某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)篦齒磨損故障分析

喬 邁，張 超，梁 偉

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng)）

引言

封嚴(yán)技術(shù)是滿足發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率、推重比、污染物排放、耐久性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)[1],篦齒封嚴(yán)是一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛使用的封嚴(yán)技術(shù)。在篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),為減少泄漏,通常采用小間隙設(shè)計(jì),與其配合靜止的襯套設(shè)計(jì)成可磨耗的涂層或者蜂窩結(jié)構(gòu)[2]。但間隙過(guò)小容易在使用過(guò)程中造成封嚴(yán)篦齒磨損甚至產(chǎn)生裂紋,嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)試車的安全性。

研究表明, 篦齒在工作時(shí)發(fā)生磨損或開(kāi)裂會(huì)導(dǎo)致封嚴(yán)間隙發(fā)生變化, 封嚴(yán)效率也會(huì)隨著封嚴(yán)間隙的變化而改變, 進(jìn)而影響轉(zhuǎn)子的軸向力甚至造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不穩(wěn)定,且原始設(shè)計(jì)間隙越小,篦齒磨損造成的這種作用越顯著[3]。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)封嚴(yán)位置設(shè)計(jì)有兩道篦齒,并與相配的靜子蜂窩共同構(gòu)成篦齒蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu), 該結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高壓部件中有著廣泛的應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用表明,該篦齒在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)異常磨損的問(wèn)題,本文針對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展了多項(xiàng)研究工作,確定了故障原因、提出改進(jìn)措施,可為后續(xù)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 故障現(xiàn)象描述

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)的一處篦齒蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)篦齒的材料為GH4169,為滿足封嚴(yán)要求在封嚴(yán)位置設(shè)計(jì)有兩道篦齒。為了提高篦齒的耐磨能力,在篦齒外側(cè)噴涂有耐磨涂層(第一道篦齒前端未噴涂),對(duì)應(yīng)的可磨耗靜子件為蜂窩結(jié)構(gòu),蜂窩的材料為GH536。

圖1 篦齒蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)

該型發(fā)動(dòng)機(jī)在出廠前要進(jìn)行磨合試車, 試車后的分解檢查發(fā)現(xiàn)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)封嚴(yán)位置的第一道篦齒存在異常磨損。表現(xiàn)為:篦齒齒頂有較重毛刺,齒外側(cè)端面沿圓周有明顯變色現(xiàn)象, 兩道篦齒之間的涂層狀態(tài)較完整、無(wú)明顯脫落剝落現(xiàn)象,蜂窩磨損痕跡無(wú)異常。

2 故障原因分析

統(tǒng)計(jì)了同一時(shí)期其他存在類似磨損問(wèn)題發(fā)動(dòng)機(jī)的篦齒磨損量并與標(biāo)準(zhǔn)文件對(duì)比,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖2。分析結(jié)果可知, 這幾臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)均存在篦齒磨損超標(biāo)的問(wèn)題,這在一定程度上影響發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)交付。為了全面查找故障原因,開(kāi)展了故障樹(shù)分析,逐項(xiàng)排查后認(rèn)為主要應(yīng)從零件變形分析、使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、金相分析等幾個(gè)方面開(kāi)展詳細(xì)分析工作。

圖2 篦齒磨損量統(tǒng)計(jì)

3 零件變形分析

渦輪盤(pán)封嚴(yán)位置設(shè)計(jì)有兩道篦齒, 篦齒的材料為GH4169 ,為了分析兩道篦齒的變形情況,選取該發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)典型狀態(tài)對(duì)篦齒位置的溫度及變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果見(jiàn)圖3 和表1。分析可知,渦輪盤(pán)的兩道封嚴(yán)篦齒在兩種典型狀態(tài)下, 第一道篦齒的溫度及變形略高于第二道篦齒,但差別非常小,兩道篦齒的徑向變形基本相當(dāng)。

表1 篦齒變形情況

圖3 篦齒溫度場(chǎng)

分析認(rèn)為，篦齒徑向變形不是引起異常磨損的主要原因，但第一道篦齒前端未噴涂耐磨涂層會(huì)導(dǎo)致篦齒的耐磨能力下降。

4 使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

為分析篦齒異常磨損與篦齒直徑、蜂窩直徑及封嚴(yán)間隙之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，統(tǒng)計(jì)了多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在磨合試車前后的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)。

