某型渦噴發動機靈活性超差故障機理研究

陳廣矚，王洪巖

（1.國營長虹機械廠，廣西 桂林 541002；2.中國人民解放軍95072部隊，廣西 桂林 541002）

0引言

某型國產渦噴發動機是一款小型的、單軸的、不帶加力燃燒室的渦輪噴氣發動機（以下簡稱發動機），靈活性超差是發動機延壽修理中的常見故障，會增加該型發動機修理周期和成本。靈活性是指發動機從某一轉速到轉子完全停止的時間，反映了轉子系統的阻力大小。靈活性越好，說明發動機轉子系統阻力越小；相反，則說明發動機轉子系統阻力過大，嚴重時將伴隨發動機支承失效、磨損、甚至掉塊等危險[1]。

由于發動機轉子部組件數量多，故障樹復雜，任何一個轉子部件的阻力增大都會對發動機靈活性產生影響，難以從單個部件對故障進行定位，因此有必要從發動機結構原理的角度，著眼轉動部件相對位置、配合間隙，對發動機靈活性的影響因素及影響機理開展系統性研究，為預防發動機靈活性超差故障提供依據。

1 支承結構對發動機靈活性影響分析

發動機轉動部件通過支承結構支承在發動機機匣上，轉子所受的各種載荷（軸向力、重力、慣性力及慣性力矩等）由支承結構將載荷傳到發動機機匣上，由機匣通過發動機的安裝節傳遞到導彈構件上，發動機支承與轉子部件受力方式有關，對發動機轉子的靈活性有直接影響[2]。為從發動機結構的角度分析靈活性超差故障影響因素，對發動機支承進行簡化如圖1所示。

圖1 發動機支承圖

從圖1中可以看出，軸流壓氣機由兩個支點支承，分別位于前軸承座和后軸承座，使得軸流壓氣機處于懸臂狀態，軸流壓氣機轉子靈活性容易受到支點軸承阻力影響，而轉子阻力與裝配質量有關。壓氣機前軸承局部如圖2所示，從圖中可以看出，軸流壓氣機前軸承的軸向受力與大石墨封油圈的壓縮量有關，當大石墨封油圈壓縮量過大時，大石墨封油圈擠壓軸流壓氣機前軸承，使軸承內環受力，軸承在預加載荷下產生端面錯移量δ（見圖3）；導致發動機軸承產生附加阻力，阻力加大，從而影響發動機轉子靈活性；當大石墨封油圈壓縮量過小時，大石墨封嚴無法貼合軸承內環，封嚴效果不佳，容易造成滑油泄漏。

圖2 壓氣機前軸承局部放大圖

圖3 壓軸承產生端面錯位示意圖

由于大石墨封油圈與前軸承座的配合為過盈配合，不便反復拆裝以防止石墨封油圈損壞，因此裝配大石墨封油圈前需測量大石墨封油圈的壓縮量，通過計算選用厚度恰當的調整墊片使壓縮量滿足設計要求，保證大石墨封油圈與軸承之間的緊度，并避免擠壓軸承產生附加阻力，造成發動機靈活性超差[3]。此外，在大石墨裝配時，需保證大石墨底部、調整墊片及前軸承座安裝面三者緊密貼合，避免因裝配不到位而影響發動機靈活性。

軸流壓氣機后軸承安裝于后軸承支座內，不從后軸承支座上分解，因此修理前后軸流壓氣機后軸承與軸承支座相對位置、配合間隙沒有發生變化，在后軸承座裝配前檢查軸承的旋轉情況，應旋轉靈活而均勻，無卡滯現象；不滿足要求時應分解修理或換新，避免軸流壓氣機后軸承磨損而影響發動機靈活性[4]。

離心壓氣機和渦輪組成的聯合轉子采用1-0-1的支承方式，即聯合轉子前有一個支點，聯合轉子后有一個支點，該支承方式下聯合轉子靈活性容易受轉子不平衡量影響，同時受不平衡量分布造成的動力特性所影響。

圖4 聯合轉子前支點

附件機匣通過齒輪傳動的方式將動力由壓氣機軸傳遞至起動發電機、供油機構等附件，當附件幾下軸承安裝軸與安裝面不垂直、軸承底面與軸承安裝面不貼合時，會對軸承垂直度產生影響，輪旋轉不穩定，會導致發動機轉動部件阻力增加，影響發動機靈活性。

