某型航空發動機壓氣機轉子卡滯故障研究

李欣， 王博

（海軍駐常州地區航空軍事代表室，江蘇 常州 213022）

0 引言

某型航空發動機0042號在進行機務準備工作時，機務人員按照使用維護手冊要求攀轉壓氣機轉子進行檢查，發現轉子轉動不暢，有明顯的卡滯，并且在燃氣渦輪（燃燒室）處伴有金屬摩擦聲。檢查發動機滑油濾、磁性螺堵等附件等均無異常，打開發動機的中軸承回油管進行檢查也未發現有金屬粉末；檢查發動機的自由渦輪轉子和壓氣機轉子均無異常顯示，基本排除了發動機轉動部件磨損的可能。

將發動機返回承制廠后進行全面的分解檢查，發現發動機前段機匣的連接后蓋、封嚴篦齒及封氣環的螺釘和鎖片有一套已完全脫落，在離心葉輪和后蓋之間的空腔內發現已磨損的金屬片，后蓋、葉輪均有一定程度的磨損，具體見圖1和圖2。通過對故障現象和檢查結果進行分析，將本次壓氣機轉子卡滯故障原因定位在鎖片、螺釘上。

1 故障分析

離心壓氣機轉子及裝有篦齒和封氣環構成的后蓋組件裝配關系見圖3。其中，鎖片被壓緊在螺釘頭下面，長爪頂靠住壓氣機后蓋的止口，2個尖爪彎曲鎖緊螺釘的六方頭，螺釘的另一端有2個沖鉚坑。

圖1 后蓋及金屬片

1）受力分析。篦齒和封氣環裝在后蓋上，處于懸臂狀態，在發動機工作過程中一直承受比較大的高頻振動。該處由于緊靠燃燒室，溫度長時間較高，后蓋前后的溫度和氣壓差較大。在冷熱交變、振動、內外壓力差等綜合因素的反復作用下螺釘極易松動，一旦松動，螺釘就會反復往松脫方向（逆時針方向）使鎖片的止動片頂緊在后蓋止口上，而鎖片則受反復高頻旋轉趨勢的振動應力和彎曲應力，在后蓋對鎖片長爪長時間的反復作用下就導致應力最大處（長爪根部）出現疲勞裂紋。

圖2 離心葉輪

圖3 離心葉輪、后蓋的局部裝配圖

2）失效分析。假定進入封嚴篦齒前的氣流壓力為P3，氣流通過封嚴篦齒外環進入封嚴環腔壓力為P3′，再通過封嚴篦齒內環進入葉輪后腔壓力為P2′。根據分析計算可知，P3＞P3′＞P2′，加上離心葉輪高速旋轉的鼓風效應，在葉輪后腔內存在低壓區，因此，螺釘正常工作時還要承受由后向前的壓力，再加上工作時的振動、溫度變化等因素的共同作用，螺釘存在松動的趨勢。采取螺釘配裝鎖片及另一端沖坑、較大的擰緊力矩要求這三項措施均是為了防止螺釘松動的。

鎖片長爪沿螺釘頭部壓緊處斷裂，鎖片裝配時有一定的方向要求，其長爪沿逆時針方向頂靠在后蓋的止口上，以防止螺釘轉動導致松動。

鑒于以上分析，某型發動機螺釘及鎖片脫落的原因應是鎖片斷裂導致螺釘鎖緊失效，在振動、氣流壓力差、冷熱交變等各因素的共同作用下造成松動，導致螺釘與高速旋轉的離心葉輪發生摩損，最終脫落，并在葉輪后腔內滾動碾壓，使螺釘碾成金屬片。

2 故障結論

1）沖鉚工藝要求不明確。對螺釘的加工過程進行復查時，發現螺釘端部有倒角，且沒有明確的沖鉚工藝要求，沖鉚孔起的防松效果較小，一旦鎖片斷裂，螺釘在失去預緊力的情況下會慢慢松動。選取測繪樣機的螺釘與之進行對比，發現測繪樣機的螺釘端部倒角很小，但能起到明顯的防松效果，在鎖片斷裂的情況下可以起到止退螺釘的作用。

2）鎖片技術要求不明確。再對鎖片進行工藝復查，發現鎖片長爪根部倒角R（如圖4所示）在圖樣中未注尺寸要求，按未注尺寸要求為R0.3±0.2 mm，實際該處尺寸為R0.4 mm，雖符合圖樣尺寸要求，但在工作過程中因應力集中很容易產生裂紋。

圖4 鎖片

3 改進措施

根據上述原因分析，對在役發動機和新制零件采取以下措施：

1）改進裝配要求。明確螺釘的裝配要求，調整螺釘合適的螺桿長度L，使得螺釘、鎖片、后蓋組合、篦齒安裝邊（封嚴篦齒）、封氣環、裝配好的p=0.5 mm（p為螺釘超出封氣環端面的長度）。用120°的沖錐在螺釘的螺紋尾端端面上沖2個徑向對稱的坑（沖坑中心離螺紋大徑約1 mm的位置，沖坑大小約φ1.5 mm，深度約0.5 mm）。要求沖坑的同時必須用一個銅棒頂住螺釘的另一端，以避免沖坑時的沖擊力對螺紋或其它零件的損害。

2）完善設計尺寸。更改鎖片的設計要求，在保證配合公差為公差為±0.05的前提下，將鎖片厚度由0.5 mm增大為0.6 mm，并且明確鎖片長爪根部R=0.8 mm。

為了保證p=0.5 mm，需要螺釘有足夠的螺桿長度L。經對發動機的尺寸鏈進行計算，需用螺釘的螺桿長度L=14±0.2 mm。因此，為了保證極限情況下沖坑的效果，須對螺釘的螺桿長度加長約1 mm，直接選用長度L=15±0.2 mm的螺釘替代，其它尺寸均相同。

3）對已制件的處理及外場使用分析。對庫存的已制鎖片停止使用，辦理報廢并隔離，防止流入工作現場。對已交付外場使用的發動機，由于后蓋與離心壓氣機轉子之間基本是一個封閉腔，即便鎖片斷裂，掉塊也不易進入發動機氣流通道打壞其他零件從而危及飛行安全，而且在外場維護時能通過攀轉壓氣機轉子檢查的方式發現故障，不影響發動機在外場的使用。對已交付外場使用的發動機，結合返廠修理工作更換新件。

4 結語

經發動機臺架試車及發動機外場實際使用驗證，未再反映卡滯問題出現，證明該改進措施有效，可以保證裝備的正常使用。