某渦軸發動機防砂改進研究與驗證

陳欣，侯憲勇，陳蔚興

（中國南方航空工業集團有限公司，湖南株洲 412002）

0 引言

某渦軸發動機自投入使用以來，在外場已發生多起由于燃氣發生器后軸承損壞而導致空中停車的故障，不但造成了較大的經濟損失，而且影響了飛機的正常使用，為此對其進行了發動機防砂結構改進設計。

1 燃氣發生器結構和功能

1）燃氣發生器結構。燃氣發生器包括轉子系統和靜子系統。轉子系統主要由離心壓氣機、噴射油道、甩油盤、鼓筒軸和2 級渦輪組成，靜子系統主要由中介機匣、擴壓器、渦輪機匣和火焰筒組成；結構如圖1 所示。

2）燃氣發生器的功能。離心壓氣機壓縮空氣經擴壓器整流進入燃燒室，一部分直接進入火焰筒參與燃燒，一部分空氣經一導空心葉片、火焰筒內環組件、迷宮式封嚴套筒和鼓筒軸的3 個腰形孔進入鼓筒軸內，用于冷卻燃氣發生器的一、二級渦輪盤；氣路如圖2 所示。

圖1 燃氣發生器結構

圖2 氣路示意圖

2 故障機理

冷卻氣流對鼓筒軸進行冷卻時，砂塵隨冷卻氣流進入了鼓筒軸內，此時砂塵在離心力的作用下從空氣中分離并沉積于鼓筒軸內。隨著發動機工作時間的延長，積砂量增多。發動機工作中沉積的砂塵因振動或慣性力作用而掉塊，使轉子動平衡破壞，發動機振動突然增大，最終造成軸承磨損失效，導致發動機空中停車。

3 改進方案

3.1 初步改進方案

1）結構改進。鼓筒軸積砂導致燃氣發生器轉子存在動平衡破壞隱患，屬結構設計缺陷。為解決該問題，對結構進行改進，以防止砂塵進入鼓筒軸。迷宮式封嚴襯套上對應鼓筒軸3 個腰形孔處增加一個環形折流板（見圖3），起慣性除塵作用，可減少砂塵進入鼓筒軸。

2）試驗驗證。采用初步改進方案的發動機在廠內進行了防砂試驗。試驗證明采用初步改進方案發動機的積砂量下降了66%。試驗結果如表1 所示，試驗表明初步改進方案可以在很大程度上減少發動機鼓筒軸內的積砂量。

3）外場領先使用驗證。采用初步改進方案的發動機在外場領先使用中再次發生了故障，造成了發動機空中停車，表明采用初步改進方案的發動機雖然大幅度地減少了積砂量，但仍然存在發生故障的隱患。

圖3 增加折流板后的氣路

表1 車臺上發動機積砂量試驗

3.2 最終改進方案

3.2.1 改進方案

保持冷卻空氣流路不變，在鼓筒軸內嵌入蜂窩結構。通過蜂窩對砂塵的吸附作用，讓從冷卻空氣中分離的砂塵沉積在蜂窩內，通過蜂窩對砂塵的吸附作用，增大對砂塵的蓄容能力，阻止砂塵成塊掉落。

3.2.2 鼓筒軸結構改進

在鼓筒軸內壁上增加兩排凸臺，在凸臺上鑲嵌蜂窩，蜂窩厚度為5 mm，蜂窩孔隙規格為3.175 mm；改進后的鼓筒軸結構見圖4。

圖4 帶蜂窩的鼓筒軸組件示意圖

3.2.3 改進后鼓筒軸的計算分析

對改進后的鼓筒軸進行計算分析，以了解改進后鼓筒軸的強度、模態、轉子動力特性是否滿足發動機的使用要求。

1）強度計算。強度計算采用8 節點六面體單元有限元模型，所用程序為ANSYS 程序。

計算結果表明，改進后鼓筒軸的應力水平與原結構相當，改進前后最大應力值和強度儲備見圖5、圖6 和表2。

圖5 改進前鼓筒軸應力分布

圖6 改進后鼓筒軸應力分布

計算結果表明，改進前后屈服強度滿足應力標準要求，原結構極限強度略低于應力標準，但使用經驗表明，原結構鼓筒軸設計強度足夠，改進后與原結構相當，因此改進后鼓筒軸的強度滿足發動機使用要求。