篦齒直徑在新品及試車后的對(duì)比情況見(jiàn)圖4。對(duì)比分析可知，磨損超標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)其新品篦齒直徑與其他發(fā)動(dòng)機(jī)相比沒(méi)有明顯區(qū)別；磨合試車后，磨損未超標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)的篦齒尺寸與新品相比略有減小。

圖4 篦齒直徑尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果

蜂窩直徑在新品及試車后的對(duì)比情況見(jiàn)圖5。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，各臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)新品及磨合試車后的蜂窩直徑尺寸相當(dāng)，新品加工時(shí)蜂窩尺寸均處于設(shè)計(jì)要求的中限偏上，各臺(tái)之間無(wú)明顯差別，磨合試車后蜂窩直徑較新品尺寸略有變小，磨損超標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)與其他發(fā)動(dòng)機(jī)相比無(wú)明顯異常。

圖5 蜂窩直徑尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果

各發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)間隙在新品時(shí)的對(duì)比情況見(jiàn)圖6。對(duì)比可知，新品發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)間隙值普遍在設(shè)計(jì)的中限偏上，磨損超標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)間隙值未見(jiàn)明顯偏小。

圖6 封嚴(yán)間隙統(tǒng)計(jì)結(jié)果

各發(fā)動(dòng)機(jī)兩道篦齒直徑在使用后的對(duì)比情況見(jiàn)圖7。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，盤(pán)前第一道篦齒直徑普遍小于第二道篦齒。

圖7 兩道篦齒直徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果

通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，盤(pán)前篦齒是否磨損與篦齒直徑、蜂窩直徑及封嚴(yán)間隙在磨合試車前后的變化無(wú)明顯關(guān)聯(lián)，但第一道篦齒比第二道篦齒磨損嚴(yán)重這一現(xiàn)象普遍存在。結(jié)合零件變形分析結(jié)果及篦齒的磨損形貌，第一道篦齒比第二道篦齒磨損嚴(yán)重與篦齒前端面無(wú)耐磨涂層存在必然關(guān)聯(lián)。

5 零件金相對(duì)比分析

零件分解檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分蜂窩的晶格存在堵死現(xiàn)象，懷疑是蜂窩焊料填充所致。分析表明，蜂窩晶格中存在焊料填充或者蜂窩本身各處硬度存在異常，均會(huì)導(dǎo)致封嚴(yán)篦齒異常磨損。為研究蜂窩硬度及焊料對(duì)篦齒磨損的影響，對(duì)蜂窩進(jìn)行了解剖并進(jìn)行了硬度檢測(cè)，解剖結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 蜂窩解剖分析結(jié)果

解剖分析結(jié)果表明：

（1）蜂窩晶格填充物成分為GH536 材料的碎屑，晶格堵死的原因?yàn)榉涓C受到磨損后，堆積物填充，導(dǎo)致了晶格堵死。

（2）蜂窩磨損處、未磨損處的硬度無(wú)明顯差異，蜂窩磨損處、未磨損焊料硬度無(wú)明顯差異，蜂窩晶格中未見(jiàn)焊料沿晶格爬升現(xiàn)象，即工作過(guò)程中篦齒未與焊料碰磨。

6 同類故障分析

通過(guò)查找文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)某乙型發(fā)動(dòng)機(jī)I 級(jí)渦輪盤(pán)封嚴(yán)篦齒裂紋故障[4]及發(fā)動(dòng)機(jī)中篦齒蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的高速碰磨行為試驗(yàn)研究[5]與本文中的故障相關(guān)，對(duì)此開(kāi)展了總結(jié)分析。

某乙型發(fā)動(dòng)機(jī)I 級(jí)渦輪盤(pán)封嚴(yán)篦齒裂紋故障在該發(fā)動(dòng)機(jī)的使用過(guò)程中較為常見(jiàn)，統(tǒng)計(jì)表明其裂紋故障率為16.8%，該故障的主要原因?yàn)椋?/p>

