基于故障樹法的發動機轉靜子刮磨故障分析

楊洋 張再德

摘 要：航空發動機是當代最精密的機械產品之一[1]，零件數目多，系統復雜，研制期間容易出現故障且故障原因較難排查。本文介紹了某型渦軸發動機轉靜子刮磨故障現象。通過故障樹分析方法，針對性的進行了相關檢查工作。結合檢查結果對故障機理進行深入研究，并采用整機試驗對故障原因進行驗證。最終采取相應的措施排除故障。

關鍵詞：發動機轉子;卡滯;故障分析

中圖分類號：TK407 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0069-02

1 故障描述

某型航空發動機試車時，運行約3小時后突然發出尖銳的異響，發動機振動值迅速上升并超過瞬態限制值，試驗臺緊急停車。停車后檢查發現燃氣渦輪轉子卡滯。

如圖1所示，燃氣渦輪葉片、燃氣渦輪盤、承力機匣、隔熱擋板、燃氣渦輪軸承座以及雙篦齒封嚴環形成了一個封閉腔，發動機分解檢查發現該封閉腔內有大量金屬粉末。雙篦齒封嚴環的大篦齒磨損嚴重，燃氣渦輪轉子上的鎖片有翻起斷裂現象。此外，壓氣機部件轉靜子刮磨嚴重，燃氣渦輪轉子葉尖有輕微刮磨現象。

2 故障樹分析

結合故障現象以及分解檢查情況，初步分析認為造成發動機燃氣渦輪轉子卡滯的主要原因是燃氣渦輪轉子雙篦齒封嚴環與燃氣渦輪軸承座刮磨粘結。為排查刮磨的原因，有必要復查該處加工、設計是否存在異常情況。篦齒間隙偏小、零件原材料不合格、零件疲勞斷裂和外來物是可能導致該處刮磨的因素。以雙篦齒封嚴環與燃氣渦輪軸承座刮磨為頂事件，繪制故障樹如圖2所示。

3 故障排查及定位

根據故障樹中列出的故障原因，針對設計和加工進行故障排查工作，排查情況如下。

3.1 篦齒間隙

刮磨部位由雙篦齒封嚴環與燃氣渦輪軸承座形成2道篦齒配合，小篦齒設計間隙為（0.2～0.3）mm，大篦齒設計間隙為（0.4～0.5）mm[2]。通過復查裝機前的精密計量數據，裝配時這2處篦齒間隙均控制在設計要求范圍內。本次刮磨為大篦齒處，配合間隙大于小篦齒處，可判斷轉子不存在由于裝配或試車引起的不同心導致的偏磨的情況（排除底事件X3）。該發動機是在運轉了3小時之后發生的故障，如果是由于間隙偏小引起刮磨，則試車開始時會發生該故障，因此可排除篦齒間隙偏小引起該故障（排除底事件X1、X2）。

3.2 鎖片冶金分析

為排除鎖片材料缺陷或疲勞導致鎖片斷裂掉入篦齒間隙后引起刮磨故障，對鎖片進行了相關冶金檢查。

采用能譜分析方式對鎖片進行了化學成分檢查，結果符合其設計材料GH93的相關技術條件要求。

對鎖片的宏觀斷口分析表明：斷面粗糙，呈灰黑色，存在大量粉末狀覆蓋物，未見疲勞特征。對鎖片的微觀斷口分析表明：斷口形貌為沿晶特征，晶面光滑，未見韌窩、滑移等韌性特征，見圖3。

對鎖片的金相檢查結果表明：鎖片翻轉部位顯微組織奧氏體+碳化物，晶粒度為7級+9級混晶;正常部位顯微組織為奧氏體+碳化物，晶粒度均勻為7級，見圖4。

通過金相組織、化學成分，鎖片材質及冶金質量正常（排除底事件X4）。所有鎖片均出現了二次翻轉，鎖片側面和翻轉面上均粘附了大量GH4169粉末，個別鎖片在翻轉部位斷裂，斷面呈沿晶特征，未見疲勞特征，該部位出現7級+9級混晶。通常情況下，材料斷裂在晶界的鍵合力高于晶內，斷裂擴展的路徑不是沿晶而是穿晶。當環境溫度過高時，晶界的鍵合力被嚴重削弱，往往在低于正常斷裂應力的情況下，被弱化的晶界成為斷裂擴展的優先通道而發生沿晶斷裂。由此分析認為：鎖片翻轉開裂是由于局部在高溫粉末顆粒經一定徑向沖刷力作用下產生的二次翻轉和沿晶斷裂，不是引起碰磨的直接原因（排除底事件X5）。

