王明芳

摘要：本文針對(duì)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障進(jìn)行分析，通過對(duì)比各種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有關(guān)的機(jī)械故障來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障產(chǎn)生的原因，從故障產(chǎn)生原理入手對(duì)部分故障提供預(yù)防措施。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及溫度環(huán)境兩類引發(fā)故障的原因，分別對(duì)轉(zhuǎn)子軸承及其連接件的配合問題、由于制造及裝配精度問題引發(fā)的轉(zhuǎn)子不平衡問題以及轉(zhuǎn)子與靜子不同心問題、轉(zhuǎn)子及連接件熱蠕動(dòng)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子熱彎曲現(xiàn)象進(jìn)行了分析。總結(jié)出由上述問題所引發(fā)的轉(zhuǎn)子碰磨問題、轉(zhuǎn)子彎曲變形問題、零部件松動(dòng)變形等常見的故障。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子;結(jié)構(gòu)間隙;溫度場(chǎng);不平衡響應(yīng)

中圖分類號(hào)：V231.96? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）08-0156-02

0? 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣流沿壓氣機(jī)軸線產(chǎn)生高振幅、低頻率的振蕩現(xiàn)象稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振。發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)各零部件劇烈振動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生碰磨損壞、性能急劇惡化等故障，進(jìn)而引發(fā)了事故的發(fā)生。本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子因結(jié)構(gòu)間隙碰磨而發(fā)生的故障以及由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中所產(chǎn)生的溫度所影響的轉(zhuǎn)子及相關(guān)零部件的材料特性受影響而發(fā)生的故障進(jìn)行分析論證。

1? 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障分析

1.1 轉(zhuǎn)子軸承配合故障分析

1.1.1 軸承連接剛性非線性原理? 圖1為軸承外圈與軸承座配合松動(dòng)剖面圖，由圖示可以看出滾動(dòng)軸承外圈與軸承座直接存在著一定的配合間隙，該在實(shí)際工作中所產(chǎn)生的磨損振動(dòng)將影響轉(zhuǎn)子正常工作導(dǎo)致整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生故障。

圖2所示為軸承外圈與軸承座配合松動(dòng)點(diǎn)的示意圖。

由于軸承的擰緊力矩會(huì)改變軸承外圈與軸承座表面間的摩擦力，從而改變了兩者間的摩擦阻尼，因此軸承外圈與軸承座之間的連接剛度表現(xiàn)出了非線性特征。

1.1.2 擰緊力矩對(duì)軸承座相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響? 由于滾動(dòng)軸承外圈與軸承座之間的擰緊力矩對(duì)軸承座產(chǎn)生不可忽視的影響，通過對(duì)比不同配合間隙下擰緊力矩對(duì)軸承外圈與軸承座之間的相對(duì)位移的影響來推斷其間的關(guān)系。

由力學(xué)特性分析，當(dāng)增大軸承外圈與軸承座之間的擰緊力矩時(shí)，外圈與軸承座之間的摩擦系數(shù)也隨之增大，在不同的配合間隙以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不同的轉(zhuǎn)速下，軸承外圈與軸承座之間的相對(duì)位移變化也隨之減小。

但在實(shí)際工作過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷提高，其產(chǎn)生的振動(dòng)也逐漸變得不可忽視，在超過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，振動(dòng)較大，通過增大擰緊力矩來減小軸承外圈與軸承座之間的相對(duì)位移效果并不理想。除減小軸承外圈與軸承座間振動(dòng)與相對(duì)位移外，適度的增大擰緊力矩也可減小其他零部件如葉片等振動(dòng)所產(chǎn)生的影響。

1.1.3 轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)? 轉(zhuǎn)子在工作中所受到的不平衡的力或力矩從而產(chǎn)生的振動(dòng)被稱為不平衡響應(yīng)。在實(shí)際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)子自身的不平衡量是無法避免也不受控制的，受材料分布及加工所產(chǎn)生的缺陷影響，相對(duì)于理論來說即使及其細(xì)小的瑕疵以及裝配所產(chǎn)生的精度等問題所產(chǎn)生的不平衡量，在轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的不平衡響應(yīng)所引起的轉(zhuǎn)子與靜子以及機(jī)匣間產(chǎn)生的碰磨都是不可忽略并且極易產(chǎn)生故障的。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及苛刻的工作環(huán)境，導(dǎo)致了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡精度很難得到保障。而壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)過在平衡機(jī)上平衡后再安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上更加難以維持平衡。而在實(shí)際的數(shù)據(jù)中可以看出，絕大多數(shù)經(jīng)過平衡機(jī)平衡的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上后，平衡精度的誤差會(huì)大大的升高。

1.1.4 轉(zhuǎn)子與靜子裝配不同心問題? 在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子前后軸頸就會(huì)沿徑向產(chǎn)生移動(dòng)，由此導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與靜子之間產(chǎn)生裝配不同心的現(xiàn)象。由于壓氣機(jī)機(jī)匣由薄壁結(jié)構(gòu)經(jīng)過焊接組成，因此經(jīng)過一定的使用時(shí)間后，機(jī)匣會(huì)產(chǎn)生一定程度的橢圓變形，隨著工作時(shí)間的推移，機(jī)匣所產(chǎn)生的變形量會(huì)越來越大，導(dǎo)致了定位在機(jī)匣上的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的非正常位移量大大增加。

