某型涡喷发动机灵活性超差故障机理研究

2021-10-23陈广瞩王洪岩

新型工业化 2021年7期

陈广瞩，王洪岩

（1.国营长虹机械厂，广西桂林 541002；2.中国人民解放军95072部队，广西桂林 541002）

0引言

某型国产涡喷发动机是一款小型的、单轴的、不带加力燃烧室的涡轮喷气发动机（以下简称发动机），灵活性超差是发动机延寿修理中的常见故障，会增加该型发动机修理周期和成本。灵活性是指发动机从某一转速到转子完全停止的时间，反映了转子系统的阻力大小。灵活性越好，说明发动机转子系统阻力越小；相反，则说明发动机转子系统阻力过大，严重时将伴随发动机支承失效、磨损、甚至掉块等危险[1]。

由于发动机转子部组件数量多，故障树复杂，任何一个转子部件的阻力增大都会对发动机灵活性产生影响，难以从单个部件对故障进行定位，因此有必要从发动机结构原理的角度，着眼转动部件相对位置、配合间隙，对发动机灵活性的影响因素及影响机理开展系统性研究，为预防发动机灵活性超差故障提供依据。

1 支承结构对发动机灵活性影响分析

发动机转动部件通过支承结构支承在发动机机匣上，转子所受的各种载荷（轴向力、重力、惯性力及惯性力矩等）由支承结构将载荷传到发动机机匣上，由机匣通过发动机的安装节传递到导弹构件上，发动机支承与转子部件受力方式有关，对发动机转子的灵活性有直接影响[2]。为从发动机结构的角度分析灵活性超差故障影响因素，对发动机支承进行简化如图1所示。

图1 发动机支承图

从图1中可以看出，轴流压气机由两个支点支承，分别位于前轴承座和后轴承座，使得轴流压气机处于悬臂状态，轴流压气机转子灵活性容易受到支点轴承阻力影响，而转子阻力与装配质量有关。压气机前轴承局部如图2所示，从图中可以看出，轴流压气机前轴承的轴向受力与大石墨封油圈的压缩量有关，当大石墨封油圈压缩量过大时，大石墨封油圈挤压轴流压气机前轴承，使轴承内环受力，轴承在预加载荷下产生端面错移量δ（见图3）；导致发动机轴承产生附加阻力，阻力加大，从而影响发动机转子灵活性；当大石墨封油圈压缩量过小时，大石墨封严无法贴合轴承内环，封严效果不佳，容易造成滑油泄漏。

图2 压气机前轴承局部放大图

图3 压轴承产生端面错位示意图

由于大石墨封油圈与前轴承座的配合为过盈配合，不便反复拆装以防止石墨封油圈损坏，因此装配大石墨封油圈前需测量大石墨封油圈的压缩量，通过计算选用厚度恰当的调整垫片使压缩量满足设计要求，保证大石墨封油圈与轴承之间的紧度，并避免挤压轴承产生附加阻力，造成发动机灵活性超差[3]。此外，在大石墨装配时，需保证大石墨底部、调整垫片及前轴承座安装面三者紧密贴合，避免因装配不到位而影响发动机灵活性。

轴流压气机后轴承安装于后轴承支座内，不从后轴承支座上分解，因此修理前后轴流压气机后轴承与轴承支座相对位置、配合间隙没有发生变化，在后轴承座装配前检查轴承的旋转情况，应旋转灵活而均匀，无卡滞现象；不满足要求时应分解修理或换新，避免轴流压气机后轴承磨损而影响发动机灵活性[4]。

离心压气机和涡轮组成的联合转子采用1-0-1的支承方式，即联合转子前有一个支点，联合转子后有一个支点，该支承方式下联合转子灵活性容易受转子不平衡量影响，同时受不平衡量分布造成的动力特性所影响。

图4 联合转子前支点

附件机匣通过齿轮传动的方式将动力由压气机轴传递至起动发电机、供油机构等附件，当附件几下轴承安装轴与安装面不垂直、轴承底面与轴承安装面不贴合时，会对轴承垂直度产生影响，轮旋转不稳定，会导致发动机转动部件阻力增加，影响发动机灵活性。

