航空發動機低壓轉子抱轉故障研究與實踐

摘 要：航空發動機排故技術是針對發動機試車過程中存在的相應故障采取一定的技術手段排除的控制技術。本研究針對性的分析了航空發動機試車時抱轉故障問題，重點研究低壓轉子抱轉故障，分析了抱轉故障產生的基本原因，提出了相應的改善方案，并通過大量的實踐，在某抱轉故障發動機上進行了實際驗證，最終確定了故障點，解決了發動機試車低壓轉子抱轉故障。該項研究提高我國航空發動機制造技術水平具有重要意義。

關鍵詞：抱轉故障；排除；研究實踐

1 引言

發動機試車故障種類較多，一般常規故障為振動故障、性能故障、抱轉故障、漏油故障、成附件故障等，其中抱轉故障是發動機試車特別是磨合試車時的主要故障形式之一，其中包括高壓抱轉和低壓抱轉，發動機轉子抱轉是指在發動機完成階段性的試車或試飛任務后處于停止運轉狀態時，經過一定的時間后發動機轉子（高壓或低壓）無法自由轉動，且經過較長時間的停留和降溫（幾個小時）后，發動機轉子轉動漸趨于自由，最終達到靈活轉動狀態，一般累計持續時間為2-4個小時，大部分故障隨著試車時數的增加及試車磨合狀態的改變逐漸改善或者消除，但部分發動機轉子抱轉故障會一直伴隨發動機試車和使用整個過程，這就造成了發動機重復運轉時間變長，嚴重影響發動機試車或執行任務飛行的周期。

2 故障描述

2.1 故障描述

2.1.1 發動機轉子試車磨合中的正常抱轉

發動機試車四階段前的高低壓抱轉現象，一般特征為發動機停車后一段時間后，高、低壓轉子開始出現轉動卡滯變緊跡象，然后完全不能旋轉，經一段時間后轉靜子脫開，隨著試車狀態的提高和試車時間的變長，該高、低壓抱轉現象表現逐漸降低或者消除，該現象為正常試車時的高、低壓轉子磨合過程中的必經過程。

2.1.2 發動機轉子試車中的異常抱轉

發動機低壓異常抱轉，發動機四階段后，發動機停車后一段時間后，低壓轉子開始出現轉動卡滯變緊跡象，然后完全不能旋轉，經一段時間后轉靜子脫開，此過程中高壓轉子轉動一直處于正常狀態。而這個狀態一直持續至發動機完成工廠試車或者是至檢驗試車提交，特別是后續大狀態試車增加時抱轉現象明顯嚴重。

高壓異常抱轉，高壓抱轉現象一般隨著發動機試車時數增加，磨合到位后一般逐漸消失，一般一個工廠磨合試車時狀態基本改善。而高壓異常抱轉則表征為高壓壓氣機試車后轉子出現無法轉動且最終不能脫開旋轉的狀態。

2.2 低壓抱轉故障影響

2.2.1 由于發動機低壓抱轉在試車過程中表現不易被發現，所以在廠內試車時一般在階段停車時間較長時，重新進行階段開車試驗時發現，在起動電機起動達到額定轉速要求時低壓轉子轉速為0，該狀態確認為低壓抱轉。低壓抱轉在廠內試車時只有在階段停車時間稍長進入抱轉時間段重新開車起動時被發現。

2.2.2 在外場發動機裝機狀態時，低壓抱轉如無特殊監控，不容易被發現，如該狀態下發動機正常起動并至點火時，由于低壓未轉動會造成燃燒室燃燒后的高溫燃氣流被吸回外涵內，造成外涵機匣燒蝕故障

