引起发动机整机振动的因素很多，转子不平衡量大小以及转子内部不平衡量分布状态是关键因素之一。而影响转子不平衡量最直接最重要的因素就是转子装配质量。一般来讲，一个转子装得越直，其沿轴向跳动越小，意味着转子组件内部各级盘/盘鼓等偏离旋转轴线的程度越小，进而转子组件的初始不平衡量也越小，控制转子跳动是控制转子初始不平衡量的重要手段之一。民用涡扇双转子航空发动机高压组合转子由高压压气机维修单元体转子(简称压气机转子)和高压涡轮维修单元体转子(简称涡轮转子)组成，随着更多新型号航空发动机产品的推出，高压组合转子呈现出越来越细长结构的变化趋势，维修单元体转子自身跳动变化尤其是组合转子中间结合处的跳动值将对组合转子直线度的影响更加敏感。这一方面会使得对维修单元体转子跳动精度要求的需求也更高，这势必导致转子零组件的制造精度和转子组件装配精度需进一步提升，但这会使得零件制造合格率和转子组件装配效率下降。另一方面，现有技术中，难以对高压组合转子中间结合处跳动快速预估，这对于科研发动机转子研制进程推进和型号发动机转子批生产合格率的提升产生了阻碍。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的装配方法难以满足转子跳动精度要求、同时难以对高压组合转子中间结合处跳动快速预估的缺陷，提供一种航空发动机转子装配相位优化方法及选配方法。
4.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
5.一种航空发动机转子装配相位优化方法，所述航空发动机转子装配相位优化方法包括：
6.获得压气机转子的轴向长度、压气机转子的前端偏心量及前端偏心相位、涡轮转子的轴向长度、涡轮转子的后端偏心量及后端偏心相位；
7.根据数学模型，获得高压组合转子结合面的偏心量与装配相位角之间的关系；
8.根据高压组合转子结合面的偏心量的要求，调整装配相位角。
9.在本方案中，根据压气机转子及涡轮转子的尺寸特征建立数学模型，通过数学模型，建立高压组合转子结合面与装配相位角之间的关系，根据该关系，能够快速评估出压气机转子和涡轮转子组装成的组合转子结合面处偏心量或者跳动值范围区间，并可以给出最优的装配相位角，有效指导实际装配工作，提高装配效率。
10.较佳地，所述获得压气机转子的轴向长度、压气机转子的前端偏心量及前端偏心相位、涡轮转子的轴向长度、涡轮转子的后端偏心量及后端偏心相位包括：
11.测量得到压气机转子以后端结合面处配合止口为基准时前端支承轴颈处的跳动值；
12.通过最小二乘法拟合出所述压气机转子的前端偏心量及前端偏心相位。
13.较佳地，所述获得压气机转子的轴向长度、压气机转子的前端偏心量及前端偏心相位、涡轮转子的轴向长度、涡轮转子的后端偏心量及后端偏心相位包括：
14.测量得到涡轮转子以前端结合面处配合止口为基准时后端支承轴颈处的跳动值；
15.通过最小二乘法拟合出所述涡轮转子的后端偏心量及后端偏心相位。
16.较佳地，所述数学模型的公式为：
[0017][0018]
其中：
[0019]
s为高压组合转子结合面的偏心量；
[0020]
l1为压气机转子的轴向长度；
[0021]
p1为压气机转子的前端偏心量；
[0022]
l2为涡轮转子的轴向长度；
[0023]
p2为涡轮转子的后端处偏心量；
[0024]
θ为装配相位角。
[0025]
较佳地，根据所述公式，获得高压组合转子结合面的偏心量与装配相位角的关系曲线。
[0026]
一种航空发动机转子选配方法，所述航空发动机转子选配方法包括：
[0027]
提供m个压气机转子和n个涡轮转子，其中m与n都为大于等于一的整数；
[0028]