由此可見發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子的裝配不同心問題主要來自于兩個(gè)方面：一是壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子本身在機(jī)匣上定位并不穩(wěn)固，在實(shí)際工作中會(huì)產(chǎn)生一定量的位移。二是由于機(jī)匣壁在長時(shí)間的使用中會(huì)產(chǎn)生一定量的變形情況導(dǎo)致了定位在機(jī)匣上的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一定量的相對(duì)位移。據(jù)統(tǒng)計(jì)，翻修過的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與靜子裝配不同心問題多于新投入使用的發(fā)動(dòng)機(jī)，由此可見此類問題常使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生故障。

1.2 溫度場(chǎng)的影響下轉(zhuǎn)子故障分析

1.2.1 溫度場(chǎng)對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的影響? 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲量隨著溫度的升高也在不斷地升高，但環(huán)境溫度對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲量也受外界環(huán)境溫度的影響，由于機(jī)匣內(nèi)外溫差較大，機(jī)匣內(nèi)外的溫度交換率也較大，因此壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲量也受季節(jié)以及天氣影響。

由于工作室的高溫會(huì)影響壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的剛度，使其容易發(fā)生熱彎曲變形，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)停車后盡快使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子溫度降低到臨界溫度下，避免其變形量過大，影響其使用壽命。

實(shí)際工作中常常采取冷吹措施，在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子溫度尚未降下來時(shí)強(qiáng)行啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子造成較大的損傷。采用冷吹措施，用溫度較低且速度較高的氣體沖擊轉(zhuǎn)子，使其周圍高溫氣體與低溫氣體快速交換以達(dá)到快速降溫的目的。但在冷吹時(shí)也要把握好冷氣的溫度以及速度，避免過低的溫度對(duì)轉(zhuǎn)子葉片材料的力學(xué)性質(zhì)造成損傷，也避免過高的氣體流速對(duì)轉(zhuǎn)子葉片造成的沖擊過大使其產(chǎn)生彎曲變形。

1.2.2 連接件的熱蠕動(dòng)現(xiàn)象? 連接件間溫度分布不同，由于熱脹冷縮等緣故產(chǎn)生的局部的不均勻的變形量不同，變形量在長期累積后會(huì)使各零部件間發(fā)生一定的相對(duì)位移現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為熱蠕動(dòng)現(xiàn)象。

在發(fā)動(dòng)機(jī)熱啟動(dòng)后，壓氣機(jī)內(nèi)部的溫度升高現(xiàn)象主要是因燃燒室溫度升高，通過連接結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)以及空氣傳導(dǎo)，將部分熱量傳遞到壓氣機(jī)內(nèi)所產(chǎn)生的。

通過連接結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的溫度不均現(xiàn)象主要有以下規(guī)律：

①靠近燃燒室一方結(jié)構(gòu)升溫速度以及溫度升高量均大于遠(yuǎn)離燃燒室的一方;②結(jié)構(gòu)外圍部分的溫度升高速度以及升高量均大于結(jié)構(gòu)內(nèi)部;③由于高溫氣體密度較低導(dǎo)致上浮，溫度相對(duì)較低的氣體密度較低下降，形成了上熱下冷的不均勻溫度環(huán)境。

由于相同溫度下，結(jié)構(gòu)不均勻的零部件所產(chǎn)生的熱變形量是不同的，而在不同溫度下，結(jié)構(gòu)均勻的零部件產(chǎn)生的熱變形量也是不同的。當(dāng)這兩種情況下的熱載荷疊加在一起后所產(chǎn)生的零部件熱變形量是不可忽略的，由于部分熱蠕動(dòng)發(fā)生后，即使溫度回歸正常，部分零部件所產(chǎn)生的滑動(dòng)位移也不一定自動(dòng)復(fù)原，因此多次熱蠕動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生導(dǎo)致的零部件結(jié)構(gòu)錯(cuò)位足以導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生故障。

1.2.3 轉(zhuǎn)子的熱彎曲現(xiàn)象? 由于壓氣機(jī)內(nèi)溫度升高且溫度變化速度和大小并不均勻，導(dǎo)致了壓氣機(jī)內(nèi)部零部件受熱產(chǎn)生的膨脹量也不同。這種現(xiàn)象發(fā)生在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上時(shí)所導(dǎo)致的影響更加直接，由于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后壓氣機(jī)內(nèi)上下溫度分布不均勻，上熱下冷的現(xiàn)象導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子上部熱膨脹量大于下部，產(chǎn)生一定量的彎曲，即轉(zhuǎn)子的熱彎曲現(xiàn)象。