2.2.3 另外發動機抱轉故障在外場監控使用時，增加飛機發動機地面維護周期，會影響飛機執行任務的安排。

3 原因分析

基于某發動機低壓抱轉故障，從發動機結構上從以下幾個方面進行分析。

某新機發動機在廠內試車中經常出現發動機低壓抱轉時間較長的問題，嚴重時在第二次試車（檢驗試車）時仍存在該問題，初步統計檢驗試車中低壓轉子抱轉故障率達25%，大大延長了試車周期，影響正常生產、交付。通過對發動機各轉、靜子間隙和磨損情況統計對比分析和重點部位進行冷態、熱態間隙變化等算分析，現有配合情況和狀態進行完善提出改進方案，將發動機檢驗試車中低壓轉子抱轉故障率控制到15%以內。

3.1 發動機轉、靜子間隙和磨損情況統計、比分析

對部分某新機發動機主要幾處轉、靜子配合間隙進行了統計，并與大修機發動機類似處間隙進行了對比分析。

3.1.1 壓氣機部分對比分析

某新機發動機與大修發動機低壓部分，某新機發動機為3級，大修發動機為4級。

根據文件規定的某新機和大修發動機低壓氣機裝配間隙（數據略）及實際裝配間隙（見圖1、2、3）、機匣磨損統計情況看，某新機和大修發動機的轉子葉片葉尖與靜子機匣、轉子上篦齒與機匣內環間隙和磨損情況基本相當，無明顯差別。

3.1.2 渦輪部分的對比分析

此處選擇某新機發動機5處磨損相對嚴重的轉、靜子間隙，與大修發動機對應部位的間隙情況進行數據分析對比。

（1）各處間隙設計規定值比較（見圖4）

從以表4可以看出，某新機發動機此5處間隙設計值均較大修發動機偏小，某新機發動機更容易產生轉、靜子碰磨情況。

（2）各處間隙實際情況對比

對某新機新機與大修發動機部分間隙情況進行對比，以下為某新機新機與大修間隙2、3、4、5處的實際裝配間隙情況的對比。

從以上各圖及統計數據來看，某新機新發動機間隙基本都小于或接近于大修發動機，從數值上來看，某新機配合間隙多集中在設計值下限。

（3）磨損情況對比

根據實際工作狀態，重點統計了間隙1處的磨損情況對比如下：

從磨損情況對比圖上可以看出，不論是新機還是返廠機，磨損情況都比較嚴重，甚至超過了大修的大修發動機的磨損情況。

3.2 重點部位冷態、熱態間隙變化計算分析

通過上述統計分析，對影響渦輪轉子抱轉各零部件（見圖11）進行了相應的變形計算和間隙計算分析，計算選取了發動機工作狀態、剛停車狀態以及模擬停車后機件不同溫度的過渡狀態，分析了不同狀態下各部位間隙與降溫速度的關系，給出了各部位間隙隨發動機停車后溫度狀態變化曲線及各部位間隙隨溫差的變化曲線和分析結論。

低壓渦輪部件變形后間隙計算中，轉動件考慮了自身的離心載荷及溫度的影響，而靜子件考慮了工作狀態的溫度影響，均未考慮氣動力。

各部位在不同狀態下配合間隙計算結果見表1～3和圖12～14

從以上統計分析結果來看，某新機發動機的低壓壓氣機轉、靜子間的配合及工作后的機件磨損情況與大修發動機基本相當，應為合理范圍；高壓靜子內環蜂窩與轉子篦齒間隙設計值以及高壓篦齒盤與燃燒室前封嚴環蜂窩間隙設計值相對偏小；渦輪部件的轉、靜子（高、低壓轉子間）配合間隙均偏小，機件磨損情況也較重。計算分析表明渦輪部件轉靜子配合間隙停車后隨溫度的變化較為明顯，在發動機停車后一段時間，當轉、靜子溫差達到一定量時，盤間封嚴環篦齒可能會出現與機匣配合間隙為負值的情況，對發動機抱轉有一定的影響。

