某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性超差故障機(jī)理研究

陳廣矚，王洪巖

（1.國(guó)營(yíng)長(zhǎng)虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541002；2.中國(guó)人民解放軍95072部隊(duì)，廣西 桂林 541002）

0引言

某型國(guó)產(chǎn)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)是一款小型的、單軸的、不帶加力燃燒室的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱發(fā)動(dòng)機(jī)），靈活性超差是發(fā)動(dòng)機(jī)延壽修理中的常見(jiàn)故障，會(huì)增加該型發(fā)動(dòng)機(jī)修理周期和成本。靈活性是指發(fā)動(dòng)機(jī)從某一轉(zhuǎn)速到轉(zhuǎn)子完全停止的時(shí)間，反映了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的阻力大小。靈活性越好，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)阻力越?。幌喾?，則說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)阻力過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)將伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)支承失效、磨損、甚至掉塊等危險(xiǎn)[1]。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部組件數(shù)量多，故障樹(shù)復(fù)雜，任何一個(gè)轉(zhuǎn)子部件的阻力增大都會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性產(chǎn)生影響，難以從單個(gè)部件對(duì)故障進(jìn)行定位，因此有必要從發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理的角度，著眼轉(zhuǎn)動(dòng)部件相對(duì)位置、配合間隙，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性的影響因素及影響機(jī)理開(kāi)展系統(tǒng)性研究，為預(yù)防發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性超差故障提供依據(jù)。

1 支承結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性影響分析

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件通過(guò)支承結(jié)構(gòu)支承在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上，轉(zhuǎn)子所受的各種載荷（軸向力、重力、慣性力及慣性力矩等）由支承結(jié)構(gòu)將載荷傳到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上，由機(jī)匣通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝節(jié)傳遞到導(dǎo)彈構(gòu)件上，發(fā)動(dòng)機(jī)支承與轉(zhuǎn)子部件受力方式有關(guān)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的靈活性有直接影響[2]。為從發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的角度分析靈活性超差故障影響因素，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支承進(jìn)行簡(jiǎn)化如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)支承圖

從圖1中可以看出，軸流壓氣機(jī)由兩個(gè)支點(diǎn)支承，分別位于前軸承座和后軸承座，使得軸流壓氣機(jī)處于懸臂狀態(tài)，軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子靈活性容易受到支點(diǎn)軸承阻力影響，而轉(zhuǎn)子阻力與裝配質(zhì)量有關(guān)。壓氣機(jī)前軸承局部如圖2所示，從圖中可以看出，軸流壓氣機(jī)前軸承的軸向受力與大石墨封油圈的壓縮量有關(guān)，當(dāng)大石墨封油圈壓縮量過(guò)大時(shí)，大石墨封油圈擠壓軸流壓氣機(jī)前軸承，使軸承內(nèi)環(huán)受力，軸承在預(yù)加載荷下產(chǎn)生端面錯(cuò)移量δ（見(jiàn)圖3）；導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)軸承產(chǎn)生附加阻力，阻力加大，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靈活性；當(dāng)大石墨封油圈壓縮量過(guò)小時(shí)，大石墨封嚴(yán)無(wú)法貼合軸承內(nèi)環(huán)，封嚴(yán)效果不佳，容易造成滑油泄漏。

圖2 壓氣機(jī)前軸承局部放大圖

圖3 壓軸承產(chǎn)生端面錯(cuò)位示意圖

由于大石墨封油圈與前軸承座的配合為過(guò)盈配合，不便反復(fù)拆裝以防止石墨封油圈損壞，因此裝配大石墨封油圈前需測(cè)量大石墨封油圈的壓縮量，通過(guò)計(jì)算選用厚度恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整墊片使壓縮量滿足設(shè)計(jì)要求，保證大石墨封油圈與軸承之間的緊度，并避免擠壓軸承產(chǎn)生附加阻力，造成發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性超差[3]。此外，在大石墨裝配時(shí)，需保證大石墨底部、調(diào)整墊片及前軸承座安裝面三者緊密貼合，避免因裝配不到位而影響發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性。

