中介軸承導致的高低壓轉子隨動旋轉現象

任志遠+韋周慶

摘 要：某航空發動機裝配后，對通過上部減速器機匣對高壓轉子進行搖轉檢查時，多次發現低壓轉子存在跟隨轉動現象，通過放大高、低壓轉子之間摩擦副間隙的方法未排除故障，進一步復查發現故障發動機中介軸承外環過盈量偏大導致軸承裝配游隙偏下限，分析認為軸承裝配時存在較大的負游隙是同轉現象出現的原因，該現象對發動機使用質量無明顯影響，控制軸承裝配游隙后可以排除。

關鍵詞：中介軸承；自由游隙；裝配游隙；同轉

中圖分類號：V235 文獻標識碼：A

為了降低重量，提高推重比，現代航空發動機普遍采用中介軸承結構，即高壓轉子的后支點支承在低壓軸上。某型航空發動機采取中介軸承外環隨高壓轉子旋轉，內環隨低壓轉子旋轉的支承方式，發動機工作時，由于高壓轉子轉速及環境溫度均高于低壓轉子，受離心力和溫度影響，軸承外環變形量大于軸承內環，軸承徑向游隙向增大的方向變化，為了保證軸承的穩定工作，一般軸承外環和內環配合均選取較大的過盈量，使裝配時軸承處于游隙較小的狀態。某航空發動機裝配時，搖轉高壓轉子時發現低壓轉子存在隨動旋轉現象，該現象與軸承的裝配游隙為負游隙相關。

1.故障現象描述

某航空發動機裝配后進行試驗，出現高、低壓轉子隨動旋轉現象，表現為當緩慢轉動高壓轉子時（通過上部減速器機匣），低壓轉子出現隨動旋轉現象，檢查分析發現該現象存在以下規律：

（1）高壓轉子緩慢轉動時低壓轉子出現隨動旋轉現象，當轉速提高時隨動旋轉現象消失，起動機帶轉冷運轉驗證也表明該現象對發動機起動過程無影響。

（2）發動機正常工作時，高壓轉子與低壓轉子反向旋轉，出現隨動旋轉現象時，高壓轉子與低壓轉子同向旋轉。

（3）相比按發動機工作方向即正向旋轉高壓轉子（順航向順時針），反向旋轉高壓轉子時更容易出現低壓轉子隨動旋轉現象。

（4）通過進氣機匣手動兩個方向轉動低壓轉子時，高壓轉子均不隨動旋轉，原因為高低壓轉子間相互作用力較小，轉動低壓轉子時，不足以造成質量更重的高壓轉子（需同時帶動上部減速器和燃、滑油附件轉動）隨動旋轉。

（5）對出現高低壓轉子隨動旋轉現象的發動機進行分解檢查時發現，當發動機轉為豎直狀態，緩慢搖轉高壓轉子時，不出現低壓轉子隨動旋轉現象。

2.故障原因分析

2.1 結構分析

根據高、低壓轉子隨動旋轉的現象分析，造成高低壓同轉的因素應該與高壓轉子與低壓轉子存在相互作用的機件相關。

某航空發動機高壓轉子后支點為中介軸承，外環裝配在高壓轉子上，內環裝配在低渦轉子上，高、低壓轉子反向旋轉，高低壓轉子之間通過篦齒和蜂窩環、篦齒和銀銅涂層進行等摩擦副進行封嚴，從結構看，高、低壓轉子在冷態（出現同轉時）存在互相作用有兩種可能：

（1）中介軸承裝配后游隙較小，可能造成轉動高壓時低壓轉子隨動旋轉。

（2）篦齒、蜂窩（涂層）封嚴處由于存在磨損形成的毛刺、蜂窩/涂層圓度偏大，轉子重力和軸承游隙對間隙存在影響等因素，間隙小點可能在冷態存在相互作用的情況。

2.2 相關要素分析

（1）軸承裝配因素分析

某航空發動機中介軸承外環要求配合值為-0.063mm～-0.091mm，內環要求配合值為-0.023mm～-0.041mm，軸承自由游隙為0.06mm～0.07mm。

