1、涡扇发动机先进装配工艺与装备 孙贵青 王彤 吕玉红 中国航发沈阳发动机研究所 摘 要： 针对涡扇发动机装配技术的发展趋势和应用特点, 对整机装配、智能拧紧、装配检测 3 方面先进工艺进行分析总结。涡扇发动机采用脉动装配线和多自由度装配平台进行整机装配, 大幅度提高生产效率;智能拧紧设备能够实现对发动机连接件的定力矩、定转角精确控制及监控, 改善关键转子部件连接的均匀性、稳定性和可靠性;转子堆叠优化技术实现对装配位置的预测和同心度优化, 电子塞尺可消除不同操作者带来的测量误差。发动机数字化装配将不断引入各种高效先进的自动化智能设备, 自动化、智能化、数字化是未来涡扇发动机装配工艺与装备的发展方向
2、。关键词： 涡扇发动机; 整机装配; 智能拧紧; 装配检测; 作者简介：孙贵青 硕士、高级工程师, 研究方向为航空发动机装配工艺。E-mail:。Advanced Process and Equipment for Turbofan Engine AssemblingSUN Guiqing WANG Tong L Yuhong AECC Shenyang Engine Research Institute; Abstract： According to the development trend and application characteristics of turbofan engin
3、e assembly technology, the three advanced processes of overall assembly, intelligent tightening and assembly detection are analyzed and summarized. turbofan engine applies pulsating assembly line and multi-degree of freedom assembly platform for overall assembly to highly increase production efficie
4、ncy; Intelligent tightening equipment can precisely control and monitor the fixed torque and angle of engine connecting parts to improve the connected uniformity, stability and reliability of critical rotor parts; Rotor stack optimization technology can optimize assembly position prediction and conc
5、entricity, electronic stopper can eliminate measurement error caused by different operators. The engine digital assembly is constantly introducing a variety of efficient and advanced automated intelligent equipments, and automation, intelligence, digitizing will be the future development direction o
6、f turbofan engine assembly process and equipment.Keyword： Turbofan engine; Machine assembly; Intelligent tightening; Assembly measurement; 装配作为制造的最终环节, 对产品质量和成本等具有直接影响1-2。随着现代工业技术的不断进步, 轿车、飞机等装配, 始终在积极引进各行业的最新成果, 创造了大量新模式、新技术、新装备, 自动化、智能化、数字化、精益化等处于较高的水平, 引领着装配技术发展。相比而言, 航空发动机装配尚存在着一定差距3, 但国外发达国家对其装
7、配技术已经日益重视, 从公开信息看, 在整机装配、关键部件螺栓拧紧、装配检测上已应用了较多先进装配工艺与装备。整机装配1 脉动装配线随着航空制造技术的快速发展, 通过借鉴轿车及飞机等有益经验, 先进民航大涵道比涡扇发动机已采用脉动装配线进行批生产4-8。与飞机装配特点相比, 涡扇发动机外形和重量远远小于飞机, 零部件刚性较强且有自己的定位与连接基准, 装配中不需要制孔、铆接等机械加工工作, 而且需要进行多次重复装配。在技术和管理复杂程度上, 与飞机脉动装配线及轿车连续装配线相比, 涡扇发动机生产线设计及建设相对简单。但航空发动机零部件结构复杂, 机件装配精度较高且装配路径可视性、可达性较差。因
8、此, 涡扇发动机脉动装配线主要针对主机组装及外部附件、管路等安装工作。法国的斯奈克玛 (Snecma) 公司改变了传统的继承自 GE 的在立式固定机架上“穿糖葫芦”式的总装过程 (图 1) 9, 在 2011 年建成 CFM56 发动机的脉动装配线 (图 2) , 完成一台发动机仅需 10 天, 相比 1999 年需要 29 天, 可减少装配周期 65%。这条脉动装配线每年可生产 850 台发动机, 并可用于 LEAP 发动机的装配。美国 Pratt德国MTU 发动机公司使用如图 5 所示的设备, 增加了发动机绕其轴心滚转运动方向的自由度, 具备升降、旋转、翻转等多自由度运动功能11, 与当前
9、通用的装配车 (图 6) 相比, 可有效降低操作高度, 提高人机操作效能。关键部件螺栓拧紧涡扇发动机零部件间连接工艺主要为螺纹连接, 发动机转子部件工作状态为高速、高温、高压、高负荷, 且始终处于振动之中。如果关键连接螺栓 (或螺母、螺钉) 出现松动、断裂等问题, 或是螺栓连接所产生的夹紧力分布不均匀, 都会直接影响到整机的性能和可靠性12。为了改善关键转子部件连接的均匀性、稳定性和可靠性, 国外很多发动机厂商已从以往的手动工具向智能拧紧设备转变。利用设备中计算机控制的直流电动拧紧扳手, 实现对连接件的定力矩、定转角精确控制及监控, 避免漏拧等质量事故发生, 并实现装配后的可追溯性, 从而使得