测量得到每个压气机转子的轴向长度、每个压气机转子的前端偏心量及前端偏心相位、每个涡轮转子的轴向长度、每个涡轮转子的后端偏心量及后端偏心相位；
[0029]
将压气机转子与涡轮转子两两任意组合，得到m
×
n组的转子组合；
[0030]
利用如前所述的航空发动机转子装配相位优化方法，获得每组转子组合中的高压组合转子结合面的偏心量与装配相位角之间的关系；
[0031]
筛选出所有能够符合高压组合转子结合面的偏心量要求的转子组合；
[0032]
根据优化目标，选择转子组合，完成转子选配。
[0033]
在本方案中，对所有的压气机转子与涡轮转子的组合代入前述的数学模型，获得所有的转子组合中的高压组合转子结合面的偏心量与装配相位角之间的关系，根据优化目标，选择相应的转子组合。
[0034]
较佳地，所述根据优化目标，选择转子组合，完成转子选配包括：
[0035]
若所述优化目标为在m个压气机转子和n个涡轮转子中，获得具有最多数量的能够符合高压组合转子结合面的偏心量要求的转子组合的选配方式，则列出所有的选配方式，并获得每个选配方式中能够符合高压组合转子结合面的偏心量要求的转子组合的数量，选出其中具有最多数量的能够符合高压组合转子结合面的偏心量要求的转子组合的选配方式。
[0036]
较佳地，所述根据优化目标，选择转子组合，完成转子选配包括：
[0037]
若所述优化目标为获得高压组合转子结合面的偏心量最小的转子组合，则计算每个转子组合中所能够达到的高压组合转子结合面的最小偏心量，选择能够达到所述最小偏心量的转子组合。
[0038]
本发明的积极进步效果在于：本发明的航空发动机转子装配相位优化方法，能够快速评估出压气机转子和涡轮转子组装成的组合转子结合面处偏心量或者跳动值范围区间，并可以给出最优的装配相位角，有效指导实际装配工作，提高装配效率。本发明的航空发动机转子选配方法，可以用于发动机批量生产中对两个高压维修单元体转子进行配对筛选，提升装配合格率。本发明的优化方法更合理也更接近发动机高压组合转子的实际需求。
附图说明
[0039]
图1a与图1b为高压组合转子对接装配状态示意图。
[0040]
图2a与图2b为压气机转子与涡轮转子处于不同装配相位时的装配状态示意图。
[0041]
图3为高压组合转子中压气机转子轴线与涡轮转子轴线的空间几何关系示意图。
[0042]
图4为本发明一实施例的航空发动机转子装配相位优化方法的流程图。
[0043]
图5为本发明一实施例的航空发动机转子装配相位优化方法中压气机转子的跳动评价方式。
[0044]
图6为本发明一实施例的航空发动机转子装配相位优化方法中涡轮转子的跳动评价方式。
[0045]
图7为根据本发明一实施例的航空发动机转子装配相位优化方法，所绘制的高压组合转子结合面的偏心量与装配相位角之间的关系图。
[0046]
图8为本发明一实施例的航空发动机转子选配方法的流程图。
[0047]
附图标记说明
[0048]
压气机转子 1
[0049]
压气机转子轴线 11
[0050]
内止口 12
[0051]
涡轮转子 2
[0052]
涡轮转子旋转轴线 21
[0053]
外止口 22
[0054]
高压组合转子 3
[0055]
实际旋转轴线 31
具体实施方式
[0056]
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
[0057]
为保证转子装配质量，在发动机不同装配阶段分别采取不同的跳动控制措施。部装阶段单独针对两个维修单元体转子进行跳动控制，对压气机转子的跳动要求为：以压气机转子前端轴颈上的两处圆柱面或者一处圆柱面加一处轴肩端面为基准，要求篦齿盘后端止口处的端面跳动和圆柱面径向跳动均小于等于某值r1。对涡轮转子的跳动要求为：以涡轮转子前端鼓筒轴止口处的端面和圆柱面为基准，要求后端支承轴颈处的圆柱面和轴肩端
