某渦軸發動機燃氣渦輪轉靜子葉片軸向刮磨故障分析

盧波 王劍 黃超 吳志鋒 李概奇 蔣曉煒

（1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002；3.中國航發南方工業有限公司，湖南株洲 412002）

隨著航空技術的飛速發展，人們對航空產品的可靠性要求越來越高，對航空產品的心臟— 發動機的總體質量水平也有了更嚴格的要求。航空發動機工作條件比較苛刻，具有高溫、高壓、高轉速和高負荷等特點，這對發動機結構設計可靠性提出了非常嚴格的要求。在科研樣機試驗階段，經常會出現轉子卡滯[1]、轉靜子碰磨[2-3]等故障。

某型渦軸發動機在開展210h持久試車以及一系列高空臺試驗后分解檢查，發現燃氣渦輪轉靜子葉片發生軸向碰磨。本文基于故障樹法從設計、裝配、仿真等方面對葉片軸向碰磨的故障原因進行了分析，并提出了改進措施。

1.故障情況介紹

發動機開展首飛前試驗考核，先后在完成了210小時持久試車，在某高空臺開展了滑油系統試驗、進氣畸變等高空臺摸底試驗，試驗后對發動機進行分解檢查發現，燃氣渦輪二級導向器下緣板與動力渦輪二級轉子前鳥嘴徑向有刮磨，所有的燃二導均有刮磨痕跡，其中6片刮磨較嚴重，尾緣尖角存在掉塊，燃二動前鳥嘴徑向均有刮磨，目視深度0.1～0.2，其中一片刮磨嚴重存在掉塊現象。

2.刮磨原因分析

2.1 故障樹建立

針對燃氣渦輪二級導向器下緣板刮磨故障，建立故障樹，列出了5個可能引起故障的底事件，見圖1所示。

圖1 緣版刮磨故障樹

（1）設計間隙片小X1；（2）裝配間隙片小X2；（3）燃二導葉片搭接處緣板徑向尺寸變小X3；（4）燃二動葉片搭接處徑向尺寸變大X4；（5）燃氣渦輪二級盤徑向尺寸變大X5。

2.2 故障樹底事件排查情況

2.2.1 設計間隙偏小排查（X1）

為了滿足空氣系統要求，燃氣渦輪二級導向器下緣板與燃氣渦輪二級工作葉片緣板處有搭接，搭接處的間隙為T設計值為1.4～1.7，如圖2所示。復查發動機瞬態變形計算可知：搭接處間隙最小減小0.4mm，如圖3所示。根據搭接處的設計值間隙及瞬態變形量，工作中不會發生緣板刮磨，底事件X1可以排除。

圖2 渦輪葉片搭接處間隙示意圖

圖3 T間隙變化隨時間歷程

2.2.2 裝配間隙偏小排查（X2）

經復查發動機首次裝配渦燃氣渦輪二級導向器下緣板與燃氣渦輪二級工作葉片緣板搭接處的間隙T為1.573，滿足間隙1.4～1.7的設計要求，底事件X2可以排除。

2.2.3 燃二導葉片搭接處緣板徑向尺寸變小（X3）

發動機分解后對燃氣渦輪二級導向器組件進行了計量，計量結果見表1所示。根據計量結果可知：燃氣渦輪二級導向器葉片搭接處緣板徑向尺寸有輕微的變形，沒有發生明顯的變化，底事件X3可以排除。

