某高壓渦輪盤試驗故障分析

舒斯榮

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

輪盤是航空發動機的核心部件，其性能直接影響發動機的可靠性和安全性，現代航空發動機為了追求更高的性能，使得輪盤負荷越來越大，對輪盤工作溫度、性能和強度的要求也越來越高，國內外對發動機輪盤強度問題開展了大量的研究工作[1-3]。為了保證發動機在整機試車時的安全，根據按國軍標《航空渦輪螺槳和渦軸發動機通用規范》[4]的規定，驗證輪盤強度設計的合理性，須進行輪盤的破裂試驗，在試驗方案設計階段，常常因結構設計缺陷導致試驗失效[5-6]。破裂試驗在高速旋轉試驗器上進行，試驗前，需設計、加工試驗專用工裝，以連接試驗件和試驗器。本文針對某渦槳發動機高壓渦輪盤在進行破裂試驗時出現的故障，進行故障原因分析和排查，提出改進措施并通過試驗驗證，結果表明故障定位準確，改進措施有效，提高了試驗專用工裝設計水平，也為該型渦槳發動機研制提供了可靠的試驗數據。

1.試驗方案

某渦槳發動機高壓渦輪盤破裂試驗在立式高速旋轉試驗器上進行，試驗環境為均勻溫度場和真空條件。試驗件（含高壓渦輪盤、前擋板及后擋板）通過試驗專用工裝（含中心拉桿、軸、轉接工裝等）、柔性軸與試驗器驅動部分相連，見圖1。圖1中，軸與高壓渦輪盤采取兩端圓柱面定心、花鍵傳扭結構設計，中心拉桿右端與軸采用螺紋連接，中心拉桿左端采用通過施加初始預緊力后螺母緊固方式。

圖1 試驗專用工裝示意圖

2.故障現象

高壓渦輪盤在最高允許穩態轉速停留規定時間后，按試驗大綱要求繼續上推至試驗目標轉速的過程中，振動位移突變，試驗真空倉發出碰撞聲，試驗器保護停車。停車后，發現試驗器柔性軸斷裂，試驗專用工裝與試驗件分離。

3.故障分析

故障發生后，分別對試驗器柔性軸、試驗件以及試驗專用工裝斷口進行了分析，初步確定了故障的直接原因。

3.1 試驗器柔性軸分析

故障后的試驗器柔性軸斷裂，在斷裂位置附近有明顯的大彎曲部位，見圖2，柔性軸宏觀形貌圖見圖3。

圖2 柔性軸故障照片

圖3 柔性軸宏觀形貌

從圖3可以看出，故障發生后，試驗器的柔性軸宏觀斷口呈現為粗糙、暗灰色，沒有疲勞特征，是典型的過載斷裂特征。

之后，將柔性軸斷口切下，經酒精超聲波清洗、膠布粘去污后進行掃描電鏡檢查。檢查發現裂源區未見冶金缺陷，斷口源區各對應的區域的微觀形貌為相扣的拉長韌窩，裂源剪切區約80μm～100μm，斷裂為剪切起源（過載）；斷口往心部的形貌為等軸韌窩，為過載斷裂。電鏡下的柔性軸微觀形貌見圖4。

圖4 柔性軸微觀形貌

3.2 試驗件分析

在體視鏡下檢查高壓渦輪盤局部，發現前軸頸前口外圓有等距擠壓旋出痕，應是與軸分離時與軸的內花鍵接觸形成的。外花鍵有幾道周向磨損痕，重載齒面擠壓痕較深，前段有輕微的重載方向倒伏趨勢，齒頂有斜周向的剪切掉絲；前擋板基本完好，與高壓渦輪盤榫齒前端面一周貼合，前端面有順轉向的磨損痕跡，并有材料順轉向的流變，前外圓邊緣有磨損痕跡和擠壓掉絲；后擋板鼓筒端面嚴重損毀，后端面有順轉向的磨損痕跡和掉絲，并有材料順轉向的流變。高壓渦輪盤、前擋板及后擋板宏觀照片分別見圖5～圖7。

圖5 高壓渦輪盤宏觀照片

圖6 前擋板宏觀照片

圖7 后擋板宏觀照片

3.3 試驗專用工裝分析

軸內螺紋基本損毀，內花鍵嚴重損傷，內花鍵后段大部分齒的輕載面有擠壓變形；內花鍵中段輕載面有嚴重擠壓變形，并夾壓有金屬絲，宏觀形貌圖見圖8。中心拉桿前螺紋損毀，大致成錐狀。在體視鏡下看到，后幾扣螺紋牙向后倒伏，受擠壓、軸向剪切，掉絲；前幾扣螺紋牙完全磨損，已無法看出螺紋牙倒伏方向。中心拉桿宏觀形貌圖見圖9。

圖8 軸內花鍵形貌圖

圖9 中心拉桿外螺紋形貌圖

從以上分析初步可以得出：

（1）試驗故障直接原因為轉子系統失穩，產生很大的彎矩，柔性軸無法承受過大彎矩而首先過載斷裂，從而導致試驗件掉落。

（2）其他零部件的損傷均為故障發生后的二次損傷。

4.故障樹及故障排查

4.1 故障樹

針對可能的故障原因繪制了故障樹，如圖10所示。

圖10 故障樹

4.2 故障排查

按圖10所示的故障樹逐一進行了排查，排查結果見表1。根據以上分析，初步分析軸與高壓渦輪盤在高轉速下剩余過盈量偏小和中心拉桿剩余拉力偏小導致高壓渦輪盤破裂試驗故障。

表1 故障底事件排查結果

5.改進措施及試驗驗證

5.1 改進措施

根據故障初步原因，采取的改進措施如下：

（1）在保證中心拉桿的強度滿足要求的前提下，減小中心拉桿壁厚。

（2）增大軸與高壓渦輪盤之間的過盈量設計值。

（3）增大初始施加的預緊力。

5.2 試驗驗證

采取改進措施后，對高壓渦輪盤進行了試驗驗證，驗證結果表明改進后的試驗工裝能夠滿足試驗需求，改進措施有效。高壓渦輪盤破裂試驗轉速、振動隨時間變化曲線見圖11。

圖11 改進措施后高壓渦輪盤試驗曲線

6.結論

本文針對某渦槳發動機高壓渦輪盤破裂試驗故障開展研究，從試驗器柔性軸、試驗件與試驗專用工裝進行了分析，繪制了故障樹，初步確定了故障原因，針對故障原因采取了改進措施，并且通過了試驗驗證。驗證結果表明改進措施有效，故障定位準確，提高了試驗專用工裝的設計水平，為該型號研制提供了重要的數據支持。