軸流壓氣機(jī)后軸承安裝于后軸承支座內(nèi)，不從后軸承支座上分解，因此修理前后軸流壓氣機(jī)后軸承與軸承支座相對(duì)位置、配合間隙沒(méi)有發(fā)生變化，在后軸承座裝配前檢查軸承的旋轉(zhuǎn)情況，應(yīng)旋轉(zhuǎn)靈活而均勻，無(wú)卡滯現(xiàn)象；不滿足要求時(shí)應(yīng)分解修理或換新，避免軸流壓氣機(jī)后軸承磨損而影響發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性[4]。

離心壓氣機(jī)和渦輪組成的聯(lián)合轉(zhuǎn)子采用1-0-1的支承方式，即聯(lián)合轉(zhuǎn)子前有一個(gè)支點(diǎn)，聯(lián)合轉(zhuǎn)子后有一個(gè)支點(diǎn)，該支承方式下聯(lián)合轉(zhuǎn)子靈活性容易受轉(zhuǎn)子不平衡量影響，同時(shí)受不平衡量分布造成的動(dòng)力特性所影響。

圖4 聯(lián)合轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)

附件機(jī)匣通過(guò)齒輪傳動(dòng)的方式將動(dòng)力由壓氣機(jī)軸傳遞至起動(dòng)發(fā)電機(jī)、供油機(jī)構(gòu)等附件，當(dāng)附件幾下軸承安裝軸與安裝面不垂直、軸承底面與軸承安裝面不貼合時(shí)，會(huì)對(duì)軸承垂直度產(chǎn)生影響，輪旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件阻力增加，影響發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性。

2 扭矩傳遞效率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性影響分析

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃燒室排出的燃?xì)鈱?duì)渦輪做功，推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)。渦輪從高溫燃?xì)庵刑崛」Γ瑤?dòng)壓氣機(jī)和附件轉(zhuǎn)動(dòng)。渦輪通過(guò)扭矩傳遞的方式將功傳遞至壓氣機(jī)和附件傳動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞不暢時(shí)，會(huì)在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生附加阻力，影響發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞

渦輪軸與套齒傳動(dòng)軸通過(guò)齒輪傳動(dòng)扭矩，此時(shí)渦輪軸傳動(dòng)齒輪為主動(dòng)輪，套齒傳動(dòng)軸為從動(dòng)輪。對(duì)正齒輪而言，一般傳動(dòng)效率（見(jiàn)公式1）為98%～99.5%，齒面摩擦、齒輪振動(dòng)以及裝配不當(dāng)都會(huì)增加齒輪傳動(dòng)阻力，使扭矩傳動(dòng)效率下降，降低發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性。由于在發(fā)動(dòng)機(jī)故檢階段會(huì)檢查齒面光滑度，可排除齒面摩擦過(guò)大而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性故障，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性產(chǎn)生影響的原因主要為裝配不當(dāng)，主要因素為轉(zhuǎn)軸垂直度。

傳動(dòng)效率=（從動(dòng)輪獲取的功率/主動(dòng)輪輸入的功率）×100%（1）

套齒傳動(dòng)軸從渦輪軸獲取功率后，一方面向壓氣機(jī)軸傳遞扭矩，套齒傳動(dòng)軸與壓氣機(jī)軸通過(guò)齒輪傳動(dòng)扭矩，此時(shí)套齒傳動(dòng)軸為主動(dòng)輪，壓氣機(jī)軸為從動(dòng)動(dòng)輪，套齒傳動(dòng)軸與壓氣機(jī)軸之間的傳動(dòng)效率同樣受到齒面摩擦、齒輪振動(dòng)以及裝配的影響；另一方面，套齒傳動(dòng)軸需帶動(dòng)中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由中傳動(dòng)盒提取功率傳動(dòng)至供油機(jī)構(gòu)、滑油泵、起動(dòng)發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器等附件，帶動(dòng)附件工作。

套齒傳動(dòng)軸與中傳動(dòng)齒輪之間的扭矩傳遞效率與受齒面摩擦、齒輪振動(dòng)以及裝配質(zhì)量有關(guān)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求，發(fā)動(dòng)機(jī)中傳動(dòng)盒在使用過(guò)程一般不會(huì)產(chǎn)生齒面摩擦，中傳動(dòng)盒不用分解修理，因此影響傳動(dòng)效率的原因主要為中傳動(dòng)盒裝配不當(dāng)所造成。

