航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)故障研究與實(shí)踐

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)排故技術(shù)是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中存在的相應(yīng)故障采取一定的技術(shù)手段排除的控制技術(shù)。本研究針對(duì)性的分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)抱轉(zhuǎn)故障問題，重點(diǎn)研究低壓轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)故障，分析了抱轉(zhuǎn)故障產(chǎn)生的基本原因，提出了相應(yīng)的改善方案，并通過大量的實(shí)踐，在某抱轉(zhuǎn)故障發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，最終確定了故障點(diǎn)，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)試車低壓轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)故障。該項(xiàng)研究提高我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞：抱轉(zhuǎn)故障；排除；研究實(shí)踐

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)試車故障種類較多，一般常規(guī)故障為振動(dòng)故障、性能故障、抱轉(zhuǎn)故障、漏油故障、成附件故障等，其中抱轉(zhuǎn)故障是發(fā)動(dòng)機(jī)試車特別是磨合試車時(shí)的主要故障形式之一，其中包括高壓抱轉(zhuǎn)和低壓抱轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)是指在發(fā)動(dòng)機(jī)完成階段性的試車或試飛任務(wù)后處于停止運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過一定的時(shí)間后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子（高壓或低壓）無法自由轉(zhuǎn)動(dòng)，且經(jīng)過較長時(shí)間的停留和降溫（幾個(gè)小時(shí)）后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)漸趨于自由，最終達(dá)到靈活轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，一般累計(jì)持續(xù)時(shí)間為2-4個(gè)小時(shí)，大部分故障隨著試車時(shí)數(shù)的增加及試車磨合狀態(tài)的改變逐漸改善或者消除，但部分發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)故障會(huì)一直伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)試車和使用整個(gè)過程，這就造成了發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間變長，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)試車或執(zhí)行任務(wù)飛行的周期。

2 故障描述

2.1 故障描述

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試車磨合中的正常抱轉(zhuǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)試車四階段前的高低壓抱轉(zhuǎn)現(xiàn)象，一般特征為發(fā)動(dòng)機(jī)停車后一段時(shí)間后，高、低壓轉(zhuǎn)子開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)卡滯變緊跡象，然后完全不能旋轉(zhuǎn)，經(jīng)一段時(shí)間后轉(zhuǎn)靜子脫開，隨著試車狀態(tài)的提高和試車時(shí)間的變長，該高、低壓抱轉(zhuǎn)現(xiàn)象表現(xiàn)逐漸降低或者消除，該現(xiàn)象為正常試車時(shí)的高、低壓轉(zhuǎn)子磨合過程中的必經(jīng)過程。

2.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試車中的異常抱轉(zhuǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)低壓異常抱轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)四階段后，發(fā)動(dòng)機(jī)停車后一段時(shí)間后，低壓轉(zhuǎn)子開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)卡滯變緊跡象，然后完全不能旋轉(zhuǎn)，經(jīng)一段時(shí)間后轉(zhuǎn)靜子脫開，此過程中高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一直處于正常狀態(tài)。而這個(gè)狀態(tài)一直持續(xù)至發(fā)動(dòng)機(jī)完成工廠試車或者是至檢驗(yàn)試車提交，特別是后續(xù)大狀態(tài)試車增加時(shí)抱轉(zhuǎn)現(xiàn)象明顯嚴(yán)重。

高壓異常抱轉(zhuǎn)，高壓抱轉(zhuǎn)現(xiàn)象一般隨著發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)數(shù)增加，磨合到位后一般逐漸消失，一般一個(gè)工廠磨合試車時(shí)狀態(tài)基本改善。而高壓異常抱轉(zhuǎn)則表征為高壓壓氣機(jī)試車后轉(zhuǎn)子出現(xiàn)無法轉(zhuǎn)動(dòng)且最終不能脫開旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

2.2 低壓抱轉(zhuǎn)故障影響

2.2.1 由于發(fā)動(dòng)機(jī)低壓抱轉(zhuǎn)在試車過程中表現(xiàn)不易被發(fā)現(xiàn)，所以在廠內(nèi)試車時(shí)一般在階段停車時(shí)間較長時(shí)，重新進(jìn)行階段開車試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在起動(dòng)電機(jī)起動(dòng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速要求時(shí)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為0，該狀態(tài)確認(rèn)為低壓抱轉(zhuǎn)。低壓抱轉(zhuǎn)在廠內(nèi)試車時(shí)只有在階段停車時(shí)間稍長進(jìn)入抱轉(zhuǎn)時(shí)間段重新開車起動(dòng)時(shí)被發(fā)現(xiàn)。