2 扭矩传递效率对发动机灵活性影响分析

发动机工作时，燃烧室排出的燃气对涡轮做功，推动涡轮转动。涡轮从高温燃气中提取功，带动压气机和附件转动。涡轮通过扭矩传递的方式将功传递至压气机和附件传动系统，当发动机扭矩传递不畅时，会在转子系统内部产生附加阻力，影响发动机灵活性，发动机扭矩传递见表1。

表1 发动机扭矩传递

涡轮轴与套齿传动轴通过齿轮传动扭矩，此时涡轮轴传动齿轮为主动轮，套齿传动轴为从动轮。对正齿轮而言，一般传动效率（见公式1）为98%～99.5%，齿面摩擦、齿轮振动以及装配不当都会增加齿轮传动阻力，使扭矩传动效率下降，降低发动机灵活性。由于在发动机故检阶段会检查齿面光滑度，可排除齿面摩擦过大而导致发动机灵活性故障，因此对发动机灵活性产生影响的原因主要为装配不当，主要因素为转轴垂直度。

传动效率=（从动轮获取的功率/主动轮输入的功率）×100%（1）

套齿传动轴从涡轮轴获取功率后，一方面向压气机轴传递扭矩，套齿传动轴与压气机轴通过齿轮传动扭矩，此时套齿传动轴为主动轮，压气机轴为从动动轮，套齿传动轴与压气机轴之间的传动效率同样受到齿面摩擦、齿轮振动以及装配的影响；另一方面，套齿传动轴需带动中传动机构，由中传动盒提取功率传动至供油机构、滑油泵、起动发电机、转速传感器等附件，带动附件工作。

套齿传动轴与中传动齿轮之间的扭矩传递效率与受齿面摩擦、齿轮振动以及装配质量有关，根据发动机性能要求，发动机中传动盒在使用过程一般不会产生齿面摩擦，中传动盒不用分解修理，因此影响传动效率的原因主要为中传动盒装配不当所造成。

中传动盒从套齿传动轴提取功率之后，由上传动轴和齿轮传动轴将功率传递至附件，发动机附件传动齿轮有正齿轮和锥齿轮。一般锥齿轮传动效率为0.88%～0.98%，锥齿轮的传动效率受装配质量影响较大。根据前期修理经验，发动机附件齿轮扭矩传递效率主要受齿轮间隙影响。

3 转子静子干涉对发动机灵活性影响分析

当非接触的转子与静子的间隙不足时，发动机工作过程中会出现转子部件与非接触静子干涉的现象。非接触的发动机转子静子干涉主要为发动机叶片与机匣干涉、封严装置与机匣干涉。转子静子干涉分为轴流压气机叶片与进气机匣的干涉、离心压气机与机匣之间的干涉、涡轮转子与静子之间的干涉。

其中轴流压气机叶片与进气机匣的干涉是指轴流压气机叶片剐蹭进气机匣发生碰膜的现象，其原因主要为发动机工作时轴流压气机叶片在离心力的作用下叶片沿着径向有∆L的形变量，当轴流压气机叶顶间隙不足时，在离心力的作用下叶顶间隙进一步缩小，进而发生碰膜现象，由于轴流压气机属于冷端部件，当冷灵合格故障原因可以排除。

离心压气机与机匣之间的干涉是指离心压气机叶片与离心机匣发生碰膜现象，同样属于冷端部件，当冷灵合格故障原因可以排除[5]。

涡轮转子与机匣之间的干涉是指涡轮叶片与后轴承机匣之间碰膜现象，涡轮转子和机匣均属于热端部件，涡轮叶片在离心力载荷和热灵力载荷双重影响下，沿着径向发生变形，导致涡轮叶顶间隙发生变化。当发动机装配叶顶间隙不足时，严重时将涡轮叶片叶顶容易剐蹭后轴承机匣引发碰膜现象。