中傳動(dòng)盒從套齒傳動(dòng)軸提取功率之后，由上傳動(dòng)軸和齒輪傳動(dòng)軸將功率傳遞至附件，發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)齒輪有正齒輪和錐齒輪。一般錐齒輪傳動(dòng)效率為0.88%～0.98%，錐齒輪的傳動(dòng)效率受裝配質(zhì)量影響較大。根據(jù)前期修理經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)附件齒輪扭矩傳遞效率主要受齒輪間隙影響。

3 轉(zhuǎn)子靜子干涉對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性影響分析

當(dāng)非接觸的轉(zhuǎn)子與靜子的間隙不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子部件與非接觸靜子干涉的現(xiàn)象。非接觸的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜子干涉主要為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片與機(jī)匣干涉、封嚴(yán)裝置與機(jī)匣干涉。轉(zhuǎn)子靜子干涉分為軸流壓氣機(jī)葉片與進(jìn)氣機(jī)匣的干涉、離心壓氣機(jī)與機(jī)匣之間的干涉、渦輪轉(zhuǎn)子與靜子之間的干涉。

其中軸流壓氣機(jī)葉片與進(jìn)氣機(jī)匣的干涉是指軸流壓氣機(jī)葉片剮蹭進(jìn)氣機(jī)匣發(fā)生碰膜的現(xiàn)象，其原因主要為發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)軸流壓氣機(jī)葉片在離心力的作用下葉片沿著徑向有?L的形變量，當(dāng)軸流壓氣機(jī)葉頂間隙不足時(shí)，在離心力的作用下葉頂間隙進(jìn)一步縮小，進(jìn)而發(fā)生碰膜現(xiàn)象，由于軸流壓氣機(jī)屬于冷端部件，當(dāng)冷靈合格故障原因可以排除。

離心壓氣機(jī)與機(jī)匣之間的干涉是指離心壓氣機(jī)葉片與離心機(jī)匣發(fā)生碰膜現(xiàn)象，同樣屬于冷端部件，當(dāng)冷靈合格故障原因可以排除[5]。

渦輪轉(zhuǎn)子與機(jī)匣之間的干涉是指渦輪葉片與后軸承機(jī)匣之間碰膜現(xiàn)象，渦輪轉(zhuǎn)子和機(jī)匣均屬于熱端部件，渦輪葉片在離心力載荷和熱靈力載荷雙重影響下，沿著徑向發(fā)生變形，導(dǎo)致渦輪葉頂間隙發(fā)生變化。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配葉頂間隙不足時(shí)，嚴(yán)重時(shí)將渦輪葉片葉頂容易剮蹭后軸承機(jī)匣引發(fā)碰膜現(xiàn)象。

封嚴(yán)裝置與機(jī)匣干涉主要為蓖齒封嚴(yán)圈和渦輪軸承座的干涉，蓖齒封嚴(yán)圈與渦輪軸承座屬于熱端部件，在熱試車過(guò)程中容易發(fā)生熱膨脹而導(dǎo)致蓖齒封嚴(yán)圈磨蹭后軸承座的現(xiàn)象，對(duì)某臺(tái)熱靈不合格的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)渦輪軸承座存在磨損的痕跡，如圖5所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)蓖齒封嚴(yán)圈磨蹭渦輪軸承座時(shí)，將會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子阻力，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性。

圖5 渦輪軸承座磨損現(xiàn)象

4 靈活性故障樹(shù)

根據(jù)以上分析，以“發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性故障”作為頂事件，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)修理經(jīng)驗(yàn)，建立故障樹(shù)如圖6所示，共列出19個(gè)底事件。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性故障樹(shù)

