盧波 王劍 黃超 吳志鋒 李概奇 蔣曉煒

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002；3.中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南株洲 412002）

隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)航空產(chǎn)品的可靠性要求越來(lái)越高，對(duì)航空產(chǎn)品的心臟— 發(fā)動(dòng)機(jī)的總體質(zhì)量水平也有了更嚴(yán)格的要求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件比較苛刻，具有高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷等特點(diǎn)，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性提出了非常嚴(yán)格的要求。在科研樣機(jī)試驗(yàn)階段，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子卡滯[1]、轉(zhuǎn)靜子碰磨[2-3]等故障。

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在開(kāi)展210h持久試車(chē)以及一系列高空臺(tái)試驗(yàn)后分解檢查，發(fā)現(xiàn)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)靜子葉片發(fā)生軸向碰磨。本文基于故障樹(shù)法從設(shè)計(jì)、裝配、仿真等方面對(duì)葉片軸向碰磨的故障原因進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)措施。

1.故障情況介紹

發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展首飛前試驗(yàn)考核，先后在完成了210小時(shí)持久試車(chē)，在某高空臺(tái)開(kāi)展了滑油系統(tǒng)試驗(yàn)、進(jìn)氣畸變等高空臺(tái)摸底試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解檢查發(fā)現(xiàn)，燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器下緣板與動(dòng)力渦輪二級(jí)轉(zhuǎn)子前鳥(niǎo)嘴徑向有刮磨，所有的燃二導(dǎo)均有刮磨痕跡，其中6片刮磨較嚴(yán)重，尾緣尖角存在掉塊，燃二動(dòng)前鳥(niǎo)嘴徑向均有刮磨，目視深度0.1～0.2，其中一片刮磨嚴(yán)重存在掉塊現(xiàn)象。

2.刮磨原因分析

2.1 故障樹(shù)建立

針對(duì)燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器下緣板刮磨故障，建立故障樹(shù)，列出了5個(gè)可能引起故障的底事件，見(jiàn)圖1所示。

圖1 緣版刮磨故障樹(shù)

（1）設(shè)計(jì)間隙片小X1；（2）裝配間隙片小X2；（3）燃二導(dǎo)葉片搭接處緣板徑向尺寸變小X3；（4）燃二動(dòng)葉片搭接處徑向尺寸變大X4；（5）燃?xì)鉁u輪二級(jí)盤(pán)徑向尺寸變大X5。

2.2 故障樹(shù)底事件排查情況

2.2.1 設(shè)計(jì)間隙偏小排查（X1）

為了滿足空氣系統(tǒng)要求，燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器下緣板與燃?xì)鉁u輪二級(jí)工作葉片緣板處有搭接，搭接處的間隙為T(mén)設(shè)計(jì)值為1.4～1.7，如圖2所示。復(fù)查發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)變形計(jì)算可知：搭接處間隙最小減小0.4mm，如圖3所示。根據(jù)搭接處的設(shè)計(jì)值間隙及瞬態(tài)變形量，工作中不會(huì)發(fā)生緣板刮磨，底事件X1可以排除。

圖2 渦輪葉片搭接處間隙示意圖

圖3 T間隙變化隨時(shí)間歷程

2.2.2 裝配間隙偏小排查（X2）

經(jīng)復(fù)查發(fā)動(dòng)機(jī)首次裝配渦燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器下緣板與燃?xì)鉁u輪二級(jí)工作葉片緣板搭接處的間隙T為1.573，滿足間隙1.4～1.7的設(shè)計(jì)要求，底事件X2可以排除。

2.2.3 燃二導(dǎo)葉片搭接處緣板徑向尺寸變小（X3）

發(fā)動(dòng)機(jī)分解后對(duì)燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器組件進(jìn)行了計(jì)量，計(jì)量結(jié)果見(jiàn)表1所示。根據(jù)計(jì)量結(jié)果可知：燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向器葉片搭接處緣板徑向尺寸有輕微的變形，沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，底事件X3可以排除。

表1 燃二導(dǎo)尺寸計(jì)量結(jié)果

2.2.4 燃二動(dòng)葉片搭接處緣版徑向尺寸變大（X4）

分解后對(duì)燃?xì)鉁u輪二級(jí)工作葉片6個(gè)流道點(diǎn)及3個(gè)截面進(jìn)行了三坐標(biāo)掃描。掃描結(jié)果顯示燃?xì)鉁u輪二級(jí)工作葉片流道點(diǎn)及截面坐標(biāo)有輕微超差，均無(wú)明顯變化，底事件（X4）排除。

2.2.5 燃?xì)鉁u輪二級(jí)盤(pán)徑向尺寸變大（X5）

分解后對(duì)燃?xì)鉁u輪二級(jí)轉(zhuǎn)子圖4尺寸進(jìn)行計(jì)量，計(jì)量結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 燃?xì)鉁u輪二級(jí)轉(zhuǎn)子尺寸計(jì)量結(jié)果

圖4 燃?xì)鉁u輪二級(jí)轉(zhuǎn)子尺寸計(jì)量示意圖

根據(jù)計(jì)量結(jié)果可知：燃?xì)鉁u輪二級(jí)盤(pán)及二級(jí)前導(dǎo)流盤(pán)發(fā)生了徑向塑形變形，目視發(fā)現(xiàn)燃?xì)鉁u輪二級(jí)盤(pán)榫槽發(fā)生了向外翻邊情況，二級(jí)前導(dǎo)流盤(pán)上壓緊平面有明顯的翻邊情況，因此對(duì)燃?xì)鉁u輪二級(jí)盤(pán)榫槽及二級(jí)前導(dǎo)流盤(pán)進(jìn)行了三坐標(biāo)掃描，掃描結(jié)果見(jiàn)圖5所示。

