陳欣，侯憲勇，陳蔚興

（中國南方航空工業(yè)集團(tuán)有限公司，湖南株洲 412002）

0 引言

某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)自投入使用以來，在外場已發(fā)生多起由于燃?xì)獍l(fā)生器后軸承損壞而導(dǎo)致空中停車的故障，不但造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，而且影響了飛機(jī)的正常使用，為此對(duì)其進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)防砂結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)和功能

1）燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)。燃?xì)獍l(fā)生器包括轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和靜子系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要由離心壓氣機(jī)、噴射油道、甩油盤、鼓筒軸和2 級(jí)渦輪組成，靜子系統(tǒng)主要由中介機(jī)匣、擴(kuò)壓器、渦輪機(jī)匣和火焰筒組成；結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2）燃?xì)獍l(fā)生器的功能。離心壓氣機(jī)壓縮空氣經(jīng)擴(kuò)壓器整流進(jìn)入燃燒室，一部分直接進(jìn)入火焰筒參與燃燒，一部分空氣經(jīng)一導(dǎo)空心葉片、火焰筒內(nèi)環(huán)組件、迷宮式封嚴(yán)套筒和鼓筒軸的3 個(gè)腰形孔進(jìn)入鼓筒軸內(nèi)，用于冷卻燃?xì)獍l(fā)生器的一、二級(jí)渦輪盤；氣路如圖2 所示。

圖1 燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)

圖2 氣路示意圖

2 故障機(jī)理

冷卻氣流對(duì)鼓筒軸進(jìn)行冷卻時(shí)，砂塵隨冷卻氣流進(jìn)入了鼓筒軸內(nèi)，此時(shí)砂塵在離心力的作用下從空氣中分離并沉積于鼓筒軸內(nèi)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間的延長，積砂量增多。發(fā)動(dòng)機(jī)工作中沉積的砂塵因振動(dòng)或慣性力作用而掉塊，使轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡破壞，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)突然增大，最終造成軸承磨損失效，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車。

3 改進(jìn)方案

3.1 初步改進(jìn)方案

1）結(jié)構(gòu)改進(jìn)。鼓筒軸積砂導(dǎo)致燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子存在動(dòng)平衡破壞隱患，屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷。為解決該問題，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以防止砂塵進(jìn)入鼓筒軸。迷宮式封嚴(yán)襯套上對(duì)應(yīng)鼓筒軸3 個(gè)腰形孔處增加一個(gè)環(huán)形折流板（見圖3），起慣性除塵作用，可減少砂塵進(jìn)入鼓筒軸。

2）試驗(yàn)驗(yàn)證。采用初步改進(jìn)方案的發(fā)動(dòng)機(jī)在廠內(nèi)進(jìn)行了防砂試驗(yàn)。試驗(yàn)證明采用初步改進(jìn)方案發(fā)動(dòng)機(jī)的積砂量下降了66%。試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，試驗(yàn)表明初步改進(jìn)方案可以在很大程度上減少發(fā)動(dòng)機(jī)鼓筒軸內(nèi)的積砂量。

3）外場領(lǐng)先使用驗(yàn)證。采用初步改進(jìn)方案的發(fā)動(dòng)機(jī)在外場領(lǐng)先使用中再次發(fā)生了故障，造成了發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車，表明采用初步改進(jìn)方案的發(fā)動(dòng)機(jī)雖然大幅度地減少了積砂量，但仍然存在發(fā)生故障的隱患。

圖3 增加折流板后的氣路

表1 車臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)積砂量試驗(yàn)

3.2 最終改進(jìn)方案

3.2.1 改進(jìn)方案

保持冷卻空氣流路不變，在鼓筒軸內(nèi)嵌入蜂窩結(jié)構(gòu)。通過蜂窩對(duì)砂塵的吸附作用，讓從冷卻空氣中分離的砂塵沉積在蜂窩內(nèi)，通過蜂窩對(duì)砂塵的吸附作用，增大對(duì)砂塵的蓄容能力，阻止砂塵成塊掉落。

3.2.2 鼓筒軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在鼓筒軸內(nèi)壁上增加兩排凸臺(tái)，在凸臺(tái)上鑲嵌蜂窩，蜂窩厚度為5 mm，蜂窩孔隙規(guī)格為3.175 mm；改進(jìn)后的鼓筒軸結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 帶蜂窩的鼓筒軸組件示意圖

3.2.3 改進(jìn)后鼓筒軸的計(jì)算分析

對(duì)改進(jìn)后的鼓筒軸進(jìn)行計(jì)算分析，以了解改進(jìn)后鼓筒軸的強(qiáng)度、模態(tài)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性是否滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

1）強(qiáng)度計(jì)算。強(qiáng)度計(jì)算采用8 節(jié)點(diǎn)六面體單元有限元模型，所用程序?yàn)锳NSYS 程序。

計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)后鼓筒軸的應(yīng)力水平與原結(jié)構(gòu)相當(dāng)，改進(jìn)前后最大應(yīng)力值和強(qiáng)度儲(chǔ)備見圖5、圖6 和表2。