面跳动均小于等于某值r2。在总装阶段，对高压组合转子的跳动要求为：以组合转子两端支承轴颈处的圆柱面为联合基准，要求中间结合部位处的篦齿盘盘心跳动或者鼓筒轴前端外圆柱面跳动小于等于某值r3。
[0058]
上述方法存在两个问题：第一，无法快速对组合转子可能的跳动值范围进行预估，无法直接识别出能满足组合转子跳动要求的两个维修单元体转子最优对接相位；第二，转子跳动值不能反映转子真实状态，可能对装配过程产生误导。比如当测量基准之间存在垂直度误差或者同心度误差时，在跳动测量找正基准的过程中，受转子自身结构特征的影响而产生非重要的测量延程误差，造成转子跳动不合格的假象。
[0059]
本实施例提供一种转子装配相位优化方法，可有效解决因测量基准间的误差而产生的跳动延程误差，也能实现对组合转子跳动范围的快速预估，实现维修单元体转子的高效选配。
[0060]
高压组合转子3的压气机转子1与涡轮转子2如图1a所示，压气机转子1与涡轮转子2组合后会形成一条新的实际旋转轴线31(如图1b所示)，即，高压组合转子3旋转时会绕着实际旋转轴线31旋转，因转子跳动影响，高压组合转子3结合面的偏心量记为s，定义为高压组合转子中间结合处的中心偏离于实际旋转轴线的距离，不考虑零件圆度误差时，跳动值为偏心量s的2倍。
[0061]
一般来说，采用螺栓连接的两个转子其可选择的装配相位等于螺栓孔数量，不同相位对接时组合转子结合面处跳动大小不等。螺栓孔一般在周向等距均匀分布，因此，当螺栓孔数量为i时，调节装配相位角的步进值为360
°
/i，其中i为大于1的正整数。
[0062]
为了能对高压组合转子结合面处跳动进行快速预估并找到最优的跳动组合，可以转换一个角度来分析组合转子的跳动特征。以高压组合转子3的结合面为基准进行考察，如图2a所示，当压气机转子与涡轮转子处于某一装配相位时，高压组合转子结合面的偏心量s较大，当旋转涡轮转子2使其处于其他的装配相位后，如图2b所示，高压组合转子结合面的偏心量s减少。
[0063]
如图3所示，图中的x、y、z为相互垂直的坐标轴，o点为三个坐标轴的交点，首先将高压组合转子3的结合面调整至图4中的yoz平面上，将高压组合转子3中压气机转子轴线11调整到xoz平面上，此时涡轮转子轴线21可能朝向于空间中的任意角度。这种表达方式也可以被等效理解为：高压组合转子3是以两个维修单元体转子(即压气机转子1与涡轮转子2)结合面为基准将各转子另外一端支承轴颈处的偏心错开一定相位角度后对接装配而成。由空间几何关系可以快速得到组合转子偏心量s与压气机转子和涡轮转子相关参数之间的关系表达式，该表达式如下：
[0064][0065]
其中：s为高压组合转子结合面的偏心量；l1为压气机转子的轴向长度；p1为压气机转子的前端偏心量；l2为涡轮转子的轴向长度；p2为涡轮转子的后端处偏心量；θ为装配相位角，其取值范围为0～360
°
。
[0066]
快速评估时可以将2倍s值作为高压组合转子结合面的径向跳动值。
[0067]
如图4所示，本实施例提供一种航空发动机转子装配相位优化方法，所述航空发动
机转子装配相位优化方法包括：
[0068]
获得压气机转子的轴向长度l1、压气机转子的前端偏心量p1及前端偏心相位、涡轮转子的轴向长度l2、涡轮转子的后端偏心量p2及后端偏心相位；
[0069]
根据数学模型，获得高压组合转子结合面的偏心量s与装配相位角θ之间的关系；
[0070]
根据高压组合转子结合面的偏心量s的要求，调整装配相位角θ。
[0071]
