某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉尖間隙控制技術(shù)研究

■ 李鵬亮 何逸冕 羅利民 李俊/ 成都航利（集團(tuán)）實(shí)業(yè)有限公司 空裝駐成都地區(qū)第二軍事代表室

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的流體機(jī)械，渦輪通過(guò)做功將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，因此渦輪轉(zhuǎn)靜子間隙直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能及油耗?，F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉尖間隙控制方式主要有主動(dòng)間隙控制和被動(dòng)間隙控制，主動(dòng)間隙控制可以使發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)變化而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使發(fā)動(dòng)機(jī)在任何狀態(tài)下都可以保持最佳工作狀態(tài)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難；被動(dòng)間隙控制方式下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子間隙不會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)變化而進(jìn)行適應(yīng)的調(diào)整。

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉尖間隙采用被動(dòng)間隙控制方法，高壓渦輪葉尖間隙控制較小時(shí)，由于轉(zhuǎn)靜子碰磨嚴(yán)重，可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)超標(biāo)；葉尖間隙控制較大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能低，推力不達(dá)標(biāo)。因此，探索合理的高壓渦輪葉尖間隙，可以為修理發(fā)動(dòng)機(jī)提供參考。

1 研究過(guò)程

1.1 故障現(xiàn)象

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)已進(jìn)入批量化修理流程，主要的故障形式為振動(dòng)超標(biāo)、推力小、滑油壓力低等，而高壓渦輪葉尖間隙與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)及發(fā)動(dòng)機(jī)性能有直接關(guān)系。針對(duì)振動(dòng)超標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)排故時(shí)，分解檢查發(fā)現(xiàn)大部分發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子碰磨痕跡較為明顯，主要表現(xiàn)為低壓一導(dǎo)內(nèi)環(huán)裝配組件與高渦后擋板之間的碰磨、壓氣機(jī)機(jī)匣與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子之間的碰磨、高壓渦輪葉尖與高壓渦輪外環(huán)之間的碰磨，而高壓渦輪葉尖與高壓渦輪外環(huán)之間的碰磨痕跡尤為明顯。后期，隨著該型發(fā)動(dòng)機(jī)使用時(shí)間的增加，熱端部件變形越來(lái)越嚴(yán)重，因轉(zhuǎn)靜子碰磨引起的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障也越來(lái)越多。針對(duì)性能差、推力不達(dá)標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)轉(zhuǎn)靜子間隙進(jìn)行返工序測(cè)量，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙偏大或局部間隙已超過(guò)設(shè)計(jì)給定的最大標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 故障原因

該型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子碰磨的根本原因是為了追求發(fā)動(dòng)機(jī)性能而縮小了轉(zhuǎn)靜子間隙，目前轉(zhuǎn)靜子間隙控制技術(shù)相對(duì)落后，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)靜子間隙無(wú)法進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

總設(shè)計(jì)單位根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)換件情況給出了幾種修理標(biāo)準(zhǔn)：裝用新葉片、新外環(huán)葉尖間隙標(biāo)準(zhǔn)；裝用新葉片、舊外環(huán)葉尖間隙標(biāo)準(zhǔn)；裝用舊葉片、新外環(huán)葉尖間隙標(biāo)準(zhǔn)；裝用舊葉片、舊外環(huán)葉尖間隙標(biāo)準(zhǔn)。其中，裝用新葉片、新外環(huán)的葉尖間隙標(biāo)準(zhǔn)最苛刻，即為新發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于大修發(fā)動(dòng)機(jī)或返廠修理的發(fā)動(dòng)機(jī)，如果高壓渦輪葉尖間隙控制較嚴(yán)，由于轉(zhuǎn)靜子材料的線性膨脹比不匹配、轉(zhuǎn)子或機(jī)匣變形、同軸度差，都極易發(fā)生轉(zhuǎn)靜子碰磨，碰磨嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)超標(biāo)。如果為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子碰磨而放大葉尖間隙，則葉尖氣流損失大，渦輪葉片做功效率低。查閱國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)，高壓渦輪葉尖間隙減小0.25mm，渦輪效率提高1%，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度降低10℃，因此葉尖間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響較大[3]。

自實(shí)行新的飛行訓(xùn)練大綱后，該型發(fā)動(dòng)機(jī)使用的頻次、強(qiáng)度增加，大機(jī)動(dòng)、大過(guò)載使用載荷增加，對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)性能和安全提出了更高的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)修理時(shí)，既要保證適當(dāng)?shù)娜~尖間隙，又要防止間隙過(guò)小導(dǎo)致嚴(yán)重碰磨，尋求一個(gè)相對(duì)的平衡點(diǎn)至關(guān)重要。

2 高壓渦輪葉尖間隙計(jì)算方法與控制措施

2.1 高壓渦輪葉尖間隙計(jì)算方法

查閱設(shè)計(jì)給定的標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)圖樣，該型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪外環(huán)（靜子機(jī)匣）理論上由兩個(gè)半圓組成，圓的半徑為r（設(shè)計(jì)已給定），下半圓圓心向下偏心0.24mm，同時(shí)下半圓半徑增加0.36mm，整個(gè)高壓渦輪外環(huán)是在主燃燒室聯(lián)合單元體上組和加工而成，其理論型面類似于“葫蘆”的剖面。修理標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)量高壓渦輪外環(huán)126點(diǎn)跳動(dòng)，則第一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度為360°/126，其余點(diǎn)角度累加即可求出126點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的角度值，根據(jù)已有條件可以使用余弦定理計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)到理論圓心的距離，如圖1所示，則理論跳動(dòng)δ=a-r，具體計(jì)算過(guò)程如下：