圖5 改進(jìn)前鼓筒軸應(yīng)力分布

圖6 改進(jìn)后鼓筒軸應(yīng)力分布

計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)前后屈服強(qiáng)度滿足應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)要求，原結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度略低于應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，但使用經(jīng)驗(yàn)表明，原結(jié)構(gòu)鼓筒軸設(shè)計(jì)強(qiáng)度足夠，改進(jìn)后與原結(jié)構(gòu)相當(dāng)，因此改進(jìn)后鼓筒軸的強(qiáng)度滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求。

2）鼓筒軸模態(tài)分析。計(jì)算和試驗(yàn)分析鼓筒軸的固有模態(tài)，計(jì)算分析采用有限元法，試驗(yàn)分析采用錘擊法。改進(jìn)前、后鼓筒軸的模態(tài)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表3。

表2 鼓筒軸改進(jìn)前、后最大應(yīng)力和強(qiáng)度儲(chǔ)備

表3 改進(jìn)前、后鼓筒軸的模態(tài)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果來看，3 階、4 階模態(tài)頻率較接近，且振型相同，應(yīng)為不同相位的同一模態(tài)。試驗(yàn)的模態(tài)對(duì)應(yīng)于計(jì)算中的3 階或4 階模態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果較接近，振型相同。

試驗(yàn)和計(jì)算表明，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，鼓筒軸的振型不變，但固有頻率有所增大，這是由于改進(jìn)后鼓筒軸剛度增大所致。

3）轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性計(jì)算。鼓筒軸固有頻率的變化，最終體現(xiàn)為對(duì)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響，因此需對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)力特性分析。計(jì)算分析采用整體傳遞矩陣法。

該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為51 800 r/min，最大轉(zhuǎn)速為54 390 r/min，最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為34 700 r/min，工作轉(zhuǎn)速范圍為34700～54390r/min。轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果如圖7。

由圖7 可知：第1 階臨界轉(zhuǎn)速為渦輪盤的彎曲變形；第2 階臨界轉(zhuǎn)速為鼓筒軸的彎曲變形；第3階臨界轉(zhuǎn)速為前支點(diǎn)和壓氣機(jī)的變形。

轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性分析表明，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子1 階臨界轉(zhuǎn)速的1.2 倍低于最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，2 階臨界轉(zhuǎn)速的0.8 倍大于最大轉(zhuǎn)速，滿足準(zhǔn)則要求。故改進(jìn)后的轉(zhuǎn)子在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生共振。

3.2.4 鼓筒軸防砂改進(jìn)試驗(yàn)

圖7 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前3 階臨界轉(zhuǎn)速及其振型

圖8 吞砂試驗(yàn)后蜂窩結(jié)構(gòu)積砂效果圖

1）吞砂試驗(yàn)。試驗(yàn)所用介質(zhì)為灰砂，噴砂量為3.0 kg，鼓筒軸內(nèi)積砂36 g，積砂量占總噴砂量的1.2%，積砂分布均勻，絕大部分沉積在蜂窩芯格內(nèi)，僅在部分進(jìn)氣小孔附近存在微小鼓包。噴砂試驗(yàn)后蜂窩結(jié)構(gòu)積砂效果見圖8。

2）振動(dòng)試驗(yàn)和適應(yīng)性考核試驗(yàn)。將蜂窩內(nèi)存有積灰砂34 g 的鼓筒軸安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)中總掉砂量為4.3 g。

帶36 g 積塵的蜂窩鼓筒軸隨發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了30 h 適應(yīng)性考核試驗(yàn)和附加40 次起動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，前支點(diǎn)振動(dòng)一直沒在超出規(guī)定值，且考核前后燃?xì)獍l(fā)生器前支點(diǎn)和后支點(diǎn)的振動(dòng)無明顯變化。

試驗(yàn)結(jié)果表明蜂窩對(duì)沙塵有較強(qiáng)的吸附力，在發(fā)動(dòng)機(jī)的各典型工況和工況變化的情況下沙塵沒有掉塊，未引起發(fā)動(dòng)機(jī)共振。

3）領(lǐng)先使用驗(yàn)證。兩臺(tái)貫徹最終改進(jìn)方案的某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)交付外場領(lǐng)先使用。在領(lǐng)先使用期內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，無振動(dòng)偏大和金屬屑報(bào)警的異常情況。返廠檢查鼓筒軸積砂均勻且未形成鼓包，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡未見明顯變化，燃?xì)獍l(fā)生器后軸承未見磨損。貫徹最終改進(jìn)方案的發(fā)動(dòng)機(jī)在翻修壽命期內(nèi)可以保證安全使用。

4 結(jié)論

通過在鼓筒軸進(jìn)氣孔對(duì)應(yīng)的迷宮封嚴(yán)襯套處增加折流板，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的積砂量；通過在鼓筒軸內(nèi)增加蜂窩，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的容砂能力。最終保證了發(fā)動(dòng)機(jī)翻修期內(nèi)安全可靠工作。

［1］宋兆泓，熊昌炳，鄭光華.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空學(xué)院出版社，1988.

［2］聞邦椿.高等轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

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［4］馬志宏，李金國，張景飛.軍用裝備砂塵環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)［J］.裝備環(huán)境工程，2007，4（6）：30-33.