2.2.2 在外場發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)狀態(tài)時(shí)，低壓抱轉(zhuǎn)如無特殊監(jiān)控，不容易被發(fā)現(xiàn)，如該狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)并至點(diǎn)火時(shí)，由于低壓未轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)造成燃燒室燃燒后的高溫燃?xì)饬鞅晃赝夂瓋?nèi)，造成外涵機(jī)匣燒蝕故障

2.2.3 另外發(fā)動(dòng)機(jī)抱轉(zhuǎn)故障在外場監(jiān)控使用時(shí)，增加飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)地面維護(hù)周期，會(huì)影響飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)的安排。

3 原因分析

基于某發(fā)動(dòng)機(jī)低壓抱轉(zhuǎn)故障，從發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

某新機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在廠內(nèi)試車中經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓抱轉(zhuǎn)時(shí)間較長的問題，嚴(yán)重時(shí)在第二次試車（檢驗(yàn)試車）時(shí)仍存在該問題，初步統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)試車中低壓轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)故障率達(dá)25%，大大延長了試車周期，影響正常生產(chǎn)、交付。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)、靜子間隙和磨損情況統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析和重點(diǎn)部位進(jìn)行冷態(tài)、熱態(tài)間隙變化等算分析，現(xiàn)有配合情況和狀態(tài)進(jìn)行完善提出改進(jìn)方案，將發(fā)動(dòng)機(jī)檢驗(yàn)試車中低壓轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)故障率控制到15%以內(nèi)。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)、靜子間隙和磨損情況統(tǒng)計(jì)、比分析

對(duì)部分某新機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主要幾處轉(zhuǎn)、靜子配合間隙進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并與大修機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)類似處間隙進(jìn)行了對(duì)比分析。

3.1.1 壓氣機(jī)部分對(duì)比分析

某新機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與大修發(fā)動(dòng)機(jī)低壓部分，某新機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)為3級(jí)，大修發(fā)動(dòng)機(jī)為4級(jí)。

根據(jù)文件規(guī)定的某新機(jī)和大修發(fā)動(dòng)機(jī)低壓氣機(jī)裝配間隙（數(shù)據(jù)略）及實(shí)際裝配間隙（見圖1、2、3）、機(jī)匣磨損統(tǒng)計(jì)情況看，某新機(jī)和大修發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片葉尖與靜子機(jī)匣、轉(zhuǎn)子上篦齒與機(jī)匣內(nèi)環(huán)間隙和磨損情況基本相當(dāng)，無明顯差別。

3.1.2 渦輪部分的對(duì)比分析

此處選擇某新機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)5處磨損相對(duì)嚴(yán)重的轉(zhuǎn)、靜子間隙，與大修發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)部位的間隙情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比。

（1）各處間隙設(shè)計(jì)規(guī)定值比較（見圖4）

從以表4可以看出，某新機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)此5處間隙設(shè)計(jì)值均較大修發(fā)動(dòng)機(jī)偏小，某新機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)更容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)、靜子碰磨情況。

（2）各處間隙實(shí)際情況對(duì)比

對(duì)某新機(jī)新機(jī)與大修發(fā)動(dòng)機(jī)部分間隙情況進(jìn)行對(duì)比，以下為某新機(jī)新機(jī)與大修間隙2、3、4、5處的實(shí)際裝配間隙情況的對(duì)比。

從以上各圖及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，某新機(jī)新發(fā)動(dòng)機(jī)間隙基本都小于或接近于大修發(fā)動(dòng)機(jī)，從數(shù)值上來看，某新機(jī)配合間隙多集中在設(shè)計(jì)值下限。

（3）磨損情況對(duì)比

根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)，重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)了間隙1處的磨損情況對(duì)比如下：

從磨損情況對(duì)比圖上可以看出，不論是新機(jī)還是返廠機(jī)，磨損情況都比較嚴(yán)重，甚至超過了大修的大修發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損情況。

