渦扇發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子故障分析

王明芳

摘要：本文針對渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子故障進(jìn)行分析，通過對比各種發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子有關(guān)的機(jī)械故障來判斷發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子故障產(chǎn)生的原因，從故障產(chǎn)生原理入手對部分故障提供預(yù)防措施。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及溫度環(huán)境兩類引發(fā)故障的原因，分別對轉(zhuǎn)子軸承及其連接件的配合問題、由于制造及裝配精度問題引發(fā)的轉(zhuǎn)子不平衡問題以及轉(zhuǎn)子與靜子不同心問題、轉(zhuǎn)子及連接件熱蠕動現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子熱彎曲現(xiàn)象進(jìn)行了分析?？偨Y(jié)出由上述問題所引發(fā)的轉(zhuǎn)子碰磨問題、轉(zhuǎn)子彎曲變形問題、零部件松動變形等常見的故障。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子;結(jié)構(gòu)間隙;溫度場;不平衡響應(yīng)

中圖分類號：V231.96? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0156-02

0? 引言

發(fā)動機(jī)內(nèi)氣流沿壓氣機(jī)軸線產(chǎn)生高振幅、低頻率的振蕩現(xiàn)象稱為發(fā)動機(jī)的喘振。發(fā)動機(jī)的喘振導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)內(nèi)各零部件劇烈振動進(jìn)而產(chǎn)生碰磨損壞、性能急劇惡化等故障，進(jìn)而引發(fā)了事故的發(fā)生。本文針對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子因結(jié)構(gòu)間隙碰磨而發(fā)生的故障以及由于發(fā)動機(jī)工作過程中所產(chǎn)生的溫度所影響的轉(zhuǎn)子及相關(guān)零部件的材料特性受影響而發(fā)生的故障進(jìn)行分析論證。

1? 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子故障分析

1.1 轉(zhuǎn)子軸承配合故障分析

1.1.1 軸承連接剛性非線性原理? 圖1為軸承外圈與軸承座配合松動剖面圖，由圖示可以看出滾動軸承外圈與軸承座直接存在著一定的配合間隙，該在實際工作中所產(chǎn)生的磨損振動將影響轉(zhuǎn)子正常工作導(dǎo)致整臺發(fā)動機(jī)產(chǎn)生故障。

圖2所示為軸承外圈與軸承座配合松動點的示意圖。

由于軸承的擰緊力矩會改變軸承外圈與軸承座表面間的摩擦力，從而改變了兩者間的摩擦阻尼，因此軸承外圈與軸承座之間的連接剛度表現(xiàn)出了非線性特征。

1.1.2 擰緊力矩對軸承座相對運動的影響? 由于滾動軸承外圈與軸承座之間的擰緊力矩對軸承座產(chǎn)生不可忽視的影響，通過對比不同配合間隙下擰緊力矩對軸承外圈與軸承座之間的相對位移的影響來推斷其間的關(guān)系。

由力學(xué)特性分析，當(dāng)增大軸承外圈與軸承座之間的擰緊力矩時，外圈與軸承座之間的摩擦系數(shù)也隨之增大，在不同的配合間隙以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子不同的轉(zhuǎn)速下，軸承外圈與軸承座之間的相對位移變化也隨之減小。

但在實際工作過程中，由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷提高，其產(chǎn)生的振動也逐漸變得不可忽視，在超過臨界轉(zhuǎn)速時，振動較大，通過增大擰緊力矩來減小軸承外圈與軸承座之間的相對位移效果并不理想。除減小軸承外圈與軸承座間振動與相對位移外，適度的增大擰緊力矩也可減小其他零部件如葉片等振動所產(chǎn)生的影響。

1.1.3 轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)? 轉(zhuǎn)子在工作中所受到的不平衡的力或力矩從而產(chǎn)生的振動被稱為不平衡響應(yīng)。在實際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)子自身的不平衡量是無法避免也不受控制的，受材料分布及加工所產(chǎn)生的缺陷影響，相對于理論來說即使及其細(xì)小的瑕疵以及裝配所產(chǎn)生的精度等問題所產(chǎn)生的不平衡量，在轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動過程中所產(chǎn)生的不平衡響應(yīng)所引起的轉(zhuǎn)子與靜子以及機(jī)匣間產(chǎn)生的碰磨都是不可忽略并且極易產(chǎn)生故障的。

由于發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點以及苛刻的工作環(huán)境，導(dǎo)致了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡精度很難得到保障。而壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)過在平衡機(jī)上平衡后再安裝到發(fā)動機(jī)上更加難以維持平衡。而在實際的數(shù)據(jù)中可以看出，絕大多數(shù)經(jīng)過平衡機(jī)平衡的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在安裝到發(fā)動機(jī)上后，平衡精度的誤差會大大的升高。

