某型渦噴發(fā)動機(jī)卸荷腔壓力大故障分析

夏海波 米廩營 李天 俞振華 徐成方

摘要：描述了某型渦噴發(fā)動機(jī)卸荷腔壓力大的故障情況，通過對渦輪冷氣氣流原理及卸荷腔壓力大原因的分析，找到了故障產(chǎn)生的根本原因，結(jié)論表明：渦噴發(fā)動機(jī)卸荷腔壓力大的主要原因是封嚴(yán)殼體配合間隙偏小，并對此提出了改進(jìn)措施，為渦噴發(fā)動機(jī)冷卻氣流故障的排除提供參考。

關(guān)鍵詞：卸荷腔；壓力；封嚴(yán)殼體；配合間隙

Keywords：unloading chamber；pressure；sealed shell；clearance

1 基本情況

渦噴發(fā)動機(jī)工作時，由于每級壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的進(jìn)口與出口的壓力差作用，使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中軸承承受較大的向前軸向力。為了減少中軸承的受力，降低其磨損，保證發(fā)動機(jī)正常工作，在發(fā)動機(jī)上采取了以下措施：一是通過聯(lián)軸器，平衡一部分壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子的軸向力，使其傳至滾珠軸承的軸向力減??；二是將低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向力設(shè)計成向后的（即低壓渦輪轉(zhuǎn)子向后的軸向力大于低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子向前的軸向力），由于低壓轉(zhuǎn)子的軸向力是通過高壓轉(zhuǎn)子傳至中軸承的，而高壓轉(zhuǎn)子的軸向力是向前的，因此高低壓轉(zhuǎn)子的軸向力又被平衡掉一部分，再一次減小了中軸承的軸向力；三是設(shè)置卸荷腔，使高壓轉(zhuǎn)子受到一個向后的軸向力，使中軸承所承受的軸向力減少到較小的數(shù)值。

某型渦噴發(fā)動機(jī)在進(jìn)行工廠試車時，進(jìn)入最大狀態(tài)，調(diào)整壓氣機(jī)后卸荷腔壓力時，發(fā)現(xiàn)通過更換卸荷腔隔板無法調(diào)整卸荷腔的壓力，同時，卸荷腔的壓氣大于工藝規(guī)定。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 冷卻氣路走勢

某型渦噴發(fā)動機(jī)渦輪冷卻氣路分成三路。第一路引自燃燒室火焰筒外部，用于Ⅰ級導(dǎo)向器葉片、Ⅱ級導(dǎo)向器葉片和Ⅰ級渦輪外環(huán)的冷卻；第二路引自壓氣機(jī)第六級后兩個空氣管，用于冷卻渦輪葉片榫頭和渦輪盤；第三路引自壓氣機(jī)三級后面內(nèi)軸的內(nèi)腔，用于防止后中介軸承過熱和減少渦輪盤向滑油傳熱。其中，卸荷腔的空氣來自第二路冷卻空氣，由壓氣機(jī)第六級通過兩個管子引入，經(jīng)過封嚴(yán)圈進(jìn)入空腔，通過封嚴(yán)殼體前面的銑槽沿8根管子進(jìn)入卸荷腔，然后排入大氣，如圖1所示。

2.2 卸荷腔減荷原理

卸荷腔減荷的實(shí)質(zhì)就是改變氣體力的傳遞路線，即作用在轉(zhuǎn)子上的氣體力原本需經(jīng)中軸承傳到機(jī)匣上，經(jīng)減荷后變?yōu)橹苯幼饔迷跈C(jī)匣上。轉(zhuǎn)子減少的向前的軸向力等于靜子上增加的向前的軸向力，因此，發(fā)動機(jī)總軸向力不變，而中軸承受力減小，使其工作條件得到較大改善。

2.3 篦齒封氣原理

篦齒封嚴(yán)裝置是通過減小漏氣處兩端的氣壓差來減少漏氣損失的，其工作原理如圖2所示。

當(dāng)空氣流過一道篦齒進(jìn)入兩篦齒之間的空腔中時，體積會突然膨脹，產(chǎn)生漩渦，從而使這股氣流的能量有所損失，壓力降低。空氣流過每道篦齒都是如此，氣壓會逐步降低。因此，各篦齒相鄰兩空腔的壓力差減小了，漏氣量也隨之減少?？梢钥闯觯旱谝?，篦齒式封嚴(yán)裝置只能減小漏氣，而不能防止漏氣；第二，在篦齒式封嚴(yán)裝置前后一定的壓力差條件下，隨著篦齒數(shù)目的增多，相鄰兩空腔的壓力差減小，因而漏氣量減小，所以常采用多道篦齒封嚴(yán)裝置。但是，對于一定尺寸的封嚴(yán)裝置，有一個最佳齒數(shù)。齒數(shù)如果過多，由于空腔過小，節(jié)流效果就會變差，漏氣量反而增大。