表1 燃二導尺寸計量結果

2.2.4 燃二動葉片搭接處緣版徑向尺寸變大（X4）

分解后對燃氣渦輪二級工作葉片6個流道點及3個截面進行了三坐標掃描。掃描結果顯示燃氣渦輪二級工作葉片流道點及截面坐標有輕微超差，均無明顯變化，底事件（X4）排除。

2.2.5 燃氣渦輪二級盤徑向尺寸變大（X5）

分解后對燃氣渦輪二級轉子圖4尺寸進行計量，計量結果見表2所示。

表2 燃氣渦輪二級轉子尺寸計量結果

圖4 燃氣渦輪二級轉子尺寸計量示意圖

根據計量結果可知：燃氣渦輪二級盤及二級前導流盤發生了徑向塑形變形，目視發現燃氣渦輪二級盤榫槽發生了向外翻邊情況，二級前導流盤上壓緊平面有明顯的翻邊情況，因此對燃氣渦輪二級盤榫槽及二級前導流盤進行了三坐標掃描，掃描結果見圖5所示。

圖5 導流盤型面掃描、榫槽型面掃描

從型面掃描結果可知，燃氣渦輪盤榫槽發生了徑向塑形變形，最大變形量0.66，二級前導流盤壓緊平面有明顯的翻邊現象。底事件X5無法排除。

2.3 故障樹排查分析結論

通過對故障樹的底事件排查，可以排除下列4個底事件：

（1）設計間隙偏小X1；

（2）裝配間隙偏小X2；

（3）燃二導葉片搭接處緣版徑向尺寸變小X3；

（4）燃二動葉片搭接處緣版徑向尺寸變大X4。

不能排除下列1個底事件：

燃氣渦輪二級盤徑向尺寸變大X5。

2.4 緣板刮磨故障機理分析

從故障底事件排查可知，燃氣渦輪盤榫槽發生了徑向塑形變形，最大變形量0.66，二級前導流盤壓緊平面有明顯的翻邊現象。

故障機理：

根據計量發現，二級導流盤盤緣的壓緊邊存在向左翹曲變形，篦齒伸長導致間隙由0.3mm減小至0.02mm。二級渦輪盤榫槽向外徑變形。

經熱天起飛狀態下的空氣系統分析，初步認為，二級導流盤壓緊面在異常翹曲情況下，不能很好地封嚴渦輪盤緣，形成泄漏間隙，使得級間冷氣從榫接結構間隙泄漏至二級盤后腔，不能有效封嚴級間燃氣，導致部分燃氣倒灌，并從榫頭非工作面間隙泄漏，加熱榫槽和導流盤源，超溫后導致榫槽和導流盤輪緣異常變形。計算的數據見表3。

表3 正常條件與導流盤變形的影響分析結果對比

可以看出，在導流盤緣翹曲變形和篦齒變形發生泄漏后，存在0.50%的燃氣倒灌，使得級間腔溫升高至885℃，從而導致榫槽和導流盤緣溫度上升，發生變形致篦齒間隙縮小，進一步加劇燃氣倒灌（0.74%），級間腔溫進一步上升至961℃，最終導致結構明顯變形。

3.緣板刮磨解決措施

根據上述故障原因分析導致燃氣渦輪二級盤徑向尺寸變大（X5），針對緣板刮磨進行如下改進：

（1）對級間導流盤包括一級后導流盤及二級前導流盤在圖樣上壓緊平面提平面度0.02的要求，并設置為重要要素尺寸；

（2）在燃氣渦輪轉子裝配過程中，在不裝配葉片的情況下，用塞尺（不大于0.02）檢查級間導流盤與燃氣渦輪盤的貼緊情況。

4.結論

通過故障樹梳理方法的分析排查，確定某型發動機燃氣渦輪轉靜子軸向刮磨的原因是

二級前導流盤與燃氣渦輪二級盤的壓緊平面不夠平整，以及在裝配過程中，沒有保證級間導流盤與燃氣渦輪盤的貼緊情況。

貫徹了改進措施后，幾臺整機分別開展了持久試驗，其中1臺經過了60小時長試，2臺經過了150小時長試，2臺經過了1000小時長試，均沒有發生緣板刮磨故障。

經過全面攻關，完善設計、改進工藝，使研制中出現的緣板刮磨和級間導流盤裂紋問題得到了控制，攻關的效果需要在后續的狀態鑒定性能試驗中得到了進一步的驗證。