2）鼓筒軸模態分析。計算和試驗分析鼓筒軸的固有模態，計算分析采用有限元法，試驗分析采用錘擊法。改進前、后鼓筒軸的模態計算和試驗結果表3。

表2 鼓筒軸改進前、后最大應力和強度儲備

表3 改進前、后鼓筒軸的模態計算和試驗結果

從計算結果來看，3 階、4 階模態頻率較接近，且振型相同，應為不同相位的同一模態。試驗的模態對應于計算中的3 階或4 階模態，試驗結果與計算結果較接近，振型相同。

試驗和計算表明，結構改進后，鼓筒軸的振型不變，但固有頻率有所增大，這是由于改進后鼓筒軸剛度增大所致。

3）轉子動力特性計算。鼓筒軸固有頻率的變化，最終體現為對轉子臨界轉速的影響，因此需對轉子進行動力特性分析。計算分析采用整體傳遞矩陣法。

該渦軸發動機的額定轉速為51 800 r/min，最大轉速為54 390 r/min，最小穩定轉速為34 700 r/min，工作轉速范圍為34700～54390r/min。轉子動力特性計算結果如圖7。

由圖7 可知：第1 階臨界轉速為渦輪盤的彎曲變形；第2 階臨界轉速為鼓筒軸的彎曲變形；第3階臨界轉速為前支點和壓氣機的變形。

轉子動力特性分析表明，發動機轉子1 階臨界轉速的1.2 倍低于最小穩定轉速，2 階臨界轉速的0.8 倍大于最大轉速，滿足準則要求。故改進后的轉子在發動機工作轉速范圍內不會產生共振。

3.2.4 鼓筒軸防砂改進試驗

圖7 轉子系統前3 階臨界轉速及其振型

圖8 吞砂試驗后蜂窩結構積砂效果圖

1）吞砂試驗。試驗所用介質為灰砂，噴砂量為3.0 kg，鼓筒軸內積砂36 g，積砂量占總噴砂量的1.2%，積砂分布均勻，絕大部分沉積在蜂窩芯格內，僅在部分進氣小孔附近存在微小鼓包。噴砂試驗后蜂窩結構積砂效果見圖8。

2）振動試驗和適應性考核試驗。將蜂窩內存有積灰砂34 g 的鼓筒軸安裝在發動機上進行振動試驗，試驗中總掉砂量為4.3 g。

帶36 g 積塵的蜂窩鼓筒軸隨發動機進行了30 h 適應性考核試驗和附加40 次起動試驗。試驗中發動機工作正常，前支點振動一直沒在超出規定值，且考核前后燃氣發生器前支點和后支點的振動無明顯變化。

試驗結果表明蜂窩對沙塵有較強的吸附力，在發動機的各典型工況和工況變化的情況下沙塵沒有掉塊，未引起發動機共振。

3）領先使用驗證。兩臺貫徹最終改進方案的某渦軸發動機交付外場領先使用。在領先使用期內發動機工作正常，無振動偏大和金屬屑報警的異常情況。返廠檢查鼓筒軸積砂均勻且未形成鼓包，轉子動平衡未見明顯變化，燃氣發生器后軸承未見磨損。貫徹最終改進方案的發動機在翻修壽命期內可以保證安全使用。

4 結論

通過在鼓筒軸進氣孔對應的迷宮封嚴襯套處增加折流板，減少了發動機的積砂量；通過在鼓筒軸內增加蜂窩，提高了發動機的容砂能力。最終保證了發動機翻修期內安全可靠工作。

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