沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司 沈陽 110043

1 研究背景

航空發(fā)動機為飛機提供動力[1-4],是一種高度復雜的熱力機械,其工作可靠性直接關(guān)系到飛行安全,體現(xiàn)了一個國家的科技、工業(yè)和國防實力[5-8]。低壓渦輪轉(zhuǎn)子是航空發(fā)動機中的四大核心轉(zhuǎn)子之一,經(jīng)過3 000 h使用后各零件存在不同程度的磨損、變形[9],需要進行大修。低壓渦輪轉(zhuǎn)子典型故障有蜂窩組件中蜂窩環(huán)磨損超差、封嚴環(huán)配合止口尺寸磨損超差、密封跑道腐蝕等,筆者分析低壓渦輪轉(zhuǎn)子典型故障產(chǎn)生的機理和原因,提出故障排除措施,進而提高低壓渦輪轉(zhuǎn)子的工作可靠性。

2 低壓渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

如圖1所示,低壓渦輪轉(zhuǎn)子主要由低壓渦輪一級盤、低壓渦輪二級盤、封嚴環(huán)、低壓渦輪軸、蜂窩組件、密封跑道等組成。其中,封嚴環(huán)與低壓渦輪一級盤、低壓渦輪二級盤通過配合止口定位,封嚴環(huán)通過低壓渦輪一級盤上的銷實現(xiàn)周向定位,低壓渦輪一級盤、低壓渦輪二級盤、低壓渦輪軸通過雙頭螺栓連接,低壓渦輪軸、蜂窩組件、密封跑道通過螺釘連接。

圖1 低壓渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

3 蜂窩組件中蜂窩環(huán)磨損超差故障

3.1 原因分析

蜂窩組件是低壓渦輪轉(zhuǎn)子的一部分,與高壓渦輪轉(zhuǎn)子篦齒配合接觸,形成密封腔體,共同起密封作用。據(jù)統(tǒng)計,蜂窩組件中蜂窩環(huán)磨損超差是航空發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子大修時面臨的主要故障之一,故障率高達100%,有效解決蜂窩組件中蜂窩環(huán)磨損超差故障成為提高低壓渦輪轉(zhuǎn)子工作可靠性和降低修理成本的關(guān)鍵。

在航空發(fā)動機工作過程中,由于發(fā)動機振動,高壓渦輪轉(zhuǎn)子以高壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐點連線為中心線進行偏心轉(zhuǎn)動,低壓渦輪轉(zhuǎn)子以低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐點連線為中心線進行偏心轉(zhuǎn)動,高壓渦輪轉(zhuǎn)子和低壓渦輪轉(zhuǎn)子偏心角和偏心幅值不相同,高壓渦輪轉(zhuǎn)子篦齒切入低壓渦輪轉(zhuǎn)子蜂窩組件中,導致蜂窩組件中蜂窩環(huán)磨損超差。同時,在發(fā)動機工作過程中,低壓渦輪轉(zhuǎn)子在軸向上有竄動,蜂窩組件的整個蜂窩環(huán)面被高壓渦輪轉(zhuǎn)子磨損。

3.2 故障排除措施

通過對蜂窩組件更換磨損蜂窩環(huán)的方法,使其滿足與高壓渦輪轉(zhuǎn)子篦齒配合的要求,排除蜂窩組件中蜂窩環(huán)磨損超差故障。經(jīng)過蜂窩組件殼體材料拉伸、彎曲、疲勞、金相等性能試驗,對磨損蜂窩環(huán)去除方法、蜂窩環(huán)重新釬焊、殼體材料硬度檢測跟蹤等進行研究[10],提出具體故障排除步驟:車削蜂窩組件中磨損蜂窩環(huán),打磨殼體上殘留的釬焊層,釬焊新蜂窩環(huán),時效處理,磨削新蜂窩環(huán),熒光檢查,蜂窩組件平衡。故障排除前后蜂窩組件對比如圖2所示。