3.3 雙篦齒封嚴環冶金分析

為排除雙篦齒封嚴環材料缺陷或疲勞導致結構失效引起刮磨故障，對雙篦齒封嚴環進行了相關檢查。

采用化學定量分析方式對雙篦齒封嚴環進行了化學成分檢查，結果符合其設計材料GH4169的相關技術條件要求。

對雙篦齒封嚴環的宏觀斷口分析表明：磨損斷裂位于大篦齒處，斷面高低差較大，未見疲勞特征，呈連續凹凸狀，可見大量粉末覆蓋物。對雙篦齒封嚴環的微觀斷口分析表明：篦齒大部分為磨損特征，被金屬粉末覆蓋。局部可見斷口形貌，微觀為沿晶特征，晶面光滑，見圖5。

對二級篦齒磨損斷裂部位的金相檢查表明：斷裂部位顯微組織為奧氏體+碳化物，δ相全部回溶，晶粒度為7級;正常部位顯微組織為奧氏體+δ相+碳化物，δ相呈顆粒、短棒狀分布于晶界及晶內，晶粒度為9～10級，見圖6。

通過金相組織、成分，雙篦齒封嚴環材質及冶金質量正常（排除底事件X6）。雙篦齒封嚴環二級篦齒部位嚴重磨損擠壓變形，局部斷口呈沿晶特征，晶面光滑，未見疲勞特征;磨損斷裂部位δ相全部回溶，晶粒明顯長大，硬度較正常區域明顯偏低，說明雙篦齒封嚴環二級篦齒存在異常磨損超溫現象，局部溫度達到δ相完全回溶溫度（1020℃）。由此說明零件在高速運轉情況下，由于異常磨損導致局部超溫，晶界弱化，在工作應力、摩擦力和溫度共同作用下出現沿晶斷裂（排除底事件X7）。

3.4 金屬粉末分析

對刮磨形成的金屬粉末進行能譜分析，結果表明，金屬末中存在3種材料：GH4169、GH93和表面鍍鉻合金結構鋼。形成封閉腔的零件有以下幾種材料：FGH95（燃氣渦輪盤）、GH4169（雙篦齒封嚴環）、K4163（燃氣渦輪軸承座）、1Cr18Ni9Ti（隔熱擋板）、K423A（承力機匣）、GH93（鎖片），并不存在表面鍍鉻的合金結構鋼零件。因此，不能排除底事件X8。

4 故障機理分析

根據上述分析，不能排除的底事件為X8。分析認為故障原因是由外來物進入該碰磨部位，引起了雙篦齒封嚴環與燃氣渦輪軸承座的異常刮磨，隨著發動機試車的進行，刮磨出的粉末堆積在篦齒之間，最終導致了雙篦齒封嚴環的嚴重磨損和鎖片的翻轉和斷裂現象。

由于碰磨部位是封閉腔結構，試車過程中流道中的異物無法進入腔內，因此認為可能帶入多余物的環節主要有以下幾個過程：

（1）發動機裝配過程中，安裝燃氣渦輪轉子和承力機匣組件過程中，工具工裝掉塊或粘附的多余物掉落在燃氣渦輪轉子后端面，隨著發動機的工作進入篦齒間隙，造成碰磨。（2）發動機分解、檢查、轉工過程中，多余物掉落在B腔內，發動機裝配過程中掉落在燃氣渦輪轉子和承力機匣組件形成的封閉腔內，隨著發動機的工作進入篦齒間隙，造成碰磨。（3）發動機分解、檢查、轉工過程中，多余物掉落在燃氣渦輪轉盤和雙篦齒封嚴環的間隙內，隨著發動機的工作進入篦齒間隙，造成碰磨。

5 驗證情況

將故障損壞的零件更換新件，并按設計值控制篦齒間隙后，復裝該發動機進行試車。試車情況正常，并且分解檢查未發現燃氣渦輪轉子雙篦齒封嚴環與燃氣渦輪軸承座刮磨現象。

6 結語

故障樹分析法，簡稱為FTA，又稱為失效樹分析法，是一種以故障樹為工具，分析系統發生故障的各種途徑，對系統的安全性或可靠性進行評價的一種圖形演繹方法[3]。FTA已被國內外公認為是一種對復雜系統進行安全性和可靠性分析的一種好方法[4]。本文采用FTA方法，快速地找出了導致發動機轉靜子刮磨的原因為發動機裝配、分解或轉工過程中帶來的外來物。在發動機研制過程中，應嚴格相關過程的過程控制，避免類似故障帶來的時間和經濟上的損失。

參考文獻

[1] 劉長福，鄧明，等.航空發動機結構分析[M].西安：西北工業大學出版社，2012.

[2] 某型號燃氣發生器渦輪部件冷熱態尺寸鏈計算[R].科研報告，2010.

[3] 周海京，等.故障模式、影響及危害性分析與故障樹分析[M].北京：航空工業出版社，2003.

[4] 史定華，等.故障樹分析技術方法和理論[M].北京師范大學出版社，1993.