渦扇發動機轉子故障分析

王明芳

摘要：本文針對渦輪風扇發動機轉子故障進行分析，通過對比各種發動機轉子有關的機械故障來判斷發動機轉子故障產生的原因，從故障產生原理入手對部分故障提供預防措施。根據機械結構以及溫度環境兩類引發故障的原因，分別對轉子軸承及其連接件的配合問題、由于制造及裝配精度問題引發的轉子不平衡問題以及轉子與靜子不同心問題、轉子及連接件熱蠕動現象與轉子熱彎曲現象進行了分析。總結出由上述問題所引發的轉子碰磨問題、轉子彎曲變形問題、零部件松動變形等常見的故障。

關鍵詞：轉子;結構間隙;溫度場;不平衡響應

中圖分類號：V231.96? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0156-02

0? 引言

發動機內氣流沿壓氣機軸線產生高振幅、低頻率的振蕩現象稱為發動機的喘振。發動機的喘振導致了發動機內各零部件劇烈振動進而產生碰磨損壞、性能急劇惡化等故障，進而引發了事故的發生。本文針對發動機轉子因結構間隙碰磨而發生的故障以及由于發動機工作過程中所產生的溫度所影響的轉子及相關零部件的材料特性受影響而發生的故障進行分析論證。

1? 發動機轉子故障分析

1.1 轉子軸承配合故障分析

1.1.1 軸承連接剛性非線性原理? 圖1為軸承外圈與軸承座配合松動剖面圖，由圖示可以看出滾動軸承外圈與軸承座直接存在著一定的配合間隙，該在實際工作中所產生的磨損振動將影響轉子正常工作導致整臺發動機產生故障。

圖2所示為軸承外圈與軸承座配合松動點的示意圖。

由于軸承的擰緊力矩會改變軸承外圈與軸承座表面間的摩擦力，從而改變了兩者間的摩擦阻尼，因此軸承外圈與軸承座之間的連接剛度表現出了非線性特征。

1.1.2 擰緊力矩對軸承座相對運動的影響? 由于滾動軸承外圈與軸承座之間的擰緊力矩對軸承座產生不可忽視的影響，通過對比不同配合間隙下擰緊力矩對軸承外圈與軸承座之間的相對位移的影響來推斷其間的關系。

由力學特性分析，當增大軸承外圈與軸承座之間的擰緊力矩時，外圈與軸承座之間的摩擦系數也隨之增大，在不同的配合間隙以及發動機轉子不同的轉速下，軸承外圈與軸承座之間的相對位移變化也隨之減小。

但在實際工作過程中，由于發動機轉子轉速不斷提高，其產生的振動也逐漸變得不可忽視，在超過臨界轉速時，振動較大，通過增大擰緊力矩來減小軸承外圈與軸承座之間的相對位移效果并不理想。除減小軸承外圈與軸承座間振動與相對位移外，適度的增大擰緊力矩也可減小其他零部件如葉片等振動所產生的影響。

1.1.3 轉子的不平衡響應? 轉子在工作中所受到的不平衡的力或力矩從而產生的振動被稱為不平衡響應。在實際生產中，轉子自身的不平衡量是無法避免也不受控制的，受材料分布及加工所產生的缺陷影響，相對于理論來說即使及其細小的瑕疵以及裝配所產生的精度等問題所產生的不平衡量，在轉子高速轉動過程中所產生的不平衡響應所引起的轉子與靜子以及機匣間產生的碰磨都是不可忽略并且極易產生故障的。

由于發動機壓氣機復雜的結構特點以及苛刻的工作環境，導致了壓氣機轉子的平衡精度很難得到保障。而壓氣機轉子經過在平衡機上平衡后再安裝到發動機上更加難以維持平衡。而在實際的數據中可以看出，絕大多數經過平衡機平衡的壓氣機轉子在安裝到發動機上后，平衡精度的誤差會大大的升高。

