航空發(fā)動機(jī)軸向力反向偏小故障分析

鄒 咪，馬建棟，梁津華，徐連強(qiáng)

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

1 引言

軸向力作為航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計要素，貫穿發(fā)動機(jī)設(shè)計、使用全過程。軸向力過大或超負(fù)荷會導(dǎo)致軸承損傷，而過小甚至反向會導(dǎo)致軸承輕載，發(fā)生打滑損傷。為此一般在發(fā)動機(jī)方案設(shè)計階段設(shè)置了軸向力調(diào)整方法。目前國內(nèi)外發(fā)動機(jī)軸向力調(diào)整方法一般有三種：①壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子的軸向力互抵，如CFM56 系列，GE90 系列；②通過合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計改變內(nèi)腔壓力或調(diào)整內(nèi)腔橫截面積；③設(shè)置卸荷腔。其中，設(shè)置卸荷腔是一種常見且有效的軸向力調(diào)整方法，在國內(nèi)外發(fā)動機(jī)設(shè)計中屢見不鮮。

發(fā)動機(jī)軸向力主要通過兩種方法獲?。阂环N是直接測量法，主要通過傳感器直接測量發(fā)動機(jī)軸向力。如張春月等針對具體發(fā)動機(jī)設(shè)計了相應(yīng)的傳感器測量發(fā)動機(jī)軸向力。但這種傳感器測量法都基于發(fā)動機(jī)具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，不同發(fā)動機(jī)的傳感器結(jié)構(gòu)不同，實(shí)際應(yīng)用受限。另一種是間接測量法，包括空氣系統(tǒng)計算法和分析航空球軸承的接觸印痕法。其中空氣系統(tǒng)計算法貫穿于發(fā)動機(jī)設(shè)計和研制的各個階段。該方法是通過壓氣機(jī)、渦輪等主流道氣動力以及空氣系統(tǒng)各腔室壓力產(chǎn)生的載荷綜合計算獲得，具有相對簡單、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但計算結(jié)果的準(zhǔn)確度有賴于主流道氣動力和空氣系統(tǒng)各腔壓的準(zhǔn)確性。受加工制造及發(fā)動機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)的影響，空氣系統(tǒng)計算結(jié)果存在一定偏差，需要根據(jù)試車數(shù)據(jù)對計算模型進(jìn)行標(biāo)定。如呼艷麗等提出一種根據(jù)試車時空氣系統(tǒng)腔壓測試數(shù)據(jù)以及預(yù)旋噴嘴和封嚴(yán)篦齒的流量特性，來修正發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)相關(guān)流路元件的流阻計算模型，從而提高空氣系統(tǒng)計算精度。該方法不僅可以發(fā)現(xiàn)單臺發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中存在的問題，預(yù)估后續(xù)試驗(yàn)中的風(fēng)險，而且還可獲得相近工況發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)的實(shí)際流動特性，為準(zhǔn)確計算發(fā)動機(jī)軸向力提供基礎(chǔ)。

本文應(yīng)用空氣系統(tǒng)計算方法，針對某型發(fā)動機(jī)試車軸向力偏低且反向的故障，通過對篦齒間隙進(jìn)行敏感性分析，確定了故障發(fā)生的原因和機(jī)理。據(jù)此提出了增大壓氣機(jī)后軸頸篦齒間隙、配合增大卸荷腔排氣面積的解決措施，并通過整機(jī)試車進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 故障概述

為使發(fā)動機(jī)在工作包線內(nèi)滿足軸承載荷要求，通常在空氣系統(tǒng)中設(shè)置卸荷腔流路，通過改變流路中封嚴(yán)元件尺寸及排氣面積等對軸向力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。某型發(fā)動機(jī)在地面試車過程中發(fā)現(xiàn)卸荷腔壓力偏離設(shè)計值較多，且高壓相對換算轉(zhuǎn)速為96%時，卸荷腔壓力較設(shè)計狀態(tài)降低約200 kPa。經(jīng)軸向力專業(yè)評估，該狀態(tài)下由于卸荷腔壓力異常偏低，導(dǎo)致軸向力反向約1 600 daN，若發(fā)動機(jī)長期處于這種情況工作，將嚴(yán)重影響軸承壽命。圖1 為該型發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)卸荷腔流路示意圖。從1腔來流的4級氣與2 腔來流的壓氣機(jī)末級氣在3 腔相互摻混后經(jīng)擴(kuò)壓器支板排出發(fā)動機(jī)。

圖1 卸荷腔流路示意圖Fig.1 The flow path of unloading-cavity

3 故障分析

以卸荷腔壓力異常偏低為頂事件建立故障樹，如圖2所示。導(dǎo)致卸荷腔壓力異常偏低的原因可能有：引氣壓力異常偏低，階梯篦齒間隙過小，后軸頸篦齒間隙過小，卸荷腔排氣面積過大。經(jīng)過對試車數(shù)據(jù)復(fù)查，排除引氣壓力異常偏低的底事件。同時對階梯篦齒、后軸頸篦齒、卸荷腔排氣尺寸開展設(shè)計復(fù)查，并根據(jù)實(shí)際試車數(shù)據(jù)標(biāo)定篦齒工作間隙。復(fù)查及標(biāo)定尺寸如表1 所示，可見階梯篦齒和壓氣機(jī)后軸頸篦齒工作間隙明顯小于設(shè)計值；卸荷腔排氣面積實(shí)際值與設(shè)計值一致，可以排除該底事件。