在本实施例中，根据压气机转子1及涡轮转子2的尺寸特征建立数学模型，通过数学模型，建立高压组合转子结合面与装配相位角θ之间的关系，根据该关系，能够快速评估出压气机转子1和涡轮转子2组装成的组合转子结合面处偏心量或者跳动值范围区间，并可以给出最优的装配相位角，有效指导实际装配工作，提高装配效率。若实际的螺栓孔分布不能达到最优的装配相位，则选取最接近的最优装配相位的装配相位。
[0072]
压气机转子1的前端偏心量及前端偏心相位的测量原理如图5所示，具体地，测量得到压气机转子1以后端结合面处配合止口为基准时前端支承轴颈处的跳动值，通过最小二乘法拟合出压气机转子1的前端偏心量p1及前端偏心相位。该前端偏心量也可以近似认为是0.5倍跳动值。
[0073]
类似地，涡轮转子2的后端偏心量及后端偏心相位的测量原理如图6所示，测量得到涡轮转子2以前端结合面处配合止口为基准时后端支承轴颈处的跳动值，通过最小二乘法拟合出涡轮转子2的后端偏心量p2及后端偏心相位。该后端偏心量也可以近似认为是0.5倍跳动值。
[0074]
本实施例的优化方法将部装阶段的压气机转子跳动评价方式优化为以后端结合面处外止口12为基准对前端支承轴颈处偏心量的要求；同时，将涡轮转子跳动评价方式优化为以前端结合面处内止口22为基准对后端支承轴颈处偏心量的要求。
[0075]
根据上述公式(1)，获得高压组合转子结合面的偏心量与装配相位角的关系曲线(如图7所示)，根据该曲线，可以快速、直观地得到高压组合转子结合面的偏心量s的范围，并能够得到最佳装配相位角θ。
[0076]
本实施例还提供一种航空发动机转子选配方法，当有若干个压气机转子(比如m个)和若干个涡轮转子(比如n个)选配装配时，其中m与n都为大于等于一的整数。假如m≥n，则最多只能配对出n个满足要求的高压组合转子。
[0077]
如图8所示，本实施例的航空发动机转子选配方法包括：
[0078]
提供m个压气机转子和n个涡轮转子，其中m与n都为大于等于一的整数；
[0079]
将压气机转子1与涡轮转子2两两任意组合，得到m
×
n组的转子组合；
[0080]
利用如前所述的航空发动机转子装配相位优化方法，获得每组转子组合中的高压组合转子结合面的偏心量与装配相位角之间的关系；
[0081]
筛选出所有能够符合高压组合转子结合面的偏心量要求的转子组合；
[0082]
根据优化目标，选择转子组合，完成转子选配。
[0083]
在本方案中，对所有的压气机转子与涡轮转子的组合代入前述的数学模型，即公式(1)中，获得所有的转子组合中的高压组合转子结合面的偏心量与装配相位角之间的关系，根据优化目标，选择相应的转子组合。
[0084]
若所述优化目标为在m个压气机转子和n个涡轮转子中，获得具有最多数量的能够符合高压组合转子结合面的偏心量要求的转子组合的选配方式，则列出所有的选配方式，
找到每个压气机转子能够配对成功的组合个数，并按组合个数从小到大的顺序对压气机转子进行排序(当m≤n时，则根据涡轮转子的情况进行排序，最多能配对成功m个组合转子)，然后依次配对出压气机转子和涡轮转子，其中压气机转子和涡轮转子的对接相位按照该对组合转子符合要求的偏心量s(跳动值为2倍s值)所对应的θ角执行，完成转子选配。
[0085]
因此，在给定高压组合转子中间结合面处偏心量或者径向跳动值要求时，本实施例的选配方法可以对批量维修单元体转子进行快速选配。
[0086]
若所述优化目标为获得高压组合转子结合面的偏心量最小的转子组合，则计算每个转子组合中所能够达到的高压组合转子结合面的最小偏心量，选择能够达到所述最小偏心量的转子组合。
[0087]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。