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)I 級(jí)渦輪盤(pán)主要承受離心應(yīng)力、熱應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力等載荷，該發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度與其原型發(fā)動(dòng)機(jī)相比提高100 ℃，導(dǎo)致渦輪盤(pán)工作狀況更加惡劣；該發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)篦齒的材料為GH4133，GH4133 合金在溫度達(dá)到600 ℃（該發(fā)動(dòng)機(jī)篦齒的實(shí)際工作溫度可達(dá)642 ℃）后其力學(xué)性能大幅度降低。

（2）該發(fā)動(dòng)機(jī)I 級(jí)渦輪盤(pán)封嚴(yán)篦齒與對(duì)應(yīng)導(dǎo)向器葉片內(nèi)緣板之間的間隙較小，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下，渦輪盤(pán)受燃?xì)飧邷刈饔卯a(chǎn)生熱膨脹并與對(duì)應(yīng)葉片內(nèi)緣板產(chǎn)生碰磨，致使封嚴(yán)篦齒的溫度升高、材料力學(xué)性能下降，同時(shí)封嚴(yán)篦齒還受到高頻沖擊振動(dòng)，加速裂紋的形成和發(fā)展。

篦齒蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)高速碰磨行為研究在高溫高速可磨耗試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，研究篦齒與金屬蜂窩之間的高速碰磨過(guò)程，分析篦齒和屬蜂窩的磨耗機(jī)理，主要結(jié)論是：高速碰磨時(shí)篦齒與蜂窩的接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生摩擦火花，導(dǎo)致篦齒齒尖發(fā)生燒蝕和氧化，摩擦熱的聚集會(huì)導(dǎo)致蜂窩材料在被切削時(shí)發(fā)生軟化變形甚至填充至蜂窩晶格，隨著碰磨時(shí)間的延長(zhǎng)，摩擦熱逐漸累積增多，這種現(xiàn)象在篦齒齒尖線速度較高的條件下更加明顯。

綜合以上結(jié)論發(fā)現(xiàn)，篦齒裂紋的產(chǎn)生多與工作環(huán)境溫度或碰磨產(chǎn)生的高溫有關(guān)，高溫會(huì)導(dǎo)致篦齒材料的力學(xué)性能下降、篦齒尖端發(fā)生燒蝕和氧化，在轉(zhuǎn)靜子不同心等復(fù)雜因素的作用下，篦齒和配合件產(chǎn)生異常磨損甚至裂紋。

7 故障分析結(jié)論

綜合各方面的分析結(jié)果，總結(jié)出故障的主要原因是：發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，受離心力和溫度的影響，渦輪盤(pán)封嚴(yán)位置篦齒產(chǎn)生徑向漲大；同時(shí)受氣動(dòng)力的影響，蜂窩以安裝邊為旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生了軸向向后旋轉(zhuǎn)位移。由于第一道篦齒前端面沒(méi)有噴涂耐磨涂層，篦齒端面和蜂窩之間產(chǎn)生了“硬碰硬”的金屬摩擦，摩擦升溫使篦齒材料性能下降，最終導(dǎo)致篦齒被逐漸磨短，故障模式見(jiàn)圖9。

圖9 故障模式

8 改進(jìn)措施

針對(duì)故障原因，制定了將盤(pán)前篦齒端面增加耐磨涂層的改進(jìn)措施，即將兩道篦齒進(jìn)行耐磨涂層的全覆蓋設(shè)計(jì)。目前，改進(jìn)后的零件在發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)使用中表現(xiàn)良好，改進(jìn)措施得到了驗(yàn)證。

結(jié)束語(yǔ)

篦齒蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)特別是發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件中有著廣泛的應(yīng)用，其在空氣系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)封嚴(yán)及轉(zhuǎn)子軸向力控制方面起著關(guān)鍵作用。但航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫高負(fù)荷工作特性給篦齒蜂窩的封嚴(yán)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定難度，特別是對(duì)封嚴(yán)間隙設(shè)計(jì)、篦齒結(jié)構(gòu)形式、篦齒耐磨設(shè)計(jì)等方面提出了較高要求，該過(guò)程只有不斷進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值仿真，總結(jié)使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，積累使用數(shù)據(jù)，才能進(jìn)一步提升零件的設(shè)計(jì)水平和使用可靠性。