圖2 故障樹簡圖Fig.2 The scheme of fault tree

表1 尺寸復(fù)查及標(biāo)定結(jié)果Table 1 The result of size checking and calibration result

為明確卸荷腔壓力異常偏低的原因和機(jī)理，就階梯篦齒和后軸頸篦齒間隙變化對卸荷腔壓力、溫升的影響進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果分別如圖3、圖4 所示。圖中，綠色標(biāo)示點(diǎn)為設(shè)計點(diǎn)。由圖3可看出，階梯篦齒間隙每減小0.1 mm，卸荷腔壓力降低約130 kPa，卸荷腔壓力對階梯篦齒間隙變化比較敏感；當(dāng)階梯篦齒間隙小于設(shè)計值時，流經(jīng)階梯篦齒的氣流溫升明顯增大，變化較敏感。由圖4可看出，后軸頸篦齒間隙每減小0.1 mm，卸荷腔壓力降低約35 kPa，卸荷腔壓力對后軸頸篦齒間隙的敏感性較階梯篦齒的敏感性有所降低；當(dāng)后軸頸篦齒間隙小于設(shè)計值0.2 mm 后，壓氣機(jī)鼓筒溫升明顯變大，從而導(dǎo)致階梯篦齒間隙進(jìn)一步減小。根據(jù)卸荷腔壓力對階梯篦齒間隙變化比較敏感，以及壓氣機(jī)后軸頸篦齒工作間隙明顯偏小后會導(dǎo)致壓氣機(jī)后軸鼓筒產(chǎn)生明顯溫升情況可知：該發(fā)動機(jī)卸荷腔壓力異常偏低是由于壓氣機(jī)后軸頸篦齒工作間隙明顯小于設(shè)計值，導(dǎo)致鼓筒溫升明顯，從而使階梯篦齒溫度升高，階梯篦齒工作間隙隨之減小，由此造成卸荷腔壓力異常偏低。

圖3 卸荷腔壓力和溫升隨階梯篦齒間隙的變化Fig.3 The sensitivity analysis of pressure and temperature rise about stepped seal

圖4 卸荷腔壓力和溫升隨后軸頸篦齒間隙的變化Fig.4 The sensitivity analysis of pressure and temperature rise about compressor rear axle neck seal

4 排故措施及驗(yàn)證

采取增大壓氣機(jī)后軸頸篦齒間隙、配合增大卸荷腔排氣面積的調(diào)整措施，在保證其余節(jié)流及封嚴(yán)元件尺寸不變的情況下，降低壓氣機(jī)后軸鼓筒溫升，從而增大階梯篦齒間隙，使卸荷腔壓力有所增大。圖5 給出了調(diào)整后的發(fā)動機(jī)整機(jī)地面試車測量結(jié)果?？梢钥闯觯赫{(diào)整后的卸荷腔壓力較調(diào)整前的提高約170 kPa；相同地面試車96%換算轉(zhuǎn)速時，調(diào)整后的軸向力較調(diào)整前的增大約2 700 daN。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了調(diào)整措施的有效性。

圖5 調(diào)整前后試車結(jié)果對比Fig.5 The result comparison before and after adjustment

5 結(jié)論與思考

從發(fā)動機(jī)試車時發(fā)生的卸荷腔壓力異常偏低導(dǎo)致軸向力反向偏小的問題著手，通過設(shè)計復(fù)查、封嚴(yán)元件尺寸標(biāo)定、敏感性分析，確定問題原因是由于壓氣機(jī)后軸頸篦齒工作間隙明顯小于設(shè)計值，導(dǎo)致鼓筒溫升明顯，使階梯篦齒溫度升高，階梯篦齒工作間隙隨之減小，由此造成卸荷腔壓力異常偏低所致。提出了增大壓氣機(jī)后軸頸篦齒間隙、配合增大卸荷腔排氣面積的調(diào)整措施，并通過了發(fā)動機(jī)試車驗(yàn)證。形成如下建議：

(1) 卸荷腔流路匯集壓氣機(jī)4 級和末級引氣，引氣溫度較高，應(yīng)考慮相關(guān)篦齒工作間隙不能過小，以免導(dǎo)致流路溫升過大的經(jīng)驗(yàn)，值得在發(fā)動機(jī)設(shè)計時借鑒。

(2) 卸荷腔壓力異常偏低導(dǎo)致軸向力反向偏小的排故流程建議為：①通過設(shè)計復(fù)查完成故障樹排查；②根據(jù)引、排氣封嚴(yán)元件實(shí)際尺寸標(biāo)定和相關(guān)元件的敏感性分析完成故障原因定位，明確故障機(jī)理；③結(jié)合故障原因制定調(diào)整措施；④通過發(fā)動機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證調(diào)整措施的有效性。