封严装置与机匣干涉主要为蓖齿封严圈和涡轮轴承座的干涉，蓖齿封严圈与涡轮轴承座属于热端部件，在热试车过程中容易发生热膨胀而导致蓖齿封严圈磨蹭后轴承座的现象，对某台热灵不合格的发动机进行分解，发现涡轮轴承座存在磨损的痕迹，如图5所示，当发动机蓖齿封严圈磨蹭涡轮轴承座时，将会增加发动机转子阻力，从而影响发动机灵活性。

图5 涡轮轴承座磨损现象

4 灵活性故障树

根据以上分析，以“发动机灵活性故障”作为顶事件，结合发动机修理经验，建立故障树如图6所示，共列出19个底事件。

图6 发动机灵活性故障树

4.1 发动机支承故障

发动机支承故障分为核心部件支承故障和附件系统支承故障。其中，核心部件支承故障分支底下有四个底事件：轴流压气机前轴承故障、轴流压气机后轴承故障、弹性支座轴承支承故障、涡轮后轴承支承故障；附件系统支承故障分支底下有两个底事件：中传动机构轴承阻力过大、附件传动齿轮支承轴承阻力过大。在发动机试车过程中，当冷灵不合格，且冷灵远低于合格范围下限，发动机假开车冷灵不符合要求，说明发动机装配不当，不可再次运转，待发动机停转后，将发动机下台架，用手顺航向逆时针旋转轴流转子，仔细检查发动机转动情况，通过感受卡滞部位和听辨声音进行故障定位，对发动机进行分解检查，重点检查故障定位处，后重现装配进行试车验证，直至故障排除；若冷灵和吹后灵活性合格，且冷灵和吹后灵活性远大于合格范围下限，可排除发动机支承故障。

4.2 发动机扭矩传递故障

发动机扭矩传递故障分为主传动轴扭矩传递故障和附件扭矩传递故障，其中主传动轴扭矩传递故障分支有两个底事件：涡轮轴与套齿传动轴扭矩传递故障、套齿传动轴与压气机轴扭矩传递故障；附件扭矩传递故障分支有五个底事件：上传动锥齿轮与上传动从动齿轮扭矩传递故障、上传动从动齿与大中介齿轮扭矩传递故障、扭矩传递故障与燃油泵传动齿轮扭矩传递故障、燃油泵传动齿轮与小中介齿轮扭矩传递故障、小中介齿轮与测速电机传动齿轮扭矩传递故障。发动机试车过程中，当冷灵不合格，且冷灵远低于合格范围下限，发动机假开车冷灵不符合要求，说明发动机装配不当，不可再次运转，待发动机停转后，将发动机下台架，用手顺航向逆时针旋转轴流转子，仔细检查发动机转动情况，通过感受卡滞部位和听辨声音进行故障定位，对发动机进行分解检查，重点检查故障定位处，后重现装配进行试车验证，直至故障排除；若冷灵和吹后灵活性合格，且冷灵和吹后灵活性远大于合格范围下限，可排除发动机支承故障。

4.3 发动机转静子干涉故障

发动机转子静子干涉分为叶片碰膜和封严装置阻滞。其中叶片碰膜分支有三个底事件：轴流压气机叶片碰膜、离心压气机叶片碰膜、涡轮叶片碰膜；封严装置卡滞分支下油两个底事件：篦齿封严套阻滞、封严皮碗阻滞。当发动机转子静子干涉故障一般为发动机冷灵合格，且冷灵远大于合格范围下限，而热灵不合格时，可能导致灵活性故障的原因为发动机在热状态和振动环境下，发动机转子静子干涉，篦齿封严圈挂蹭后轴承机匣镀层导致热灵不合格是发动机灵活性故障的常见原因，当发动机冷灵合格，且远大于合格范围下限时，可将发动机进行4h冷却后再次试车，消除发动机受热不均匀因素，和排除篦齿封严圈挂蹭后轴承机匣镀层因素[6]。