1.1.4 轉子與靜子裝配不同心問題? 在發動機工作時，壓氣機轉子前后軸頸就會沿徑向產生移動，由此導致了發動機轉子與靜子之間產生裝配不同心的現象。由于壓氣機機匣由薄壁結構經過焊接組成，因此經過一定的使用時間后，機匣會產生一定程度的橢圓變形，隨著工作時間的推移，機匣所產生的變形量會越來越大，導致了定位在機匣上的壓氣機轉子的非正常位移量大大增加。

由此可見發動機轉靜子的裝配不同心問題主要來自于兩個方面：一是壓氣機轉子本身在機匣上定位并不穩固，在實際工作中會產生一定量的位移。二是由于機匣壁在長時間的使用中會產生一定量的變形情況導致了定位在機匣上的轉子產生一定量的相對位移。據統計，翻修過的發動機轉子與靜子裝配不同心問題多于新投入使用的發動機，由此可見此類問題常使發動機產生故障。

1.2 溫度場的影響下轉子故障分析

1.2.1 溫度場對壓氣機轉子的影響? 壓氣機轉子的熱彎曲量隨著溫度的升高也在不斷地升高，但環境溫度對壓氣機轉子的熱彎曲量也受外界環境溫度的影響，由于機匣內外溫差較大，機匣內外的溫度交換率也較大，因此壓氣機轉子的熱彎曲量也受季節以及天氣影響。

由于工作室的高溫會影響壓氣機轉子的剛度，使其容易發生熱彎曲變形，因此在發動機停車后盡快使壓氣機轉子溫度降低到臨界溫度下，避免其變形量過大，影響其使用壽命。

實際工作中常常采取冷吹措施，在壓氣機轉子溫度尚未降下來時強行啟動發動機會對轉子造成較大的損傷。采用冷吹措施，用溫度較低且速度較高的氣體沖擊轉子，使其周圍高溫氣體與低溫氣體快速交換以達到快速降溫的目的。但在冷吹時也要把握好冷氣的溫度以及速度，避免過低的溫度對轉子葉片材料的力學性質造成損傷，也避免過高的氣體流速對轉子葉片造成的沖擊過大使其產生彎曲變形。

1.2.2 連接件的熱蠕動現象? 連接件間溫度分布不同，由于熱脹冷縮等緣故產生的局部的不均勻的變形量不同，變形量在長期累積后會使各零部件間發生一定的相對位移現象，這種現象被稱為熱蠕動現象。

在發動機熱啟動后，壓氣機內部的溫度升高現象主要是因燃燒室溫度升高，通過連接結構傳導以及空氣傳導，將部分熱量傳遞到壓氣機內所產生的。

通過連接結構傳導的溫度不均現象主要有以下規律：

①靠近燃燒室一方結構升溫速度以及溫度升高量均大于遠離燃燒室的一方;②結構外圍部分的溫度升高速度以及升高量均大于結構內部;③由于高溫氣體密度較低導致上浮，溫度相對較低的氣體密度較低下降，形成了上熱下冷的不均勻溫度環境。

由于相同溫度下，結構不均勻的零部件所產生的熱變形量是不同的，而在不同溫度下，結構均勻的零部件產生的熱變形量也是不同的。當這兩種情況下的熱載荷疊加在一起后所產生的零部件熱變形量是不可忽略的，由于部分熱蠕動發生后，即使溫度回歸正常，部分零部件所產生的滑動位移也不一定自動復原，因此多次熱蠕動現象產生導致的零部件結構錯位足以導致發動機工作時產生故障。

1.2.3 轉子的熱彎曲現象? 由于壓氣機內溫度升高且溫度變化速度和大小并不均勻，導致了壓氣機內部零部件受熱產生的膨脹量也不同。這種現象發生在壓氣機轉子上時所導致的影響更加直接，由于發動機啟動后壓氣機內上下溫度分布不均勻，上熱下冷的現象導致了轉子上部熱膨脹量大于下部，產生一定量的彎曲，即轉子的熱彎曲現象。

在現實工作中，由于壓氣機轉子的熱彎曲現象受溫度場、外載荷以及自身材料等因素的綜合影響，轉子在受熱彎曲后，即使發動機完全冷卻到常溫環境下，也很難完全回到最初始的狀態。并且在發動機長時間運轉的條件下轉子發生熱彎曲現象后很難及時恢復。當轉子還在逐漸消除熱彎曲的過程中發動機再次啟動導致壓氣機內部升溫也會使熱彎曲量進行疊加導致熱彎曲變形量更大。