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)支承故障

發(fā)動(dòng)機(jī)支承故障分為核心部件支承故障和附件系統(tǒng)支承故障。其中，核心部件支承故障分支底下有四個(gè)底事件：軸流壓氣機(jī)前軸承故障、軸流壓氣機(jī)后軸承故障、彈性支座軸承支承故障、渦輪后軸承支承故障；附件系統(tǒng)支承故障分支底下有兩個(gè)底事件：中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)軸承阻力過(guò)大、附件傳動(dòng)齒輪支承軸承阻力過(guò)大。在發(fā)動(dòng)機(jī)試車過(guò)程中，當(dāng)冷靈不合格，且冷靈遠(yuǎn)低于合格范圍下限，發(fā)動(dòng)機(jī)假開(kāi)車?yán)潇`不符合要求，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)裝配不當(dāng)，不可再次運(yùn)轉(zhuǎn)，待發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)后，將發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)架，用手順航向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)軸流轉(zhuǎn)子，仔細(xì)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況，通過(guò)感受卡滯部位和聽(tīng)辨聲音進(jìn)行故障定位，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解檢查，重點(diǎn)檢查故障定位處，后重現(xiàn)裝配進(jìn)行試車驗(yàn)證，直至故障排除；若冷靈和吹后靈活性合格，且冷靈和吹后靈活性遠(yuǎn)大于合格范圍下限，可排除發(fā)動(dòng)機(jī)支承故障。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞故障

發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞故障分為主傳動(dòng)軸扭矩傳遞故障和附件扭矩傳遞故障，其中主傳動(dòng)軸扭矩傳遞故障分支有兩個(gè)底事件：渦輪軸與套齒傳動(dòng)軸扭矩傳遞故障、套齒傳動(dòng)軸與壓氣機(jī)軸扭矩傳遞故障；附件扭矩傳遞故障分支有五個(gè)底事件：上傳動(dòng)錐齒輪與上傳動(dòng)從動(dòng)齒輪扭矩傳遞故障、上傳動(dòng)從動(dòng)齒與大中介齒輪扭矩傳遞故障、扭矩傳遞故障與燃油泵傳動(dòng)齒輪扭矩傳遞故障、燃油泵傳動(dòng)齒輪與小中介齒輪扭矩傳遞故障、小中介齒輪與測(cè)速電機(jī)傳動(dòng)齒輪扭矩傳遞故障。發(fā)動(dòng)機(jī)試車過(guò)程中，當(dāng)冷靈不合格，且冷靈遠(yuǎn)低于合格范圍下限，發(fā)動(dòng)機(jī)假開(kāi)車?yán)潇`不符合要求，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)裝配不當(dāng)，不可再次運(yùn)轉(zhuǎn)，待發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)后，將發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)架，用手順航向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)軸流轉(zhuǎn)子，仔細(xì)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況，通過(guò)感受卡滯部位和聽(tīng)辨聲音進(jìn)行故障定位，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解檢查，重點(diǎn)檢查故障定位處，后重現(xiàn)裝配進(jìn)行試車驗(yàn)證，直至故障排除；若冷靈和吹后靈活性合格，且冷靈和吹后靈活性遠(yuǎn)大于合格范圍下限，可排除發(fā)動(dòng)機(jī)支承故障。

4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子干涉故障

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜子干涉分為葉片碰膜和封嚴(yán)裝置阻滯。其中葉片碰膜分支有三個(gè)底事件：軸流壓氣機(jī)葉片碰膜、離心壓氣機(jī)葉片碰膜、渦輪葉片碰膜；封嚴(yán)裝置卡滯分支下油兩個(gè)底事件：篦齒封嚴(yán)套阻滯、封嚴(yán)皮碗阻滯。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜子干涉故障一般為發(fā)動(dòng)機(jī)冷靈合格，且冷靈遠(yuǎn)大于合格范圍下限，而熱靈不合格時(shí)，可能導(dǎo)致靈活性故障的原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在熱狀態(tài)和振動(dòng)環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜子干涉，篦齒封嚴(yán)圈掛蹭后軸承機(jī)匣鍍層導(dǎo)致熱靈不合格是發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性故障的常見(jiàn)原因，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷靈合格，且遠(yuǎn)大于合格范圍下限時(shí)，可將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行4h冷卻后再次試車，消除發(fā)動(dòng)機(jī)受熱不均勻因素，和排除篦齒封嚴(yán)圈掛蹭后軸承機(jī)匣鍍層因素[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性與其支承結(jié)構(gòu)、扭矩傳遞效率、轉(zhuǎn)子靜子干涉有關(guān)，主要體現(xiàn)在石墨壓縮量、軸承間隙、轉(zhuǎn)軸的垂直度、轉(zhuǎn)子葉頂間隙、齒輪間隙等方面，可從針對(duì)這幾方面制定發(fā)動(dòng)機(jī)靈活性故障預(yù)防措施。