圖1 高壓渦輪外環(huán)理論跳動(dòng)計(jì)算示意圖

b2=a2+c2-2accosα

a2-2accosα=b2-c2

其中，r=366.1（設(shè)計(jì)已給定）；c=0.24mm；b=R=r+0.36；α=360°/126（后一點(diǎn)角度由前面點(diǎn)角度累加）。根據(jù)已知條件計(jì)算出a值，得到該點(diǎn)的理論跳動(dòng)δ=a-r，依次類推，利用Excel計(jì)算出126點(diǎn)的理論跳動(dòng)值，將126點(diǎn)理論跳動(dòng)首尾連接即為高壓渦輪外環(huán)理論型面，如圖2所示。

圖2 高壓渦輪外環(huán)理論型面

計(jì)算出126點(diǎn)理論跳動(dòng)值，依據(jù)設(shè)計(jì)給定的間隙范圍，將高壓渦輪外環(huán)理論半徑及高壓渦輪轉(zhuǎn)子理論半徑代入間隙計(jì)算公式，計(jì)算出高壓渦輪葉尖間隙的上下邊界。

為了驗(yàn)證某型高壓渦輪葉尖間隙計(jì)算方法的正確性，選取5臺(tái)第一次到壽返廠且外場(chǎng)使用較好的發(fā)動(dòng)機(jī)，將發(fā)動(dòng)機(jī)分解至主燃燒室聯(lián)合單元體狀態(tài)和高壓渦輪單元體狀態(tài)，分別測(cè)量高壓渦輪外環(huán)直徑、126點(diǎn)跳動(dòng)、高壓渦輪轉(zhuǎn)子直徑等參數(shù)，將各參數(shù)代入Excel的公式中，計(jì)算出高壓渦輪轉(zhuǎn)靜子間隙范圍，形成間隙雷達(dá)圖，如圖3所示。對(duì)5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)返工序測(cè)量后，排除靜子機(jī)匣變形、高壓渦輪外環(huán)局部磨損、測(cè)量點(diǎn)誤差等因素，高壓渦輪葉尖間隙圖非常接近。

圖3 高壓渦輪轉(zhuǎn)靜子間隙模擬雷達(dá)圖

2.2 高壓渦輪轉(zhuǎn)靜子間隙控制方法

通過(guò)理論計(jì)算和返工序測(cè)量，基本上可以確定該型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)靜子間隙的合理范圍。前文提到設(shè)計(jì)給定的4種高壓渦輪葉尖間隙標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上對(duì)修理發(fā)動(dòng)機(jī)而言，部分標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于嚴(yán)苛，不適用于發(fā)動(dòng)機(jī)的修理。假設(shè)更換新葉片或新外環(huán)時(shí)按發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)控制高壓渦輪葉尖間隙，而發(fā)動(dòng)機(jī)使用一個(gè)或多個(gè)大修周期后，主燃燒室機(jī)匣、高壓渦輪機(jī)匣變形加大、同軸度變差且轉(zhuǎn)子撓度增加，如果按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)控制高壓渦輪葉尖間隙，將發(fā)生嚴(yán)重碰磨，可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)超標(biāo)。通過(guò)對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)修理經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和返工序測(cè)量，對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)修理中高壓渦輪葉尖間隙控制措施提出以下建議：

1）高壓渦輪外環(huán)重新梳齒，減輕轉(zhuǎn)靜子碰磨能量，目前比較成熟的梳齒方法有機(jī)械加工和電火花加工；

2）按照裝用舊葉片、舊外環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，上半部間隙應(yīng)控制在中上線，下半部間隙應(yīng)控制在上線，對(duì)于部分早期批次的發(fā)動(dòng)機(jī)還應(yīng)該適當(dāng)放大高壓渦輪葉尖間隙；

3）以主燃燒室聯(lián)合單元體前止口為基準(zhǔn)，測(cè)量并計(jì)算高壓渦輪葉尖間隙，生成間隙雷達(dá)圖，根據(jù)間隙雷達(dá)圖對(duì)高壓渦輪外環(huán)局部進(jìn)行修磨或者車磨加工，保證高壓渦輪間隙在合理范圍內(nèi)；

4）外場(chǎng)工作情況較好的發(fā)動(dòng)機(jī)返廠大修時(shí)，對(duì)其進(jìn)行返工序測(cè)量，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐步對(duì)高壓渦輪葉尖間隙雷達(dá)圖進(jìn)行修正。

3 總結(jié)與展望

1）本文從實(shí)際情況從出發(fā)，通過(guò)總結(jié)修理經(jīng)驗(yàn)、理論計(jì)算、返工序測(cè)量等手段分析和討論了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉尖間隙控制技術(shù)，制訂了高壓渦輪葉尖間隙控制措施，為該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)修理提供參考。

2）隨著加工技術(shù)、材料科學(xué)、熱處理、表面處理等技術(shù)的快速發(fā)展，為了提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能、降低油耗，高壓渦輪葉尖間隙還會(huì)逐步收緊，也可能隨著發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)技術(shù)的提升，采用主動(dòng)間隙控制方法，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持在最佳工作狀態(tài)。