軸承內、外環材料均為軸承鋼Cr4Mo4V，其常溫下彈性模量為203.4GPa，對應支承的高渦后軸、低渦軸材料為高溫合金GH4169，其常溫下彈性模量為204GPa，將軸承內、外環、高渦后軸、低渦軸均簡化為厚度一定的圓環，通過有限元分析法對軸承內外環以及對應的支承結構的剛度比進行分析，高渦軸與軸承外環的剛度比為1.8，低渦軸與軸承內環的剛度比為2.02，按相應剛度比計算裝配游隙，理論上裝配游隙為-0.026mm～0.014mm，對故障發動機中介軸承進行測量計算，裝配游隙為-0.019mm～-0.025mm，基本處于設計要求的下限狀態。

進一步復查分析表明軸承外環配合量偏上限是軸承裝配游隙處于要求下限的主要因素，復查發現，為保證軸承的穩定工作，經過有限元分析計算和軸承配合與試驗驗證情況的關聯分析，裝配時將中介軸承外環過盈量由0.063mm～0.091mm控制為0.074mm～0.091mm，并通過對軸承外環鍍鉻處理的方式提高軸承配合緊度，造成軸承外環配合偏上限，裝配游隙偏下限。

（2）封嚴間隙影響分析

高、低壓之間封嚴處間隙要求最小值基本為0.1mm，受機件變形等因素影響后，不排除間隙小點存在相互作用的可能，但多臺發動機通過更換相應封嚴處蜂窩和涂層的方式進行排故，再次試車后仍存在高低壓同轉現象，同時經試車磨合也無法消除同轉現象，判定高低壓同轉現象與封嚴間隙關聯不大。

2.3 原因分析

綜合上述因素分析，發動機高、低壓同轉的原因與中介軸承裝配狀態下游隙偏下限有關，在裝配游隙較小的情況下，受重力影響，中介軸承上部游隙更小，當高壓轉子緩慢轉動時（以順航向順時針為例），由于離心力可忽略，中介軸承外環處一直存在向下的較大壓力，外環和滾子之間摩擦力較大，使滾子在正上方區域內不發生自轉，由外環帶動順航向順時針轉動，內環對滾子施加的摩擦力為順航向逆時針以阻止滾子隨外環轉動，則滾子對內環施加的摩擦力為順航向順時針，當滾子對內環施加的摩擦力大于低壓轉子的轉動阻力時，低壓轉子順航向順時針轉動，表現為與高壓轉子同向旋轉；當高壓轉子轉速增快時，離心力與重力的合力造成壓力大小和方向的不斷變化，由于不能持續的對內環施加摩擦力，低壓不出現隨動現象。而當發動機豎直狀態時，中介軸承不再受向下的正壓力影響，所以也不出現低壓隨動現象。

按設計狀態推算，高壓轉子重量約111kg，質心中心距約171mm，高渦轉子重量約138kg，質心中心距約195mm，理想狀態下計算離心力，當轉速w=20rad/s，即約192轉/min時，離心力即可抵消重力作用，實際情況下，由于質心中心距更大，轉速更低時離心力即可抵消重力作用，不再發生低壓隨動現象。

3.故障影響分析

從現象分析，發動機出現高、低壓同轉現象后進行過冷運轉驗證，驗證結果表明該現象對發動機起動無影響。

對中介軸承進行檢查發現，軸承外環配合雖然過盈較大，但仍在設計要求范圍內，發動機工作時受離心力和熱變形影響，中介軸承游隙增大，對后續工作不產生影響。

該現象只在發動機冷態出現，體現的應力水平遠小于工作過程中的應力水平和機件的應力許用水平，不會造成機件的結構性損傷，對后續工作不產生影響，綜合考慮該現象對發動機使用質量無影響。

結論

為保證轉子的穩定運行，中介軸承設計狀態存在較大的內外環過盈配合，裝配狀態會產生負游隙，同時裝配時對軸承外環配合進行控制造成裝配游隙偏向下限，當裝配游隙偏下限時，搖轉高壓轉子產生的拖動力會使低壓轉子跟隨轉動，這種隨動現象體現的應力水平較小，對發動機使用質量無影響。

參考文獻

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