某高壓渦輪盤試驗(yàn)故障分析

舒斯榮

（中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

輪盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，其性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和安全性，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)為了追求更高的性能，使得輪盤負(fù)荷越來越大，對(duì)輪盤工作溫度、性能和強(qiáng)度的要求也越來越高，國內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤強(qiáng)度問題開展了大量的研究工作[1-3]。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)在整機(jī)試車時(shí)的安全，根據(jù)按國軍標(biāo)《航空渦輪螺槳和渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》[4]的規(guī)定，驗(yàn)證輪盤強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理性，須進(jìn)行輪盤的破裂試驗(yàn)，在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)階段，常常因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致試驗(yàn)失效[5-6]。破裂試驗(yàn)在高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)器上進(jìn)行，試驗(yàn)前，需設(shè)計(jì)、加工試驗(yàn)專用工裝，以連接試驗(yàn)件和試驗(yàn)器。本文針對(duì)某渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪盤在進(jìn)行破裂試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的故障，進(jìn)行故障原因分析和排查，提出改進(jìn)措施并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明故障定位準(zhǔn)確，改進(jìn)措施有效，提高了試驗(yàn)專用工裝設(shè)計(jì)水平，也為該型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)研制提供了可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.試驗(yàn)方案

某渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪盤破裂試驗(yàn)在立式高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)器上進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境為均勻溫度場(chǎng)和真空條件。試驗(yàn)件（含高壓渦輪盤、前擋板及后擋板）通過試驗(yàn)專用工裝（含中心拉桿、軸、轉(zhuǎn)接工裝等）、柔性軸與試驗(yàn)器驅(qū)動(dòng)部分相連，見圖1。圖1中，軸與高壓渦輪盤采取兩端圓柱面定心、花鍵傳扭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，中心拉桿右端與軸采用螺紋連接，中心拉桿左端采用通過施加初始預(yù)緊力后螺母緊固方式。

圖1 試驗(yàn)專用工裝示意圖

2.故障現(xiàn)象

高壓渦輪盤在最高允許穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速停留規(guī)定時(shí)間后，按試驗(yàn)大綱要求繼續(xù)上推至試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)轉(zhuǎn)速的過程中，振動(dòng)位移突變，試驗(yàn)真空倉發(fā)出碰撞聲，試驗(yàn)器保護(hù)停車。停車后，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)器柔性軸斷裂，試驗(yàn)專用工裝與試驗(yàn)件分離。

3.故障分析

故障發(fā)生后，分別對(duì)試驗(yàn)器柔性軸、試驗(yàn)件以及試驗(yàn)專用工裝斷口進(jìn)行了分析，初步確定了故障的直接原因。

3.1 試驗(yàn)器柔性軸分析

故障后的試驗(yàn)器柔性軸斷裂，在斷裂位置附近有明顯的大彎曲部位，見圖2，柔性軸宏觀形貌圖見圖3。

圖2 柔性軸故障照片

圖3 柔性軸宏觀形貌

從圖3可以看出，故障發(fā)生后，試驗(yàn)器的柔性軸宏觀斷口呈現(xiàn)為粗糙、暗灰色，沒有疲勞特征，是典型的過載斷裂特征。

之后，將柔性軸斷口切下，經(jīng)酒精超聲波清洗、膠布粘去污后進(jìn)行掃描電鏡檢查。檢查發(fā)現(xiàn)裂源區(qū)未見冶金缺陷，斷口源區(qū)各對(duì)應(yīng)的區(qū)域的微觀形貌為相扣的拉長韌窩，裂源剪切區(qū)約80μm～100μm，斷裂為剪切起源（過載）；斷口往心部的形貌為等軸韌窩，為過載斷裂。電鏡下的柔性軸微觀形貌見圖4。

