某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)靜子軸向刮磨故障分析

盧 波，王 劍，黃 超，吳志鋒，李概奇，蔣曉煒

(1.中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 珠洲 412002；2.中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412002；3.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002)

隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)航空產(chǎn)品的可靠性要求越來越高，對(duì)航空產(chǎn)品的心臟——發(fā)動(dòng)機(jī)的總體質(zhì)量水平也有了更嚴(yán)格的要求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件比較苛刻，具有高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷等特點(diǎn)，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性提出了非常嚴(yán)格的要求[1]。在科研樣機(jī)試驗(yàn)階段，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子卡滯、轉(zhuǎn)靜子碰磨[2]、葉片裂紋/斷裂[3]等故障。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)在開展60 h持久試車過程中，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)靜子葉片發(fā)生軸向碰磨。本文基于故障樹法從設(shè)計(jì)、加工、裝配等方面對(duì)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)靜子葉片軸向碰磨的故障原因進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)措施。

1 故障情況介紹

該發(fā)動(dòng)機(jī)用于60 h長試，試車過程中滑油消耗量偏大，排氣段有冒煙現(xiàn)象。定檢過程中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)動(dòng)力渦輪二級(jí)工作葉片葉身有較多白色附著物，隨后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)分解檢查后發(fā)現(xiàn)動(dòng)力渦輪一級(jí)工作葉片下緣板與動(dòng)力渦輪二級(jí)導(dǎo)向器下緣板有刮磨。動(dòng)力渦輪一級(jí)工作葉片下緣板整圈軸向刮磨，深度約0.7 mm，動(dòng)力渦輪二級(jí)導(dǎo)向器下緣板周向有兩處刮磨區(qū)域，均有明顯的堆積物，如圖1所示。

圖1 刮磨故障件

2 刮磨原因分析

2.1 故障樹建立

根據(jù)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)靜子軸向刮磨故障制定了如下故障樹，如圖2所示，共有4個(gè)底事件。

表1 排故底事件

圖2 故障樹

2.2 底事件排查

2.2.1 設(shè)計(jì)尺寸鏈及裝配實(shí)測值計(jì)算(排查X2)

根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸鏈計(jì)算，刮磨處的軸向間隙尺寸鏈為2～3.596，裝配實(shí)測計(jì)量值計(jì)算得到的刮磨處的軸向間隙為2.685。裝配過程中不會(huì)發(fā)生刮磨，底事件X2可以排除。

2.2.2 機(jī)熱態(tài)變形計(jì)算(排查X1、X3、X4)

動(dòng)力渦輪二級(jí)導(dǎo)向器通過頂端8個(gè)精密凸臺(tái)與熱端機(jī)匣對(duì)應(yīng)的凹槽進(jìn)行定位配合。三處徑向止口(圖3)保證有一定的間隙，具體值如表2所示。

表2 徑向止口間隙

圖3 止口位置間隙示意圖

變形計(jì)算分兩種情況考慮：

第一種為A位置(圖3)無間隙，二級(jí)導(dǎo)向器與機(jī)匣直接頂上，該情況下刮磨位置軸向變形和間隙計(jì)算結(jié)果見表3。

圖4 二級(jí)導(dǎo)向器與一級(jí)工作葉片間隙示意圖

表3 軸向間隙變化

第二種為A位置放開，二級(jí)導(dǎo)向器徑向自由變形，該情況下刮磨位置軸向變形和間隙計(jì)算結(jié)果見表4。二級(jí)導(dǎo)向器與熱端機(jī)匣配合位置(A位置)徑向變形和間隙計(jì)算結(jié)果見表5。徑向間隙變化量最大值為-0.639 mm。

表4 軸向間隙變化

表5 A位置徑向間隙變化

圖4、圖5分別給出了一級(jí)工作葉片與二級(jí)導(dǎo)向器的軸向間隙在兩種情況下瞬態(tài)過程中的變化歷程。

一級(jí)工作葉片與二級(jí)導(dǎo)向器軸向間隙分析：

1)A位置放開(導(dǎo)向器自由變形)情況下，二級(jí)導(dǎo)向器與一級(jí)工作葉片下緣板軸向配合位置間隙減小量最大值為-1.208 mm，排除X3；

圖5 軸向間隙隨時(shí)間變化歷程(T)-A位置無間隙

圖6 軸向間隙隨時(shí)間變化歷程(T)-A位置放開

2)A位置放開(允許導(dǎo)向器自由變形)，該情況下二級(jí)導(dǎo)向器與熱端機(jī)匣之間裝配間隙至少要達(dá)到0.638 mm(半徑方向，未考慮加工、裝配誤差)，目前發(fā)動(dòng)機(jī)裝配間隙最小為0.2 mm。

3)A位置無間隙情況下，由于過渡態(tài)二級(jí)導(dǎo)向器溫度高于熱端機(jī)匣，二級(jí)導(dǎo)向器與機(jī)匣直接頂上，導(dǎo)致導(dǎo)向器向進(jìn)氣方向偏轉(zhuǎn)，二級(jí)導(dǎo)向器與一級(jí)工作葉片下緣板軸向配合位置間隙減小量最大值為-3.34 mm，裝配軸向間隙僅為2.685 mm，小于3.34 mm，試車狀態(tài)下會(huì)發(fā)生碰磨，因此認(rèn)為X4底事件成立。

3 改進(jìn)措施及驗(yàn)證情況

為了保證動(dòng)力二級(jí)導(dǎo)向器的徑向變形不受約束，考慮到加工及裝配誤差，保證二級(jí)導(dǎo)向器右上頂端三處配合處徑向間隙量至少為0.75 mm(單邊)；

并將刮磨處的軸向尺寸進(jìn)行返修0.5 mm，增大冷態(tài)裝配的初始軸向間隙。

發(fā)動(dòng)機(jī)貫徹了排故措施后，目前已經(jīng)完成了持久試車，沒有發(fā)生刮磨，試驗(yàn)完成后發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)分解檢查亦未發(fā)現(xiàn)異常。

4 結(jié)論

通過故障樹梳理方法的分析排查，確定某型發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)靜子軸向刮磨的原因是熱態(tài)試車時(shí)動(dòng)力渦輪二級(jí)導(dǎo)向器徑向變形受約束，導(dǎo)致導(dǎo)向器發(fā)生偏轉(zhuǎn)，動(dòng)力渦輪二級(jí)導(dǎo)向器與動(dòng)力渦輪一級(jí)工作葉片下緣板軸向間隙偏小，導(dǎo)致發(fā)生了刮磨。

針對(duì)故障原因，發(fā)動(dòng)機(jī)采取了對(duì)動(dòng)力渦輪二級(jí)導(dǎo)向器補(bǔ)充加工，增大導(dǎo)向器與熱端機(jī)匣的徑向間隙，同時(shí)加大軸向間隙的改進(jìn)措施。發(fā)動(dòng)機(jī)貫徹了改進(jìn)措施后，重新上臺(tái)開展60 h持久試車，孔探及分解檢查均未發(fā)現(xiàn)異常，表明故障機(jī)理分析合理，改進(jìn)措施有效。從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪二級(jí)導(dǎo)向器定位結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。