圖5 導(dǎo)流盤(pán)型面掃描、榫槽型面掃描

從型面掃描結(jié)果可知，燃?xì)鉁u輪盤(pán)榫槽發(fā)生了徑向塑形變形，最大變形量0.66，二級(jí)前導(dǎo)流盤(pán)壓緊平面有明顯的翻邊現(xiàn)象。底事件X5無(wú)法排除。

2.3 故障樹(shù)排查分析結(jié)論

通過(guò)對(duì)故障樹(shù)的底事件排查，可以排除下列4個(gè)底事件：

（1）設(shè)計(jì)間隙偏小X1；

（2）裝配間隙偏小X2；

（3）燃二導(dǎo)葉片搭接處緣版徑向尺寸變小X3；

（4）燃二動(dòng)葉片搭接處緣版徑向尺寸變大X4。

不能排除下列1個(gè)底事件：

燃?xì)鉁u輪二級(jí)盤(pán)徑向尺寸變大X5。

2.4 緣板刮磨故障機(jī)理分析

從故障底事件排查可知，燃?xì)鉁u輪盤(pán)榫槽發(fā)生了徑向塑形變形，最大變形量0.66，二級(jí)前導(dǎo)流盤(pán)壓緊平面有明顯的翻邊現(xiàn)象。

故障機(jī)理：

根據(jù)計(jì)量發(fā)現(xiàn)，二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)盤(pán)緣的壓緊邊存在向左翹曲變形，篦齒伸長(zhǎng)導(dǎo)致間隙由0.3mm減小至0.02mm。二級(jí)渦輪盤(pán)榫槽向外徑變形。

經(jīng)熱天起飛狀態(tài)下的空氣系統(tǒng)分析，初步認(rèn)為，二級(jí)導(dǎo)流盤(pán)壓緊面在異常翹曲情況下，不能很好地封嚴(yán)渦輪盤(pán)緣，形成泄漏間隙，使得級(jí)間冷氣從榫接結(jié)構(gòu)間隙泄漏至二級(jí)盤(pán)后腔，不能有效封嚴(yán)級(jí)間燃?xì)?，?dǎo)致部分燃?xì)獾构?，并從榫頭非工作面間隙泄漏，加熱榫槽和導(dǎo)流盤(pán)源，超溫后導(dǎo)致榫槽和導(dǎo)流盤(pán)輪緣異常變形。計(jì)算的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 正常條件與導(dǎo)流盤(pán)變形的影響分析結(jié)果對(duì)比

可以看出，在導(dǎo)流盤(pán)緣翹曲變形和篦齒變形發(fā)生泄漏后，存在0.50%的燃?xì)獾构?，使得?jí)間腔溫升高至885℃，從而導(dǎo)致榫槽和導(dǎo)流盤(pán)緣溫度上升，發(fā)生變形致篦齒間隙縮小，進(jìn)一步加劇燃?xì)獾构啵?.74%），級(jí)間腔溫進(jìn)一步上升至961℃，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)明顯變形。

3.緣板刮磨解決措施

根據(jù)上述故障原因分析導(dǎo)致燃?xì)鉁u輪二級(jí)盤(pán)徑向尺寸變大（X5），針對(duì)緣板刮磨進(jìn)行如下改進(jìn)：

（1）對(duì)級(jí)間導(dǎo)流盤(pán)包括一級(jí)后導(dǎo)流盤(pán)及二級(jí)前導(dǎo)流盤(pán)在圖樣上壓緊平面提平面度0.02的要求，并設(shè)置為重要要素尺寸；

（2）在燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子裝配過(guò)程中，在不裝配葉片的情況下，用塞尺（不大于0.02）檢查級(jí)間導(dǎo)流盤(pán)與燃?xì)鉁u輪盤(pán)的貼緊情況。

4.結(jié)論

通過(guò)故障樹(shù)梳理方法的分析排查，確定某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)靜子軸向刮磨的原因是

二級(jí)前導(dǎo)流盤(pán)與燃?xì)鉁u輪二級(jí)盤(pán)的壓緊平面不夠平整，以及在裝配過(guò)程中，沒(méi)有保證級(jí)間導(dǎo)流盤(pán)與燃?xì)鉁u輪盤(pán)的貼緊情況。

貫徹了改進(jìn)措施后，幾臺(tái)整機(jī)分別開(kāi)展了持久試驗(yàn)，其中1臺(tái)經(jīng)過(guò)了60小時(shí)長(zhǎng)試，2臺(tái)經(jīng)過(guò)了150小時(shí)長(zhǎng)試，2臺(tái)經(jīng)過(guò)了1000小時(shí)長(zhǎng)試，均沒(méi)有發(fā)生緣板刮磨故障。

經(jīng)過(guò)全面攻關(guān)，完善設(shè)計(jì)、改進(jìn)工藝，使研制中出現(xiàn)的緣板刮磨和級(jí)間導(dǎo)流盤(pán)裂紋問(wèn)題得到了控制，攻關(guān)的效果需要在后續(xù)的狀態(tài)鑒定性能試驗(yàn)中得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。