中介轴承导致的高低压转子随动旋转现象

任志远+韦周庆

摘 要：某航空发动机装配后，对通过上部减速器机匣对高压转子进行摇转检查时，多次发现低压转子存在跟随转动现象，通过放大高、低压转子之间摩擦副间隙的方法未排除故障，进一步复查发现故障发动机中介轴承外环过盈量偏大导致轴承装配游隙偏下限，分析认为轴承装配时存在较大的负游隙是同转现象出现的原因，该现象对发动机使用质量无明显影响，控制轴承装配游隙后可以排除。

关键词：中介轴承；自由游隙；装配游隙；同转

中图分类号：V235 文献标识码：A

为了降低重量，提高推重比，现代航空发动机普遍采用中介轴承结构，即高压转子的后支点支承在低压轴上。某型航空发动机采取中介轴承外环随高压转子旋转，内环随低压转子旋转的支承方式，发动机工作时，由于高压转子转速及环境温度均高于低压转子，受离心力和温度影响，轴承外环变形量大于轴承内环，轴承径向游隙向增大的方向变化，为了保证轴承的稳定工作，一般轴承外环和内环配合均选取较大的过盈量，使装配时轴承处于游隙较小的状态。某航空发动机装配时，摇转高压转子时发现低压转子存在随动旋转现象，该现象与轴承的装配游隙为负游隙相关。

1.故障现象描述

某航空发动机装配后进行试验，出现高、低压转子随动旋转现象，表现为当缓慢转动高压转子时（通过上部减速器机匣），低压转子出现随动旋转现象，检查分析发现该现象存在以下规律：

（1）高压转子缓慢转动时低压转子出现随动旋转现象，当转速提高时随动旋转现象消失，起动机带转冷运转验证也表明该现象对发动机起动过程无影响。

（2）发动机正常工作时，高压转子与低压转子反向旋转，出现随动旋转现象时，高压转子与低压转子同向旋转。

（3）相比按发动机工作方向即正向旋转高压转子（顺航向顺时针），反向旋转高压转子时更容易出现低压转子随动旋转现象。

（4）通过进气机匣手动两个方向转动低压转子时，高压转子均不随动旋转，原因为高低压转子间相互作用力较小，转动低压转子时，不足以造成质量更重的高压转子（需同时带动上部减速器和燃、滑油附件转动）随动旋转。

（5）对出现高低压转子随动旋转现象的发动机进行分解检查时发现，当发动机转为竖直状态，缓慢摇转高压转子时，不出现低压转子随动旋转现象。

2.故障原因分析

2.1 结构分析

根据高、低压转子随动旋转的现象分析，造成高低压同转的因素应该与高压转子与低压转子存在相互作用的机件相关。

某航空发动机高压转子后支点为中介轴承，外环装配在高压转子上，内环装配在低涡转子上，高、低压转子反向旋转，高低压转子之间通过篦齿和蜂窝环、篦齿和银铜涂层进行等摩擦副进行封严，从结构看，高、低压转子在冷态（出现同转时）存在互相作用有两种可能：

（1）中介轴承装配后游隙较小，可能造成转动高压时低压转子随动旋转。

（2）篦齿、蜂窝（涂层）封严处由于存在磨损形成的毛刺、蜂窝/涂层圆度偏大，转子重力和轴承游隙对间隙存在影响等因素，间隙小点可能在冷态存在相互作用的情况。

2.2 相关要素分析

（1）轴承装配因素分析

某航空发动机中介轴承外环要求配合值为-0.063mm～-0.091mm，内环要求配合值为-0.023mm～-0.041mm，轴承自由游隙为0.06mm～0.07mm。

轴承内、外环材料均为轴承钢Cr4Mo4V，其常温下弹性模量为203.4GPa，对应支承的高涡后轴、低涡轴材料为高温合金GH4169，其常温下弹性模量为204GPa，将轴承内、外环、高涡后轴、低涡轴均简化为厚度一定的圆环，通过有限元分析法对轴承内外环以及对应的支承结构的刚度比进行分析，高涡轴与轴承外环的刚度比为1.8，低涡轴与轴承内环的刚度比为2.02，按相应刚度比计算装配游隙，理论上装配游隙为-0.026mm～0.014mm，对故障发动机中介轴承进行测量计算，装配游隙为-0.019mm～-0.025mm，基本处于设计要求的下限状态。

进一步复查分析表明轴承外环配合量偏上限是轴承装配游隙处于要求下限的主要因素，复查发现，为保证轴承的稳定工作，经过有限元分析计算和轴承配合与试验验证情况的关联分析，装配时将中介轴承外环过盈量由0.063mm～0.091mm控制为0.074mm～0.091mm，并通过对轴承外环镀铬处理的方式提高轴承配合紧度，造成轴承外环配合偏上限，装配游隙偏下限。

（2）封严间隙影响分析

高、低压之间封严处间隙要求最小值基本为0.1mm，受机件变形等因素影响后，不排除间隙小点存在相互作用的可能，但多台发动机通过更换相应封严处蜂窝和涂层的方式进行排故，再次试车后仍存在高低压同转现象，同时经试车磨合也无法消除同转现象，判定高低压同转现象与封严间隙关联不大。

2.3 原因分析

综合上述因素分析，发动机高、低压同转的原因与中介轴承装配状态下游隙偏下限有关，在装配游隙较小的情况下，受重力影响，中介轴承上部游隙更小，当高压转子缓慢转动时（以顺航向顺时针为例），由于离心力可忽略，中介轴承外环处一直存在向下的较大压力，外环和滚子之间摩擦力较大，使滚子在正上方区域内不发生自转，由外环带动顺航向顺时针转动，内环对滚子施加的摩擦力为顺航向逆时针以阻止滚子随外环转动，则滚子对内环施加的摩擦力为顺航向顺时针，当滚子对内环施加的摩擦力大于低压转子的转动阻力时，低压转子顺航向顺时针转动，表现为与高压转子同向旋转；当高压转子转速增快时，离心力與重力的合力造成压力大小和方向的不断变化，由于不能持续的对内环施加摩擦力，低压不出现随动现象。而当发动机竖直状态时，中介轴承不再受向下的正压力影响，所以也不出现低压随动现象。

按设计状态推算，高压转子重量约111kg，质心中心距约171mm，高涡转子重量约138kg，质心中心距约195mm，理想状态下计算离心力，当转速w=20rad/s，即约192转/min时，离心力即可抵消重力作用，实际情况下，由于质心中心距更大，转速更低时离心力即可抵消重力作用，不再发生低压随动现象。

3.故障影响分析

从现象分析，发动机出现高、低压同转现象后进行过冷运转验证，验证结果表明该现象对发动机起动无影响。

对中介轴承进行检查发现，轴承外环配合虽然过盈较大，但仍在设计要求范围内，发动机工作时受离心力和热变形影响，中介轴承游隙增大，对后续工作不产生影响。

该现象只在发动机冷态出现，体现的应力水平远小于工作过程中的应力水平和机件的应力许用水平，不会造成机件的结构性损伤，对后续工作不产生影响，综合考虑该现象对发动机使用质量无影响。

结论

为保证转子的稳定运行，中介轴承设计状态存在较大的内外环过盈配合，装配状态会产生负游隙，同时装配时对轴承外环配合进行控制造成装配游隙偏向下限，当装配游隙偏下限时，摇转高压转子产生的拖动力会使低压转子跟随转动，这种随动现象体现的应力水平较小，对发动机使用质量无影响。

参考文献

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