圖2 故障排除前后蜂窩組件對比

4 封嚴環(huán)配合止口尺寸磨損超差故障

4.1 原因分析

封嚴環(huán)是低壓渦輪轉(zhuǎn)子的重要組成部分,夾在低壓渦輪一級盤、低壓渦輪二級盤之間,起封嚴作用,與低壓渦輪一級盤通過止口定位。航空發(fā)動機大修時,封嚴環(huán)與低壓渦輪一級盤配合止口尺寸磨損超差是主要故障之一,故障率高達98%,有效解決封嚴環(huán)與低壓渦輪一級盤配合止口磨損超差故障,同樣是提高低壓渦輪轉(zhuǎn)子可靠性和降低修理成本的關(guān)鍵。

在航空發(fā)動機工作過程中,由于發(fā)動機振動、封嚴環(huán)周向熱變形、封嚴環(huán)與低壓渦輪一級盤周向相對微動等原因,封嚴環(huán)與低壓渦輪一級盤配合面相互摩擦,導致配合面尺寸磨損。由于封嚴環(huán)軸向熱變形,封嚴環(huán)兩端受到低壓渦輪一級盤、低壓渦輪二級盤的壓力,封嚴環(huán)中部徑向向外撅起,兩端徑向向內(nèi)變形,造成封嚴環(huán)與低壓渦輪一級盤配合止口尺寸變小。以上兩方面原因?qū)е路鈬拉h(huán)與低壓渦輪一級盤配合止口尺寸磨損超差故障。

4.2 故障排除措施

通過對封嚴環(huán)與低壓渦輪一級盤配合止口采用化學鍍鎳修復方法,使兩者滿足配合要求,排除封嚴環(huán)配合止口尺寸磨損超差故障。測量封嚴環(huán)與低壓渦輪一級盤配合面磨損后的尺寸,根據(jù)實際需求,計算鍍鎳層厚度。對除配合面外的部分進行涂膠保護,鍍鎳前對配合面進行吹砂處理。將保護好的封嚴環(huán)放入配好的槽液中進行化學鍍鎳,測量封嚴環(huán)與低壓渦輪一級盤配合面鍍鎳后的尺寸,保證封嚴環(huán)滿足與低壓渦輪一級盤的配合要求。故障排除前后封嚴環(huán)對比如圖3所示。

圖3 故障排除前后封嚴環(huán)對比

5 密封跑道腐蝕故障

5.1 原因分析

密封跑道是低壓渦輪轉(zhuǎn)子的組成部分,密封跑道表面一部分為鍍鉻層,為石墨密封環(huán)提供支撐座,表面其余部分為鍍鎳層,防止基體腐蝕。航空發(fā)動機大修時,鍍鎳層表層腐蝕是密封跑道產(chǎn)生的主要故障,故障率約為20%。可見,密封跑道腐蝕故障亟需解決。

密封跑道的基體采用40CrNiMo材質(zhì)制造而成,受材質(zhì)自身特性影響,密封跑道較容易腐蝕,于是采用鍍鎳層防止基體腐蝕。在航空發(fā)動機工作過程中,有較多油氣通過密封跑道,特別是在海洋環(huán)境中工作的航空發(fā)動機,密封跑道更容易發(fā)生鍍鎳表層腐蝕故障。

5.2 故障排除措施

采用對表層腐蝕的密封跑道修理鍍鎳層的方法,排除密封跑道腐蝕故障,具體故障排除步驟為,首先對表層腐蝕的密封跑道通過化學方法去除鍍鎳層,腐蝕點較深處通過手工搓磨的方法對腐蝕點進行修理,直至排除腐蝕痕跡;然后進行表面吹砂處理,再重新鍍鎳。

6 結(jié)束語

筆者分析了航空發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子典型故障,通過對蜂窩組件更換磨損蜂窩環(huán)的方法,使其滿足與高壓渦輪轉(zhuǎn)子篦齒的配合要求,排除蜂窩組件中蜂窩環(huán)磨損超差故障。通過對封嚴環(huán)與低壓渦輪一級盤配合止口采用化學鍍鎳修復的方法,使兩者滿足配合要求,排除封嚴環(huán)配合止口尺寸磨損超差故障。通過對表層腐蝕的密封跑道重新修理鍍鎳層的方法,排除密封跑道腐蝕故障。通過故障處理,提高了航空發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子的工作可靠性。