2 扭矩傳遞效率對發動機靈活性影響分析

發動機工作時，燃燒室排出的燃氣對渦輪做功，推動渦輪轉動。渦輪從高溫燃氣中提取功，帶動壓氣機和附件轉動。渦輪通過扭矩傳遞的方式將功傳遞至壓氣機和附件傳動系統，當發動機扭矩傳遞不暢時，會在轉子系統內部產生附加阻力，影響發動機靈活性，發動機扭矩傳遞見表1。

表1 發動機扭矩傳遞

渦輪軸與套齒傳動軸通過齒輪傳動扭矩，此時渦輪軸傳動齒輪為主動輪，套齒傳動軸為從動輪。對正齒輪而言，一般傳動效率（見公式1）為98%～99.5%，齒面摩擦、齒輪振動以及裝配不當都會增加齒輪傳動阻力，使扭矩傳動效率下降，降低發動機靈活性。由于在發動機故檢階段會檢查齒面光滑度，可排除齒面摩擦過大而導致發動機靈活性故障，因此對發動機靈活性產生影響的原因主要為裝配不當，主要因素為轉軸垂直度。

傳動效率=（從動輪獲取的功率/主動輪輸入的功率）×100%（1）

套齒傳動軸從渦輪軸獲取功率后，一方面向壓氣機軸傳遞扭矩，套齒傳動軸與壓氣機軸通過齒輪傳動扭矩，此時套齒傳動軸為主動輪，壓氣機軸為從動動輪，套齒傳動軸與壓氣機軸之間的傳動效率同樣受到齒面摩擦、齒輪振動以及裝配的影響；另一方面，套齒傳動軸需帶動中傳動機構，由中傳動盒提取功率傳動至供油機構、滑油泵、起動發電機、轉速傳感器等附件，帶動附件工作。

套齒傳動軸與中傳動齒輪之間的扭矩傳遞效率與受齒面摩擦、齒輪振動以及裝配質量有關，根據發動機性能要求，發動機中傳動盒在使用過程一般不會產生齒面摩擦，中傳動盒不用分解修理，因此影響傳動效率的原因主要為中傳動盒裝配不當所造成。

中傳動盒從套齒傳動軸提取功率之后，由上傳動軸和齒輪傳動軸將功率傳遞至附件，發動機附件傳動齒輪有正齒輪和錐齒輪。一般錐齒輪傳動效率為0.88%～0.98%，錐齒輪的傳動效率受裝配質量影響較大。根據前期修理經驗，發動機附件齒輪扭矩傳遞效率主要受齒輪間隙影響。

3 轉子靜子干涉對發動機靈活性影響分析

當非接觸的轉子與靜子的間隙不足時，發動機工作過程中會出現轉子部件與非接觸靜子干涉的現象。非接觸的發動機轉子靜子干涉主要為發動機葉片與機匣干涉、封嚴裝置與機匣干涉。轉子靜子干涉分為軸流壓氣機葉片與進氣機匣的干涉、離心壓氣機與機匣之間的干涉、渦輪轉子與靜子之間的干涉。

其中軸流壓氣機葉片與進氣機匣的干涉是指軸流壓氣機葉片剮蹭進氣機匣發生碰膜的現象，其原因主要為發動機工作時軸流壓氣機葉片在離心力的作用下葉片沿著徑向有?L的形變量，當軸流壓氣機葉頂間隙不足時，在離心力的作用下葉頂間隙進一步縮小，進而發生碰膜現象，由于軸流壓氣機屬于冷端部件，當冷靈合格故障原因可以排除。

離心壓氣機與機匣之間的干涉是指離心壓氣機葉片與離心機匣發生碰膜現象，同樣屬于冷端部件，當冷靈合格故障原因可以排除[5]。

渦輪轉子與機匣之間的干涉是指渦輪葉片與后軸承機匣之間碰膜現象，渦輪轉子和機匣均屬于熱端部件，渦輪葉片在離心力載荷和熱靈力載荷雙重影響下，沿著徑向發生變形，導致渦輪葉頂間隙發生變化。當發動機裝配葉頂間隙不足時，嚴重時將渦輪葉片葉頂容易剮蹭后軸承機匣引發碰膜現象。

