航空發動機低壓渦輪轉子故障分析

沈陽黎明航空發動機有限責任公司 沈陽 110043

1 研究背景

航空發動機為飛機提供動力[1-4],是一種高度復雜的熱力機械,其工作可靠性直接關系到飛行安全,體現了一個國家的科技、工業和國防實力[5-8]。低壓渦輪轉子是航空發動機中的四大核心轉子之一,經過3 000 h使用后各零件存在不同程度的磨損、變形[9],需要進行大修。低壓渦輪轉子典型故障有蜂窩組件中蜂窩環磨損超差、封嚴環配合止口尺寸磨損超差、密封跑道腐蝕等,筆者分析低壓渦輪轉子典型故障產生的機理和原因,提出故障排除措施,進而提高低壓渦輪轉子的工作可靠性。

2 低壓渦輪轉子結構

如圖1所示,低壓渦輪轉子主要由低壓渦輪一級盤、低壓渦輪二級盤、封嚴環、低壓渦輪軸、蜂窩組件、密封跑道等組成。其中,封嚴環與低壓渦輪一級盤、低壓渦輪二級盤通過配合止口定位,封嚴環通過低壓渦輪一級盤上的銷實現周向定位,低壓渦輪一級盤、低壓渦輪二級盤、低壓渦輪軸通過雙頭螺栓連接,低壓渦輪軸、蜂窩組件、密封跑道通過螺釘連接。

圖1 低壓渦輪轉子結構

3 蜂窩組件中蜂窩環磨損超差故障

3.1 原因分析

蜂窩組件是低壓渦輪轉子的一部分,與高壓渦輪轉子篦齒配合接觸,形成密封腔體,共同起密封作用。據統計,蜂窩組件中蜂窩環磨損超差是航空發動機低壓渦輪轉子大修時面臨的主要故障之一,故障率高達100%,有效解決蜂窩組件中蜂窩環磨損超差故障成為提高低壓渦輪轉子工作可靠性和降低修理成本的關鍵。

在航空發動機工作過程中,由于發動機振動,高壓渦輪轉子以高壓渦輪轉子支撐點連線為中心線進行偏心轉動,低壓渦輪轉子以低壓渦輪轉子支撐點連線為中心線進行偏心轉動,高壓渦輪轉子和低壓渦輪轉子偏心角和偏心幅值不相同,高壓渦輪轉子篦齒切入低壓渦輪轉子蜂窩組件中,導致蜂窩組件中蜂窩環磨損超差。同時,在發動機工作過程中,低壓渦輪轉子在軸向上有竄動,蜂窩組件的整個蜂窩環面被高壓渦輪轉子磨損。

3.2 故障排除措施

通過對蜂窩組件更換磨損蜂窩環的方法,使其滿足與高壓渦輪轉子篦齒配合的要求,排除蜂窩組件中蜂窩環磨損超差故障。經過蜂窩組件殼體材料拉伸、彎曲、疲勞、金相等性能試驗,對磨損蜂窩環去除方法、蜂窩環重新釬焊、殼體材料硬度檢測跟蹤等進行研究[10],提出具體故障排除步驟:車削蜂窩組件中磨損蜂窩環,打磨殼體上殘留的釬焊層,釬焊新蜂窩環,時效處理,磨削新蜂窩環,熒光檢查,蜂窩組件平衡。故障排除前后蜂窩組件對比如圖2所示。

圖2 故障排除前后蜂窩組件對比

4 封嚴環配合止口尺寸磨損超差故障

4.1 原因分析

封嚴環是低壓渦輪轉子的重要組成部分,夾在低壓渦輪一級盤、低壓渦輪二級盤之間,起封嚴作用,與低壓渦輪一級盤通過止口定位。航空發動機大修時,封嚴環與低壓渦輪一級盤配合止口尺寸磨損超差是主要故障之一,故障率高達98%,有效解決封嚴環與低壓渦輪一級盤配合止口磨損超差故障,同樣是提高低壓渦輪轉子可靠性和降低修理成本的關鍵。

在航空發動機工作過程中,由于發動機振動、封嚴環周向熱變形、封嚴環與低壓渦輪一級盤周向相對微動等原因,封嚴環與低壓渦輪一級盤配合面相互摩擦,導致配合面尺寸磨損。由于封嚴環軸向熱變形,封嚴環兩端受到低壓渦輪一級盤、低壓渦輪二級盤的壓力,封嚴環中部徑向向外撅起,兩端徑向向內變形,造成封嚴環與低壓渦輪一級盤配合止口尺寸變小。以上兩方面原因導致封嚴環與低壓渦輪一級盤配合止口尺寸磨損超差故障。

4.2 故障排除措施

通過對封嚴環與低壓渦輪一級盤配合止口采用化學鍍鎳修復方法,使兩者滿足配合要求,排除封嚴環配合止口尺寸磨損超差故障。測量封嚴環與低壓渦輪一級盤配合面磨損后的尺寸,根據實際需求,計算鍍鎳層厚度。對除配合面外的部分進行涂膠保護,鍍鎳前對配合面進行吹砂處理。將保護好的封嚴環放入配好的槽液中進行化學鍍鎳,測量封嚴環與低壓渦輪一級盤配合面鍍鎳后的尺寸,保證封嚴環滿足與低壓渦輪一級盤的配合要求。故障排除前后封嚴環對比如圖3所示。

圖3 故障排除前后封嚴環對比

5 密封跑道腐蝕故障

5.1 原因分析

密封跑道是低壓渦輪轉子的組成部分,密封跑道表面一部分為鍍鉻層,為石墨密封環提供支撐座,表面其余部分為鍍鎳層,防止基體腐蝕。航空發動機大修時,鍍鎳層表層腐蝕是密封跑道產生的主要故障,故障率約為20%。可見,密封跑道腐蝕故障亟需解決。

密封跑道的基體采用40CrNiMo材質制造而成,受材質自身特性影響,密封跑道較容易腐蝕,于是采用鍍鎳層防止基體腐蝕。在航空發動機工作過程中,有較多油氣通過密封跑道,特別是在海洋環境中工作的航空發動機,密封跑道更容易發生鍍鎳表層腐蝕故障。

5.2 故障排除措施

采用對表層腐蝕的密封跑道修理鍍鎳層的方法,排除密封跑道腐蝕故障,具體故障排除步驟為,首先對表層腐蝕的密封跑道通過化學方法去除鍍鎳層,腐蝕點較深處通過手工搓磨的方法對腐蝕點進行修理,直至排除腐蝕痕跡;然后進行表面吹砂處理,再重新鍍鎳。

6 結束語

筆者分析了航空發動機低壓渦輪轉子典型故障,通過對蜂窩組件更換磨損蜂窩環的方法,使其滿足與高壓渦輪轉子篦齒的配合要求,排除蜂窩組件中蜂窩環磨損超差故障。通過對封嚴環與低壓渦輪一級盤配合止口采用化學鍍鎳修復的方法,使兩者滿足配合要求,排除封嚴環配合止口尺寸磨損超差故障。通過對表層腐蝕的密封跑道重新修理鍍鎳層的方法,排除密封跑道腐蝕故障。通過故障處理,提高了航空發動機低壓渦輪轉子的工作可靠性。