1.1.4 轉(zhuǎn)子與靜子裝配不同心問題? 在發(fā)動機(jī)工作時，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子前后軸頸就會沿徑向產(chǎn)生移動，由此導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子與靜子之間產(chǎn)生裝配不同心的現(xiàn)象。由于壓氣機(jī)機(jī)匣由薄壁結(jié)構(gòu)經(jīng)過焊接組成，因此經(jīng)過一定的使用時間后，機(jī)匣會產(chǎn)生一定程度的橢圓變形，隨著工作時間的推移，機(jī)匣所產(chǎn)生的變形量會越來越大，導(dǎo)致了定位在機(jī)匣上的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的非正常位移量大大增加。

由此可見發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)靜子的裝配不同心問題主要來自于兩個方面：一是壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子本身在機(jī)匣上定位并不穩(wěn)固，在實際工作中會產(chǎn)生一定量的位移。二是由于機(jī)匣壁在長時間的使用中會產(chǎn)生一定量的變形情況導(dǎo)致了定位在機(jī)匣上的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一定量的相對位移。據(jù)統(tǒng)計，翻修過的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子與靜子裝配不同心問題多于新投入使用的發(fā)動機(jī)，由此可見此類問題常使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生故障。

1.2 溫度場的影響下轉(zhuǎn)子故障分析

1.2.1 溫度場對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的影響? 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲量隨著溫度的升高也在不斷地升高，但環(huán)境溫度對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲量也受外界環(huán)境溫度的影響，由于機(jī)匣內(nèi)外溫差較大，機(jī)匣內(nèi)外的溫度交換率也較大，因此壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲量也受季節(jié)以及天氣影響。

由于工作室的高溫會影響壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的剛度，使其容易發(fā)生熱彎曲變形，因此在發(fā)動機(jī)停車后盡快使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子溫度降低到臨界溫度下，避免其變形量過大，影響其使用壽命。

實際工作中常常采取冷吹措施，在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子溫度尚未降下來時強(qiáng)行啟動發(fā)動機(jī)會對轉(zhuǎn)子造成較大的損傷。采用冷吹措施，用溫度較低且速度較高的氣體沖擊轉(zhuǎn)子，使其周圍高溫氣體與低溫氣體快速交換以達(dá)到快速降溫的目的。但在冷吹時也要把握好冷氣的溫度以及速度，避免過低的溫度對轉(zhuǎn)子葉片材料的力學(xué)性質(zhì)造成損傷，也避免過高的氣體流速對轉(zhuǎn)子葉片造成的沖擊過大使其產(chǎn)生彎曲變形。

1.2.2 連接件的熱蠕動現(xiàn)象? 連接件間溫度分布不同，由于熱脹冷縮等緣故產(chǎn)生的局部的不均勻的變形量不同，變形量在長期累積后會使各零部件間發(fā)生一定的相對位移現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為熱蠕動現(xiàn)象。

在發(fā)動機(jī)熱啟動后，壓氣機(jī)內(nèi)部的溫度升高現(xiàn)象主要是因燃燒室溫度升高，通過連接結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)以及空氣傳導(dǎo)，將部分熱量傳遞到壓氣機(jī)內(nèi)所產(chǎn)生的。

通過連接結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的溫度不均現(xiàn)象主要有以下規(guī)律：

①靠近燃燒室一方結(jié)構(gòu)升溫速度以及溫度升高量均大于遠(yuǎn)離燃燒室的一方;②結(jié)構(gòu)外圍部分的溫度升高速度以及升高量均大于結(jié)構(gòu)內(nèi)部;③由于高溫氣體密度較低導(dǎo)致上浮，溫度相對較低的氣體密度較低下降，形成了上熱下冷的不均勻溫度環(huán)境。

由于相同溫度下，結(jié)構(gòu)不均勻的零部件所產(chǎn)生的熱變形量是不同的，而在不同溫度下，結(jié)構(gòu)均勻的零部件產(chǎn)生的熱變形量也是不同的。當(dāng)這兩種情況下的熱載荷疊加在一起后所產(chǎn)生的零部件熱變形量是不可忽略的，由于部分熱蠕動發(fā)生后，即使溫度回歸正常，部分零部件所產(chǎn)生的滑動位移也不一定自動復(fù)原，因此多次熱蠕動現(xiàn)象產(chǎn)生導(dǎo)致的零部件結(jié)構(gòu)錯位足以導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作時產(chǎn)生故障。

1.2.3 轉(zhuǎn)子的熱彎曲現(xiàn)象? 由于壓氣機(jī)內(nèi)溫度升高且溫度變化速度和大小并不均勻，導(dǎo)致了壓氣機(jī)內(nèi)部零部件受熱產(chǎn)生的膨脹量也不同。這種現(xiàn)象發(fā)生在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上時所導(dǎo)致的影響更加直接，由于發(fā)動機(jī)啟動后壓氣機(jī)內(nèi)上下溫度分布不均勻，上熱下冷的現(xiàn)象導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子上部熱膨脹量大于下部，產(chǎn)生一定量的彎曲，即轉(zhuǎn)子的熱彎曲現(xiàn)象。