在現(xiàn)實(shí)工作中，由于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲現(xiàn)象受溫度場(chǎng)、外載荷以及自身材料等因素的綜合影響，轉(zhuǎn)子在受熱彎曲后，即使發(fā)動(dòng)機(jī)完全冷卻到常溫環(huán)境下，也很難完全回到最初始的狀態(tài)。并且在發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲現(xiàn)象后很難及時(shí)恢復(fù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子還在逐漸消除熱彎曲的過程中發(fā)動(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)導(dǎo)致壓氣機(jī)內(nèi)部升溫也會(huì)使熱彎曲量進(jìn)行疊加導(dǎo)致熱彎曲變形量更大。

另一方面由于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲變形，與靜子結(jié)構(gòu)間隙不均勻的現(xiàn)象加重，提高了轉(zhuǎn)子與靜子的接觸摩擦現(xiàn)象以及碰磨振動(dòng)現(xiàn)象，即使轉(zhuǎn)子在完全冷卻消除熱彎曲變形后，轉(zhuǎn)子與靜子葉片間由于摩擦振動(dòng)所產(chǎn)生的的損傷是依然存在的，這些結(jié)構(gòu)損傷若不及時(shí)修復(fù)則必然會(huì)導(dǎo)致一系列的故障發(fā)生。

2? 應(yīng)對(duì)故障的措施

2.1 從減小壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡量方面? 在實(shí)際工作情況中，完全消除壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡量是不可能的。但通過生產(chǎn)中改善加工工藝及提高裝配精度可以盡量的降低轉(zhuǎn)子的不平衡量。①盡量保證同一級(jí)葉片質(zhì)量相等。②增大壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸承連接的嚴(yán)密程度。③盡量提高零部件的加工精度。④提高轉(zhuǎn)子在平衡機(jī)上的平衡精度。

2.2 降低機(jī)匣變形程度方面? 機(jī)匣在工作一定時(shí)間后都會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形，可以通過降低機(jī)匣變形程度來預(yù)防故障。①縮短對(duì)機(jī)匣的檢查以及修復(fù)周期。②對(duì)變形的機(jī)匣除形狀的修復(fù)外還應(yīng)對(duì)其前后止口進(jìn)行補(bǔ)焊。③通過提高機(jī)匣固定強(qiáng)度來減小機(jī)匣的變形情況。

2.3 從維持轉(zhuǎn)子與靜子同心度方面? 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與靜子的不同心情況因受多種因素的影響是很難避免的，通過多次的、有針對(duì)性的檢查可以提前發(fā)現(xiàn)此類問題并及時(shí)解決。①通過檢查檢查壓氣機(jī)第一級(jí)工作葉片與工作環(huán)之間的間隙是否均勻來推斷壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與靜子的同心程度。②通過轉(zhuǎn)動(dòng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子來觀察各級(jí)轉(zhuǎn)子與靜子間是否出現(xiàn)了接觸摩擦的現(xiàn)象，通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)是否順暢來判斷壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子與靜子間的同心程度。

2.4 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸承與軸承座間連接問題? 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸承與軸承座之間出現(xiàn)松動(dòng)情況也直接影響了轉(zhuǎn)子的正常工作。①在不影響壓氣機(jī)內(nèi)各零部件工作的前提下盡量提高對(duì)軸承座的固定程度，避免其產(chǎn)生松動(dòng)位移。②通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試軸承與軸承座之間的結(jié)構(gòu)間隙對(duì)連接剛度的影響來獲得一個(gè)較穩(wěn)定的間隙距離。

2.5 其他措施? 如從制造材料以及制造工藝方面入手來提高轉(zhuǎn)子以及軸承的剛度，使其對(duì)碰磨損傷有一定的抵抗能力。提高各級(jí)葉片及軸承配合緊度來將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的影響降到最低。

3? 結(jié)語

本文從發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械結(jié)構(gòu)與環(huán)境溫度兩個(gè)角度針對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在工作過程中產(chǎn)生的部分故障進(jìn)行了分析。在轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)配合方面，轉(zhuǎn)子軸承與軸承座的結(jié)構(gòu)間隙會(huì)使轉(zhuǎn)子軸承產(chǎn)生一定量的徑向位移，而不合理的連接剛度會(huì)導(dǎo)致位移量超過安全性許可范圍內(nèi)導(dǎo)致故障的發(fā)生。軸承座的穩(wěn)定性也影響著軸承的平穩(wěn)工作能力。轉(zhuǎn)子本身的生產(chǎn)缺陷以及裝配精度問題也造成了不平衡力的產(chǎn)生，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與靜子在配合工作中產(chǎn)生局部接觸碰磨現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子的連接穩(wěn)定問題也會(huì)增大接觸碰磨的嚴(yán)重性從而導(dǎo)致故障的發(fā)生。從環(huán)境溫度方面主要分析了熱蠕動(dòng)現(xiàn)象下，壓氣機(jī)內(nèi)零部件受不均勻熱應(yīng)力影響產(chǎn)生的不均勻形變導(dǎo)致了零部件間的接觸摩擦，從而對(duì)轉(zhuǎn)子等零部件造成損傷。

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