10、装配过程的控制和质量保证变得简单易行。如在 V2500 涡扇发动机中, 高压压气机 3-8 级转子鼓筒与 9-12 级转子鼓筒间的螺栓连接, 采用的是如图 7 所示的拧紧设备;GE90 涡扇发动机中, 低压涡轮轴与低压涡轮转静子间的螺栓连接, 采用的是如图 8 所示的拧紧设备。图 1 法国斯奈克玛公司采用立式固定框架总装 Fig.1 Final assembly by using vertical mounted frame in Snecma 下载原图图 2 CFM56 发动机的脉动装配生产线 Fig.2 Pulsating production line for CFM56 engine
11、下载原图图 3 Pratt&Whitney 发动机公司建立的发动机装配脉动生产线 Fig.3 Pulse production line for engine, built by Pratt&Whitney engine company 下载原图图 4 生产线模块化输送系统 Fig.4 Production line of modular conveyor system 下载原图图 5 德国 MTU 发动机公司总装设备 Fig.5 German MTU assembly equipment 下载原图图 6 斯贝发动机总装现场图 Fig.6 Final assembly of SPEY engi
12、ne 下载原图装配检测随着计算机、精密仪器、数字化测试系统等技术的日益发展, 在应用三坐标测量机、转子叶尖高速磨床等设备基础上, 为了提高装配质量和效率, 近年来涡扇发动机装配也在积极定制或引入先进装配检测设备, 用于装配数据采集和指导精准装配。1 转子堆叠优化设备涡扇发动机转子通常由多级盘轴组成, 跨度大、同心度要求高。对于高压压气机转子组装, 传统工艺采用的是各级盘轴任意相位连接, 同心度超差则分解重装, 在组装前没有明确各级盘轴的周向相对位置, 装配的效率和质量都受到严重制约, 带来整机振动超限隐患。针对此状况, CFM56 等涡扇发动机引入了Precitech 公司开发的转子堆叠优化设
13、备 SPS-1000L (图 9) , 可实现装配位置的预测和同心度优化, 首次装配成功率提高到 98%, 且组装后同心度最优, 从而提高了转子装配的效率和质量。该设备采用了精密气浮转台、重载调倾调心工作台, 并同时使用 4 个高精度微位移传感器, 可以准确测量出每一个工件的圆度、同心度、垂直度、跳动值, 测量得到的数据都会存储在计算机内, 当所有工件完成测量后, 计算机会将测量的数据从内存中调出, 对各工件间相对组装相位进行计算后呈现在显示器上, 帮助消除由不正确组装造成的“曲轴”和“弧形”类型错误。图 10 对比了不同装配下的惯性轴状态。2 电子塞尺叶尖间隙是航空发动机装配中重点关注的结构
14、参数。以往只能采用薄片式机械塞尺或阶梯塞规测量, 而 Capacitec 公司开发了 GapmanGEN3便携式电子塞尺, 主要由双电容传感器合成的位置补偿测量单元与软件驱动的微控制器集成 (图11) 。此工具可消除不同操作者带来的测量误差, 效率提高 4 倍以上。图 7 V2500 发动机使用的智能拧紧设备 Fig.7 Intelligent tightening device used by V2500 engine 下载原图图 8 GE90 发动机使用的智能拧紧设备 Fig.8 Intelligent tightening device used by GE90 engine 下载原图图
15、 9 转子堆叠优化设备 Fig.9 Rotor stack optimization equipment 下载原图图 1 0 不同装配方式下的惯性轴对比 Fig.10 Comparison of the inertial axis under different assembling modes 下载原图图 1 1 电子塞尺 Fig.11 Gapman portable electronic feeler gage 下载原图塞尺分辨率达到 0.0001mm, 精度为全量程0.5%, 重复性为全量程0.05%, 可存储 10000 多条数据, 并具有数据统计分析功能, 数据输出可支持 USB 模
16、式或无线模式。图 12 为电子塞尺在发动机组装中的应用实例。结论目前, 对于 CFM56、V2500 等广泛应用的涡扇发动机, 自动化技术已扩展至零部件生产、维修等领域。如新加坡航空发动机私人有限公司 (SAESL) 利用 ABB 公司的技术, 建立了全球第一家压气机单元自动化维修中心。随着数字化制造技术、人工智能技术、机器人技术的不断发展, 装配作为涡扇发动机数字化制造的重要一环, 会不断引入各种高效先进的数字化设备, 如双相机移动式三坐标测量系统、机器视觉系统等, 在计算机的控制下对装配中关键参数进行自动、快速、精密测量, 并对测量数据进行处理。可以预见, 涡扇发动机智能化、数字化、精益化
17、装配将很快迎来发展的新阶段。图 1 2 电子塞尺在发动机组装中的应用 Fig.12 Application of electronic feeler gage in the engine assembly 下载原图参考文献1航空制造工程手册总编委会.航空制造工程手册:发动机装配与试车M.北京:航空工业出版社, 1995.Aeronautical Manufacturing Engineering Handbook Chief Editorial Board.Aeronautical manufacturing engineering handbook:engine assembly and t
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