4 實施方案

針對以上分析情況從低渦相關轉靜子部件進行發動機低壓抱轉故障分析，得出主要可能產生抱轉故障的故障點。

4.1 初步實施方案

為進一步排除和解決發動機抱轉故障，通過試驗采取了如下的控制措施，控制措施及試驗結果如下：

4.1.1 將低渦一、二導蜂窩磨損出的溝槽加深至設計要求上限，后續試車時仍出現抱轉故障。

4.1.2 調整“H”值（表征低渦轉子相對高渦轉子的軸向距離），保證檢裝時“H”值與工廠裝配時盡量接近，后續試車時仍出現抱轉故障。

4.1.3 調整“D”值（表征低渦轉子相對低渦二導的軸向距離），向前或向后調整低渦轉子相對靜子的軸向位置，后續試車時仍出現抱轉故障。

4.1.4 對低渦一、二導蜂窩補加工到設計要求上限，對低渦一、二級轉子葉片補加工到設計要求下限，后續試車時仍出現抱轉故障。

4.1.5 串裝其他臺份低壓渦輪轉子，后續試車時仍出現抱轉故障。

4.2 進一步方案開展

由于以上相關技術方案未改善該故障的降低。對相關發動機進一步檢查后發現，軸承座前封嚴環銀銅涂層磨損痕跡為較窄的細溝（以前的發動機磨損痕跡多為溝槽），部分發動機在封嚴環前方存在黑色痕跡，選取兩臺臺對前封嚴環銀銅涂層補加工后進行試驗試車，均未出現抱轉故障。由試驗試車結論可以推斷，前期造成低壓抱轉故障的主要原因是發動機停車后低渦轉子與前封嚴環之間存在卡滯。

4.2.1 試驗試車情況

某臺發動機將原臺封嚴環進行補加工至直徑260.70～260.75，檢查封嚴環跳動為0.04，進行試驗試車，未出現抱轉故障。

某試驗發動機將原臺封嚴環進行補加工至直徑260.70，檢查封嚴環跳動為0.05，進行試驗試車，未出現抱轉故障。

咨詢設計，此處間隙擴大后理論上會對后腔回油溫度、滑油消耗量造成影響， 經查兩臺發動機試車時ZJ狀態后腔回油溫度及滑油消耗量均屬于正常經查，抱轉發動機NO.5跑道篦齒與軸承座前封嚴環銀銅涂層配合間隙均處于設計要求中限偏上（設計要求0.1～0.175，實際0.14～0.145），相比同期生產的發動機無差異，相比02批發動機（機件為去年生產，與抱轉發動機同期試車）間隙偏大，但封嚴環直徑基本一致。

4.2.2 原因初步分析

低壓轉子抱轉故障原因為軸承座前封嚴環位置造成。

4.2.3 后續試驗情況及結論

經過軸承座前封嚴環內徑在工廠試車后故檢時需進行測量，要求直徑為260.3～260.6，因此將軸承座前封嚴環內徑位置的尺寸改為不大于260.60。

經廠內試車驗證，各臺抱轉發動機均在貫徹該尺寸后試車通過，未再發生抱轉故障。

5 結束語

航空發動機低壓轉子抱轉故障的原因是由于軸承座前封嚴環篦齒與涂層之間間隙不均勻，會出現偏磨現象，發動機停車后篦齒局部停留在磨損出的溝槽內；而前封嚴環組合加工后，試車時篦齒與涂層之間間隙較均勻，停車后有可能整圈篦齒均停留在磨損出的細溝內，由于接觸面積的增大，造成摩擦力增大從而引發抱轉故障。

抱轉故障的解決方案是將該軸承座前封嚴環篦齒的尺寸按照工廠后磨損變形的要求加大至上限，以控制篦齒與涂層之間間隙，使試車時在高溫變化的情況下有較大的變化余量，減少抱轉的可能性。

對于該尺寸調整后的發動機經試車后跟蹤，抱轉故障消除，滑油回油溫度和消耗量未出現異常，發動機試車性能正常，不影響發動機的穩定工作，方案可行有效。