航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子故障分析

沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 沈陽(yáng) 110043

1 研究背景

航空發(fā)動(dòng)機(jī)為飛機(jī)提供動(dòng)力[1-4],是一種高度復(fù)雜的熱力機(jī)械,其工作可靠性直接關(guān)系到飛行安全,體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的科技、工業(yè)和國(guó)防實(shí)力[5-8]。低壓渦輪轉(zhuǎn)子是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的四大核心轉(zhuǎn)子之一,經(jīng)過(guò)3 000 h使用后各零件存在不同程度的磨損、變形[9],需要進(jìn)行大修。低壓渦輪轉(zhuǎn)子典型故障有蜂窩組件中蜂窩環(huán)磨損超差、封嚴(yán)環(huán)配合止口尺寸磨損超差、密封跑道腐蝕等,筆者分析低壓渦輪轉(zhuǎn)子典型故障產(chǎn)生的機(jī)理和原因,提出故障排除措施,進(jìn)而提高低壓渦輪轉(zhuǎn)子的工作可靠性。

2 低壓渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

如圖1所示,低壓渦輪轉(zhuǎn)子主要由低壓渦輪一級(jí)盤(pán)、低壓渦輪二級(jí)盤(pán)、封嚴(yán)環(huán)、低壓渦輪軸、蜂窩組件、密封跑道等組成。其中,封嚴(yán)環(huán)與低壓渦輪一級(jí)盤(pán)、低壓渦輪二級(jí)盤(pán)通過(guò)配合止口定位,封嚴(yán)環(huán)通過(guò)低壓渦輪一級(jí)盤(pán)上的銷實(shí)現(xiàn)周向定位,低壓渦輪一級(jí)盤(pán)、低壓渦輪二級(jí)盤(pán)、低壓渦輪軸通過(guò)雙頭螺栓連接,低壓渦輪軸、蜂窩組件、密封跑道通過(guò)螺釘連接。

圖1 低壓渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

3 蜂窩組件中蜂窩環(huán)磨損超差故障

3.1 原因分析

蜂窩組件是低壓渦輪轉(zhuǎn)子的一部分,與高壓渦輪轉(zhuǎn)子篦齒配合接觸,形成密封腔體,共同起密封作用。據(jù)統(tǒng)計(jì),蜂窩組件中蜂窩環(huán)磨損超差是航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子大修時(shí)面臨的主要故障之一,故障率高達(dá)100%,有效解決蜂窩組件中蜂窩環(huán)磨損超差故障成為提高低壓渦輪轉(zhuǎn)子工作可靠性和降低修理成本的關(guān)鍵。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中,由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng),高壓渦輪轉(zhuǎn)子以高壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐點(diǎn)連線為中心線進(jìn)行偏心轉(zhuǎn)動(dòng),低壓渦輪轉(zhuǎn)子以低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐點(diǎn)連線為中心線進(jìn)行偏心轉(zhuǎn)動(dòng),高壓渦輪轉(zhuǎn)子和低壓渦輪轉(zhuǎn)子偏心角和偏心幅值不相同,高壓渦輪轉(zhuǎn)子篦齒切入低壓渦輪轉(zhuǎn)子蜂窩組件中,導(dǎo)致蜂窩組件中蜂窩環(huán)磨損超差。同時(shí),在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中,低壓渦輪轉(zhuǎn)子在軸向上有竄動(dòng),蜂窩組件的整個(gè)蜂窩環(huán)面被高壓渦輪轉(zhuǎn)子磨損。

3.2 故障排除措施

通過(guò)對(duì)蜂窩組件更換磨損蜂窩環(huán)的方法,使其滿足與高壓渦輪轉(zhuǎn)子篦齒配合的要求,排除蜂窩組件中蜂窩環(huán)磨損超差故障。經(jīng)過(guò)蜂窩組件殼體材料拉伸、彎曲、疲勞、金相等性能試驗(yàn),對(duì)磨損蜂窩環(huán)去除方法、蜂窩環(huán)重新釬焊、殼體材料硬度檢測(cè)跟蹤等進(jìn)行研究[10],提出具體故障排除步驟:車削蜂窩組件中磨損蜂窩環(huán),打磨殼體上殘留的釬焊層,釬焊新蜂窩環(huán),時(shí)效處理,磨削新蜂窩環(huán),熒光檢查,蜂窩組件平衡。故障排除前后蜂窩組件對(duì)比如圖2所示。