封嚴裝置與機匣干涉主要為蓖齒封嚴圈和渦輪軸承座的干涉，蓖齒封嚴圈與渦輪軸承座屬于熱端部件，在熱試車過程中容易發生熱膨脹而導致蓖齒封嚴圈磨蹭后軸承座的現象，對某臺熱靈不合格的發動機進行分解，發現渦輪軸承座存在磨損的痕跡，如圖5所示，當發動機蓖齒封嚴圈磨蹭渦輪軸承座時，將會增加發動機轉子阻力，從而影響發動機靈活性。

圖5 渦輪軸承座磨損現象

4 靈活性故障樹

根據以上分析，以“發動機靈活性故障”作為頂事件，結合發動機修理經驗，建立故障樹如圖6所示，共列出19個底事件。

圖6 發動機靈活性故障樹

4.1 發動機支承故障

發動機支承故障分為核心部件支承故障和附件系統支承故障。其中，核心部件支承故障分支底下有四個底事件：軸流壓氣機前軸承故障、軸流壓氣機后軸承故障、彈性支座軸承支承故障、渦輪后軸承支承故障；附件系統支承故障分支底下有兩個底事件：中傳動機構軸承阻力過大、附件傳動齒輪支承軸承阻力過大。在發動機試車過程中，當冷靈不合格，且冷靈遠低于合格范圍下限，發動機假開車冷靈不符合要求，說明發動機裝配不當，不可再次運轉，待發動機停轉后，將發動機下臺架，用手順航向逆時針旋轉軸流轉子，仔細檢查發動機轉動情況，通過感受卡滯部位和聽辨聲音進行故障定位，對發動機進行分解檢查，重點檢查故障定位處，后重現裝配進行試車驗證，直至故障排除；若冷靈和吹后靈活性合格，且冷靈和吹后靈活性遠大于合格范圍下限，可排除發動機支承故障。

4.2 發動機扭矩傳遞故障

發動機扭矩傳遞故障分為主傳動軸扭矩傳遞故障和附件扭矩傳遞故障，其中主傳動軸扭矩傳遞故障分支有兩個底事件：渦輪軸與套齒傳動軸扭矩傳遞故障、套齒傳動軸與壓氣機軸扭矩傳遞故障；附件扭矩傳遞故障分支有五個底事件：上傳動錐齒輪與上傳動從動齒輪扭矩傳遞故障、上傳動從動齒與大中介齒輪扭矩傳遞故障、扭矩傳遞故障與燃油泵傳動齒輪扭矩傳遞故障、燃油泵傳動齒輪與小中介齒輪扭矩傳遞故障、小中介齒輪與測速電機傳動齒輪扭矩傳遞故障。發動機試車過程中，當冷靈不合格，且冷靈遠低于合格范圍下限，發動機假開車冷靈不符合要求，說明發動機裝配不當，不可再次運轉，待發動機停轉后，將發動機下臺架，用手順航向逆時針旋轉軸流轉子，仔細檢查發動機轉動情況，通過感受卡滯部位和聽辨聲音進行故障定位，對發動機進行分解檢查，重點檢查故障定位處，后重現裝配進行試車驗證，直至故障排除；若冷靈和吹后靈活性合格，且冷靈和吹后靈活性遠大于合格范圍下限，可排除發動機支承故障。

4.3 發動機轉靜子干涉故障

發動機轉子靜子干涉分為葉片碰膜和封嚴裝置阻滯。其中葉片碰膜分支有三個底事件：軸流壓氣機葉片碰膜、離心壓氣機葉片碰膜、渦輪葉片碰膜；封嚴裝置卡滯分支下油兩個底事件：篦齒封嚴套阻滯、封嚴皮碗阻滯。當發動機轉子靜子干涉故障一般為發動機冷靈合格，且冷靈遠大于合格范圍下限，而熱靈不合格時，可能導致靈活性故障的原因為發動機在熱狀態和振動環境下，發動機轉子靜子干涉，篦齒封嚴圈掛蹭后軸承機匣鍍層導致熱靈不合格是發動機靈活性故障的常見原因，當發動機冷靈合格，且遠大于合格范圍下限時，可將發動機進行4h冷卻后再次試車，消除發動機受熱不均勻因素，和排除篦齒封嚴圈掛蹭后軸承機匣鍍層因素[6]。

5 結語

綜上所述，發動機靈活性與其支承結構、扭矩傳遞效率、轉子靜子干涉有關，主要體現在石墨壓縮量、軸承間隙、轉軸的垂直度、轉子葉頂間隙、齒輪間隙等方面，可從針對這幾方面制定發動機靈活性故障預防措施。