2.4 卸荷腔壓力的調(diào)整

發(fā)動機(jī)工作時，第六級壓氣機(jī)后的部分壓縮空氣會從六級輪盤上兩層篦齒封氣裝置漏至卸荷腔，使腔內(nèi)有一定余壓。卸荷腔內(nèi)的壓力形成了中軸承和前中介軸承封嚴(yán)漲圈的高壓面，提高了封油效果。但是，卸荷腔內(nèi)的壓力如果過大，就會使卸荷作用減弱。為了使卸荷腔內(nèi)的壓力既能有效地封油又能很好地減荷，就在減荷腔右邊通氣管（順航向看）外端裝有調(diào)壓板（見圖3），隔板上的通氣孔直徑根據(jù)需要調(diào)整。發(fā)動機(jī)在臺架試車中最大狀態(tài)時，會在卸荷腔左邊（順航向看）通氣管處測量壓力，并在卸荷腔的右邊通氣管出口處通過更換不同孔徑隔板的方式，將卸荷腔內(nèi)的氣體壓力調(diào)整至表壓0.049～0.088MPa，外場使用不得任意更換。

3 原因分析

由對卸荷腔工作原理的分析可知，造成卸荷腔壓力超規(guī)定的原因，一是高壓渦輪篦齒異常磨損，冷卻空氣泄漏量變大；二是封嚴(yán)殼體橢圓度超過規(guī)定，局部漏氣量偏大，出現(xiàn)卸荷腔壓力偏大；三是隔板的漏氣孔直徑偏大，漏氣量偏大；四是封嚴(yán)殼體銅層脫落，高壓渦輪篦齒與封嚴(yán)殼體的間隙超過規(guī)定，出現(xiàn)空氣泄漏量增大，卸荷腔壓力超規(guī)定。

4 故障排除

4.1 故障排查

對照上述原因分析，對可能原因逐一進(jìn)行排查：

1）檢查高壓渦輪篦齒，無異常磨損，封嚴(yán)殼體無銅層脫落；

2）封嚴(yán)殼體橢圓度符合要求；

3）檢查隔板漏氣孔直徑，在尺寸下限；

4）檢查封嚴(yán)殼體銅層，未脫落；

5）檢查封嚴(yán)殼體與高壓渦輪篦齒的配合間隙，為1.07mm（規(guī)定間隙為0.98～1.06mm），超過規(guī)定值。

4.2 排故措施

針對故障排查結(jié)果，對封嚴(yán)殼體重新鍍銅，再對鍍銅層進(jìn)行車削，將封嚴(yán)殼體與高壓渦輪篦齒之間的配合間隙控制在0.98～1.0mm之間，同時保證橢圓度符合要求。

發(fā)動機(jī)重新試車，故障排除。

5 結(jié)束語

這是一起試車過程中卸荷腔壓力偏大的故障。卸荷腔壓力偏大的原因是在上調(diào)高壓渦輪導(dǎo)向器面積時，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升，壓氣機(jī)六級后的壓縮空氣的壓力隨之增加，導(dǎo)致卸荷腔內(nèi)的漏氣量增大，使卸荷腔內(nèi)的壓力上升超過工藝規(guī)定。為了預(yù)防此類故障，在發(fā)動機(jī)修理中應(yīng)加強(qiáng)對參數(shù)的系統(tǒng)性考慮，避免出現(xiàn)為了保證某個參數(shù)合格而導(dǎo)致其他相關(guān)參數(shù)不合格的情況。

通過對本次故障的分析，認(rèn)識到影響卸荷腔壓力的除了隔板通氣孔直徑這一顯性因素，還有封嚴(yán)殼體間配合間隙漏氣量和高壓部位氣體來源部分的壓力值這兩個隱性因素。相信隨著對同類故障的進(jìn)一步統(tǒng)計分析，此類問題將得到有效解決。

作者簡介

夏海波，工程師，主要從事渦噴發(fā)動機(jī)分解裝配技術(shù)工作。