另一方面由于轉子產生熱彎曲變形，與靜子結構間隙不均勻的現象加重，提高了轉子與靜子的接觸摩擦現象以及碰磨振動現象，即使轉子在完全冷卻消除熱彎曲變形后，轉子與靜子葉片間由于摩擦振動所產生的的損傷是依然存在的，這些結構損傷若不及時修復則必然會導致一系列的故障發生。

2? 應對故障的措施

2.1 從減小壓氣機轉子不平衡量方面? 在實際工作情況中，完全消除壓氣機轉子的不平衡量是不可能的。但通過生產中改善加工工藝及提高裝配精度可以盡量的降低轉子的不平衡量。①盡量保證同一級葉片質量相等。②增大壓氣機轉子軸承連接的嚴密程度。③盡量提高零部件的加工精度。④提高轉子在平衡機上的平衡精度。

2.2 降低機匣變形程度方面? 機匣在工作一定時間后都會產生一定程度的變形，可以通過降低機匣變形程度來預防故障。①縮短對機匣的檢查以及修復周期。②對變形的機匣除形狀的修復外還應對其前后止口進行補焊。③通過提高機匣固定強度來減小機匣的變形情況。

2.3 從維持轉子與靜子同心度方面? 壓氣機轉子與靜子的不同心情況因受多種因素的影響是很難避免的，通過多次的、有針對性的檢查可以提前發現此類問題并及時解決。①通過檢查檢查壓氣機第一級工作葉片與工作環之間的間隙是否均勻來推斷壓氣機轉子與靜子的同心程度。②通過轉動壓氣機轉子來觀察各級轉子與靜子間是否出現了接觸摩擦的現象，通過轉子轉動是否順暢來判斷壓氣機的轉子與靜子間的同心程度。

2.4 壓氣機轉子軸承與軸承座間連接問題? 壓氣機轉子軸承與軸承座之間出現松動情況也直接影響了轉子的正常工作。①在不影響壓氣機內各零部件工作的前提下盡量提高對軸承座的固定程度，避免其產生松動位移。②通過實驗測試軸承與軸承座之間的結構間隙對連接剛度的影響來獲得一個較穩定的間隙距離。

2.5 其他措施? 如從制造材料以及制造工藝方面入手來提高轉子以及軸承的剛度，使其對碰磨損傷有一定的抵抗能力。提高各級葉片及軸承配合緊度來將發動機產生的振動對系統造成的影響降到最低。

3? 結語

本文從發動機轉子的機械結構與環境溫度兩個角度針對壓氣機轉子在工作過程中產生的部分故障進行了分析。在轉子的結構配合方面，轉子軸承與軸承座的結構間隙會使轉子軸承產生一定量的徑向位移，而不合理的連接剛度會導致位移量超過安全性許可范圍內導致故障的發生。軸承座的穩定性也影響著軸承的平穩工作能力。轉子本身的生產缺陷以及裝配精度問題也造成了不平衡力的產生，導致轉子與靜子在配合工作中產生局部接觸碰磨現象，轉子的連接穩定問題也會增大接觸碰磨的嚴重性從而導致故障的發生。從環境溫度方面主要分析了熱蠕動現象下，壓氣機內零部件受不均勻熱應力影響產生的不均勻形變導致了零部件間的接觸摩擦，從而對轉子等零部件造成損傷。

參考文獻：

[1]王昊.不同支承條件下雙轉子系統動力學特性響應分析[D].青島科技大學，2018.

[2]袁勝，鄧旺群，徐友良，劉文魁.小型渦扇發動機低壓轉子臨界轉速隨支承剛度和懸臂長度的變化規律研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2018，31（05）：35-39.

[3]何振鵬，仲崇高，王宇博，徐文浩，趙源源.發動機轉子系統碰摩-裂紋-松動耦合故障作用下動力學特性分析[J/OL].機械科學與技術：1-11[2020-03-30].