3.2 重點(diǎn)部位冷態(tài)、熱態(tài)間隙變化計(jì)算分析

通過上述統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)影響渦輪轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)各零部件（見圖11）進(jìn)行了相應(yīng)的變形計(jì)算和間隙計(jì)算分析，計(jì)算選取了發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、剛停車狀態(tài)以及模擬停車后機(jī)件不同溫度的過渡狀態(tài)，分析了不同狀態(tài)下各部位間隙與降溫速度的關(guān)系，給出了各部位間隙隨發(fā)動(dòng)機(jī)停車后溫度狀態(tài)變化曲線及各部位間隙隨溫差的變化曲線和分析結(jié)論。

低壓渦輪部件變形后間隙計(jì)算中，轉(zhuǎn)動(dòng)件考慮了自身的離心載荷及溫度的影響，而靜子件考慮了工作狀態(tài)的溫度影響，均未考慮氣動(dòng)力。

各部位在不同狀態(tài)下配合間隙計(jì)算結(jié)果見表1～3和圖12～14

從以上統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來看，某新機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)、靜子間的配合及工作后的機(jī)件磨損情況與大修發(fā)動(dòng)機(jī)基本相當(dāng)，應(yīng)為合理范圍；高壓靜子內(nèi)環(huán)蜂窩與轉(zhuǎn)子篦齒間隙設(shè)計(jì)值以及高壓篦齒盤與燃燒室前封嚴(yán)環(huán)蜂窩間隙設(shè)計(jì)值相對(duì)偏小；渦輪部件的轉(zhuǎn)、靜子（高、低壓轉(zhuǎn)子間）配合間隙均偏小，機(jī)件磨損情況也較重。計(jì)算分析表明渦輪部件轉(zhuǎn)靜子配合間隙停車后隨溫度的變化較為明顯，在發(fā)動(dòng)機(jī)停車后一段時(shí)間，當(dāng)轉(zhuǎn)、靜子溫差達(dá)到一定量時(shí)，盤間封嚴(yán)環(huán)篦齒可能會(huì)出現(xiàn)與機(jī)匣配合間隙為負(fù)值的情況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)抱轉(zhuǎn)有一定的影響。

4 實(shí)施方案

針對(duì)以上分析情況從低渦相關(guān)轉(zhuǎn)靜子部件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)低壓抱轉(zhuǎn)故障分析，得出主要可能產(chǎn)生抱轉(zhuǎn)故障的故障點(diǎn)。

4.1 初步實(shí)施方案

為進(jìn)一步排除和解決發(fā)動(dòng)機(jī)抱轉(zhuǎn)故障，通過試驗(yàn)采取了如下的控制措施，控制措施及試驗(yàn)結(jié)果如下：

4.1.1 將低渦一、二導(dǎo)蜂窩磨損出的溝槽加深至設(shè)計(jì)要求上限，后續(xù)試車時(shí)仍出現(xiàn)抱轉(zhuǎn)故障。

4.1.2 調(diào)整“H”值（表征低渦轉(zhuǎn)子相對(duì)高渦轉(zhuǎn)子的軸向距離），保證檢裝時(shí)“H”值與工廠裝配時(shí)盡量接近，后續(xù)試車時(shí)仍出現(xiàn)抱轉(zhuǎn)故障。

4.1.3 調(diào)整“D”值（表征低渦轉(zhuǎn)子相對(duì)低渦二導(dǎo)的軸向距離），向前或向后調(diào)整低渦轉(zhuǎn)子相對(duì)靜子的軸向位置，后續(xù)試車時(shí)仍出現(xiàn)抱轉(zhuǎn)故障。

4.1.4 對(duì)低渦一、二導(dǎo)蜂窩補(bǔ)加工到設(shè)計(jì)要求上限，對(duì)低渦一、二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片補(bǔ)加工到設(shè)計(jì)要求下限，后續(xù)試車時(shí)仍出現(xiàn)抱轉(zhuǎn)故障。