在現(xiàn)實工作中，由于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲現(xiàn)象受溫度場、外載荷以及自身材料等因素的綜合影響，轉(zhuǎn)子在受熱彎曲后，即使發(fā)動機(jī)完全冷卻到常溫環(huán)境下，也很難完全回到最初始的狀態(tài)。并且在發(fā)動機(jī)長時間運轉(zhuǎn)的條件下轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲現(xiàn)象后很難及時恢復(fù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子還在逐漸消除熱彎曲的過程中發(fā)動機(jī)再次啟動導(dǎo)致壓氣機(jī)內(nèi)部升溫也會使熱彎曲量進(jìn)行疊加導(dǎo)致熱彎曲變形量更大。

另一方面由于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲變形，與靜子結(jié)構(gòu)間隙不均勻的現(xiàn)象加重，提高了轉(zhuǎn)子與靜子的接觸摩擦現(xiàn)象以及碰磨振動現(xiàn)象，即使轉(zhuǎn)子在完全冷卻消除熱彎曲變形后，轉(zhuǎn)子與靜子葉片間由于摩擦振動所產(chǎn)生的的損傷是依然存在的，這些結(jié)構(gòu)損傷若不及時修復(fù)則必然會導(dǎo)致一系列的故障發(fā)生。

2? 應(yīng)對故障的措施

2.1 從減小壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡量方面? 在實際工作情況中，完全消除壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡量是不可能的。但通過生產(chǎn)中改善加工工藝及提高裝配精度可以盡量的降低轉(zhuǎn)子的不平衡量。①盡量保證同一級葉片質(zhì)量相等。②增大壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸承連接的嚴(yán)密程度。③盡量提高零部件的加工精度。④提高轉(zhuǎn)子在平衡機(jī)上的平衡精度。

2.2 降低機(jī)匣變形程度方面? 機(jī)匣在工作一定時間后都會產(chǎn)生一定程度的變形，可以通過降低機(jī)匣變形程度來預(yù)防故障。①縮短對機(jī)匣的檢查以及修復(fù)周期。②對變形的機(jī)匣除形狀的修復(fù)外還應(yīng)對其前后止口進(jìn)行補(bǔ)焊。③通過提高機(jī)匣固定強(qiáng)度來減小機(jī)匣的變形情況。

2.3 從維持轉(zhuǎn)子與靜子同心度方面? 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與靜子的不同心情況因受多種因素的影響是很難避免的，通過多次的、有針對性的檢查可以提前發(fā)現(xiàn)此類問題并及時解決。①通過檢查檢查壓氣機(jī)第一級工作葉片與工作環(huán)之間的間隙是否均勻來推斷壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與靜子的同心程度。②通過轉(zhuǎn)動壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子來觀察各級轉(zhuǎn)子與靜子間是否出現(xiàn)了接觸摩擦的現(xiàn)象，通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動是否順暢來判斷壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子與靜子間的同心程度。

2.4 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸承與軸承座間連接問題? 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸承與軸承座之間出現(xiàn)松動情況也直接影響了轉(zhuǎn)子的正常工作。①在不影響壓氣機(jī)內(nèi)各零部件工作的前提下盡量提高對軸承座的固定程度，避免其產(chǎn)生松動位移。②通過實驗測試軸承與軸承座之間的結(jié)構(gòu)間隙對連接剛度的影響來獲得一個較穩(wěn)定的間隙距離。

2.5 其他措施? 如從制造材料以及制造工藝方面入手來提高轉(zhuǎn)子以及軸承的剛度，使其對碰磨損傷有一定的抵抗能力。提高各級葉片及軸承配合緊度來將發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的振動對系統(tǒng)造成的影響降到最低。

3? 結(jié)語

本文從發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械結(jié)構(gòu)與環(huán)境溫度兩個角度針對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在工作過程中產(chǎn)生的部分故障進(jìn)行了分析。在轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)配合方面，轉(zhuǎn)子軸承與軸承座的結(jié)構(gòu)間隙會使轉(zhuǎn)子軸承產(chǎn)生一定量的徑向位移，而不合理的連接剛度會導(dǎo)致位移量超過安全性許可范圍內(nèi)導(dǎo)致故障的發(fā)生。軸承座的穩(wěn)定性也影響著軸承的平穩(wěn)工作能力。轉(zhuǎn)子本身的生產(chǎn)缺陷以及裝配精度問題也造成了不平衡力的產(chǎn)生，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與靜子在配合工作中產(chǎn)生局部接觸碰磨現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子的連接穩(wěn)定問題也會增大接觸碰磨的嚴(yán)重性從而導(dǎo)致故障的發(fā)生。從環(huán)境溫度方面主要分析了熱蠕動現(xiàn)象下，壓氣機(jī)內(nèi)零部件受不均勻熱應(yīng)力影響產(chǎn)生的不均勻形變導(dǎo)致了零部件間的接觸摩擦，從而對轉(zhuǎn)子等零部件造成損傷。

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