圖2 故障排除前后蜂窩組件對(duì)比

4 封嚴(yán)環(huán)配合止口尺寸磨損超差故障

4.1 原因分析

封嚴(yán)環(huán)是低壓渦輪轉(zhuǎn)子的重要組成部分,夾在低壓渦輪一級(jí)盤(pán)、低壓渦輪二級(jí)盤(pán)之間,起封嚴(yán)作用,與低壓渦輪一級(jí)盤(pán)通過(guò)止口定位。航空發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí),封嚴(yán)環(huán)與低壓渦輪一級(jí)盤(pán)配合止口尺寸磨損超差是主要故障之一,故障率高達(dá)98%,有效解決封嚴(yán)環(huán)與低壓渦輪一級(jí)盤(pán)配合止口磨損超差故障,同樣是提高低壓渦輪轉(zhuǎn)子可靠性和降低修理成本的關(guān)鍵。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中,由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、封嚴(yán)環(huán)周向熱變形、封嚴(yán)環(huán)與低壓渦輪一級(jí)盤(pán)周向相對(duì)微動(dòng)等原因,封嚴(yán)環(huán)與低壓渦輪一級(jí)盤(pán)配合面相互摩擦,導(dǎo)致配合面尺寸磨損。由于封嚴(yán)環(huán)軸向熱變形,封嚴(yán)環(huán)兩端受到低壓渦輪一級(jí)盤(pán)、低壓渦輪二級(jí)盤(pán)的壓力,封嚴(yán)環(huán)中部徑向向外撅起,兩端徑向向內(nèi)變形,造成封嚴(yán)環(huán)與低壓渦輪一級(jí)盤(pán)配合止口尺寸變小。以上兩方面原因?qū)е路鈬?yán)環(huán)與低壓渦輪一級(jí)盤(pán)配合止口尺寸磨損超差故障。

4.2 故障排除措施

通過(guò)對(duì)封嚴(yán)環(huán)與低壓渦輪一級(jí)盤(pán)配合止口采用化學(xué)鍍鎳修復(fù)方法,使兩者滿足配合要求,排除封嚴(yán)環(huán)配合止口尺寸磨損超差故障。測(cè)量封嚴(yán)環(huán)與低壓渦輪一級(jí)盤(pán)配合面磨損后的尺寸,根據(jù)實(shí)際需求,計(jì)算鍍鎳層厚度。對(duì)除配合面外的部分進(jìn)行涂膠保護(hù),鍍鎳前對(duì)配合面進(jìn)行吹砂處理。將保護(hù)好的封嚴(yán)環(huán)放入配好的槽液中進(jìn)行化學(xué)鍍鎳,測(cè)量封嚴(yán)環(huán)與低壓渦輪一級(jí)盤(pán)配合面鍍鎳后的尺寸,保證封嚴(yán)環(huán)滿足與低壓渦輪一級(jí)盤(pán)的配合要求。故障排除前后封嚴(yán)環(huán)對(duì)比如圖3所示。

圖3 故障排除前后封嚴(yán)環(huán)對(duì)比

5 密封跑道腐蝕故障

5.1 原因分析

密封跑道是低壓渦輪轉(zhuǎn)子的組成部分,密封跑道表面一部分為鍍鉻層,為石墨密封環(huán)提供支撐座,表面其余部分為鍍鎳層,防止基體腐蝕。航空發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí),鍍鎳層表層腐蝕是密封跑道產(chǎn)生的主要故障,故障率約為20%。可見(jiàn),密封跑道腐蝕故障亟需解決。

密封跑道的基體采用40CrNiMo材質(zhì)制造而成,受材質(zhì)自身特性影響,密封跑道較容易腐蝕,于是采用鍍鎳層防止基體腐蝕。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中,有較多油氣通過(guò)密封跑道,特別是在海洋環(huán)境中工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī),密封跑道更容易發(fā)生鍍鎳表層腐蝕故障。

5.2 故障排除措施

采用對(duì)表層腐蝕的密封跑道修理鍍鎳層的方法,排除密封跑道腐蝕故障,具體故障排除步驟為,首先對(duì)表層腐蝕的密封跑道通過(guò)化學(xué)方法去除鍍鎳層,腐蝕點(diǎn)較深處通過(guò)手工搓磨的方法對(duì)腐蝕點(diǎn)進(jìn)行修理,直至排除腐蝕痕跡;然后進(jìn)行表面吹砂處理,再重新鍍鎳。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子典型故障,通過(guò)對(duì)蜂窩組件更換磨損蜂窩環(huán)的方法,使其滿足與高壓渦輪轉(zhuǎn)子篦齒的配合要求,排除蜂窩組件中蜂窩環(huán)磨損超差故障。通過(guò)對(duì)封嚴(yán)環(huán)與低壓渦輪一級(jí)盤(pán)配合止口采用化學(xué)鍍鎳修復(fù)的方法,使兩者滿足配合要求,排除封嚴(yán)環(huán)配合止口尺寸磨損超差故障。通過(guò)對(duì)表層腐蝕的密封跑道重新修理鍍鎳層的方法,排除密封跑道腐蝕故障。通過(guò)故障處理,提高了航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子的工作可靠性。