4.1.5 串裝其他臺(tái)份低壓渦輪轉(zhuǎn)子，后續(xù)試車時(shí)仍出現(xiàn)抱轉(zhuǎn)故障。

4.2 進(jìn)一步方案開展

由于以上相關(guān)技術(shù)方案未改善該故障的降低。對(duì)相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步檢查后發(fā)現(xiàn)，軸承座前封嚴(yán)環(huán)銀銅涂層磨損痕跡為較窄的細(xì)溝（以前的發(fā)動(dòng)機(jī)磨損痕跡多為溝槽），部分發(fā)動(dòng)機(jī)在封嚴(yán)環(huán)前方存在黑色痕跡，選取兩臺(tái)臺(tái)對(duì)前封嚴(yán)環(huán)銀銅涂層補(bǔ)加工后進(jìn)行試驗(yàn)試車，均未出現(xiàn)抱轉(zhuǎn)故障。由試驗(yàn)試車結(jié)論可以推斷，前期造成低壓抱轉(zhuǎn)故障的主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)停車后低渦轉(zhuǎn)子與前封嚴(yán)環(huán)之間存在卡滯。

4.2.1 試驗(yàn)試車情況

某臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)將原臺(tái)封嚴(yán)環(huán)進(jìn)行補(bǔ)加工至直徑260.70～260.75，檢查封嚴(yán)環(huán)跳動(dòng)為0.04，進(jìn)行試驗(yàn)試車，未出現(xiàn)抱轉(zhuǎn)故障。

某試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)將原臺(tái)封嚴(yán)環(huán)進(jìn)行補(bǔ)加工至直徑260.70，檢查封嚴(yán)環(huán)跳動(dòng)為0.05，進(jìn)行試驗(yàn)試車，未出現(xiàn)抱轉(zhuǎn)故障。

咨詢?cè)O(shè)計(jì)，此處間隙擴(kuò)大后理論上會(huì)對(duì)后腔回油溫度、滑油消耗量造成影響， 經(jīng)查兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)ZJ狀態(tài)后腔回油溫度及滑油消耗量均屬于正常經(jīng)查，抱轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)NO.5跑道篦齒與軸承座前封嚴(yán)環(huán)銀銅涂層配合間隙均處于設(shè)計(jì)要求中限偏上（設(shè)計(jì)要求0.1～0.175，實(shí)際0.14～0.145），相比同期生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)無差異，相比02批發(fā)動(dòng)機(jī)（機(jī)件為去年生產(chǎn)，與抱轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)同期試車）間隙偏大，但封嚴(yán)環(huán)直徑基本一致。

4.2.2 原因初步分析

低壓轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)故障原因?yàn)檩S承座前封嚴(yán)環(huán)位置造成。

4.2.3 后續(xù)試驗(yàn)情況及結(jié)論

經(jīng)過軸承座前封嚴(yán)環(huán)內(nèi)徑在工廠試車后故檢時(shí)需進(jìn)行測量，要求直徑為260.3～260.6，因此將軸承座前封嚴(yán)環(huán)內(nèi)徑位置的尺寸改為不大于260.60。

經(jīng)廠內(nèi)試車驗(yàn)證，各臺(tái)抱轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)均在貫徹該尺寸后試車通過，未再發(fā)生抱轉(zhuǎn)故障。

5 結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)故障的原因是由于軸承座前封嚴(yán)環(huán)篦齒與涂層之間間隙不均勻，會(huì)出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)停車后篦齒局部停留在磨損出的溝槽內(nèi)；而前封嚴(yán)環(huán)組合加工后，試車時(shí)篦齒與涂層之間間隙較均勻，停車后有可能整圈篦齒均停留在磨損出的細(xì)溝內(nèi)，由于接觸面積的增大，造成摩擦力增大從而引發(fā)抱轉(zhuǎn)故障。

抱轉(zhuǎn)故障的解決方案是將該軸承座前封嚴(yán)環(huán)篦齒的尺寸按照工廠后磨損變形的要求加大至上限，以控制篦齒與涂層之間間隙，使試車時(shí)在高溫變化的情況下有較大的變化余量，減少抱轉(zhuǎn)的可能性。

對(duì)于該尺寸調(diào)整后的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)試車后跟蹤，抱轉(zhuǎn)故障消除，滑油回油溫度和消耗量未出現(xiàn)異常，發(fā)動(dòng)機(jī)試車性能正常，不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作，方案可行有效。