圖4 柔性軸微觀形貌

3.2 試驗(yàn)件分析

在體視鏡下檢查高壓渦輪盤局部，發(fā)現(xiàn)前軸頸前口外圓有等距擠壓旋出痕，應(yīng)是與軸分離時(shí)與軸的內(nèi)花鍵接觸形成的。外花鍵有幾道周向磨損痕，重載齒面擠壓痕較深，前段有輕微的重載方向倒伏趨勢(shì)，齒頂有斜周向的剪切掉絲；前擋板基本完好，與高壓渦輪盤榫齒前端面一周貼合，前端面有順轉(zhuǎn)向的磨損痕跡，并有材料順轉(zhuǎn)向的流變，前外圓邊緣有磨損痕跡和擠壓掉絲；后擋板鼓筒端面嚴(yán)重?fù)p毀，后端面有順轉(zhuǎn)向的磨損痕跡和掉絲，并有材料順轉(zhuǎn)向的流變。高壓渦輪盤、前擋板及后擋板宏觀照片分別見圖5～圖7。

圖5 高壓渦輪盤宏觀照片

圖6 前擋板宏觀照片

圖7 后擋板宏觀照片

3.3 試驗(yàn)專用工裝分析

軸內(nèi)螺紋基本損毀，內(nèi)花鍵嚴(yán)重?fù)p傷，內(nèi)花鍵后段大部分齒的輕載面有擠壓變形；內(nèi)花鍵中段輕載面有嚴(yán)重?cái)D壓變形，并夾壓有金屬絲，宏觀形貌圖見圖8。中心拉桿前螺紋損毀，大致成錐狀。在體視鏡下看到，后幾扣螺紋牙向后倒伏，受擠壓、軸向剪切，掉絲；前幾扣螺紋牙完全磨損，已無法看出螺紋牙倒伏方向。中心拉桿宏觀形貌圖見圖9。

圖8 軸內(nèi)花鍵形貌圖

圖9 中心拉桿外螺紋形貌圖

從以上分析初步可以得出：

（1）試驗(yàn)故障直接原因?yàn)檗D(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)，產(chǎn)生很大的彎矩，柔性軸無法承受過大彎矩而首先過載斷裂，從而導(dǎo)致試驗(yàn)件掉落。

（2）其他零部件的損傷均為故障發(fā)生后的二次損傷。

4.故障樹及故障排查

4.1 故障樹

針對(duì)可能的故障原因繪制了故障樹，如圖10所示。

圖10 故障樹

4.2 故障排查

按圖10所示的故障樹逐一進(jìn)行了排查，排查結(jié)果見表1。根據(jù)以上分析，初步分析軸與高壓渦輪盤在高轉(zhuǎn)速下剩余過盈量偏小和中心拉桿剩余拉力偏小導(dǎo)致高壓渦輪盤破裂試驗(yàn)故障。

表1 故障底事件排查結(jié)果

5.改進(jìn)措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 改進(jìn)措施

根據(jù)故障初步原因，采取的改進(jìn)措施如下：

（1）在保證中心拉桿的強(qiáng)度滿足要求的前提下，減小中心拉桿壁厚。

（2）增大軸與高壓渦輪盤之間的過盈量設(shè)計(jì)值。

（3）增大初始施加的預(yù)緊力。

5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

采取改進(jìn)措施后，對(duì)高壓渦輪盤進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明改進(jìn)后的試驗(yàn)工裝能夠滿足試驗(yàn)需求，改進(jìn)措施有效。高壓渦輪盤破裂試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)隨時(shí)間變化曲線見圖11。

圖11 改進(jìn)措施后高壓渦輪盤試驗(yàn)曲線

6.結(jié)論

本文針對(duì)某渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪盤破裂試驗(yàn)故障開展研究，從試驗(yàn)器柔性軸、試驗(yàn)件與試驗(yàn)專用工裝進(jìn)行了分析，繪制了故障樹，初步確定了故障原因，針對(duì)故障原因采取了改進(jìn)措施，并且通過了試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明改進(jìn)措施有效，故障定位準(zhǔn)確，提高了試驗(yàn)專用工裝的設(shè)計(jì)水平，為該型號(hào)研制提供了重要的數(shù)據(jù)支持。