某航空发动机输出轴卡滞问题分析

李欣

（海装驻常州地区军事代表室，江苏常州213022）

0 引 言

某航空发动机大修交付外场后，进行地面调整试车时，发动机达到空中慢车转速稳定后拉回地面慢车转速停留约2 min，停车后，盘转输出轴转子有轻微卡滞，并有异常响声；发动机冷却后盘转输出轴无异常。发动机在前两次地面调整试车时均无异常。

为进一步检查发动机工作情况，后续又对该发动机进行了3次地面试车，其中前2次检查均正常。第3次地面试车时，发动机在空中慢车转速附近停留10 min，拉回地面慢车转速转速稳定2 min左右,停车后立即反向盘转该发动机和另一台发动机输出轴，另一台发动机无异常，该发动机有轻微卡滞，增加盘转力后卡滞现象消失。输出轴停止转动后重新盘转，无卡滞现象。

1 问题定位

1.1 发动机有关结构

某型涡轴发动机自由涡轮部分主要包括两级自由涡轮及与其相连的减速器，还有将燃气排向大气的排气管。自由涡轮转子支承在减速器机匣的两个滚动轴承上，前端由篦齿和篦齿封严环保证封严油气，少量漏到篦齿封严环中间腔的油气将经通气管接至滑油箱。由篦齿封严环来封严沿轴线方向流动的燃气。一个套齿固定在涡轮轴上，套齿把转矩传给自由涡轮减速器。减速器位于发动机的后部，在其后面驱动输出轴，在前面带动附件传动盒内的传动机构。

1.2 建立故障树

结合以往发动机卡滞故障分析的有关经验，分析发动机结构，输出轴轻微卡滞可能与转子、静子刮磨有关，也可能与篦齿刮磨或轴承有关，或者与某些齿轮、花键间隙过大导致输出轴转动滞后有关。按照装备质量问题处理的有关要求，采用故障树分析方法，列出发动机输出轴卡滞现象底事件，如图1所示。

图1 输出轴卡滞故障树

发动机工作过程中，自由涡轮一级导向器可能与一、二级转子叶尖刮磨；自由涡轮二级导向器上的篦齿可能与转子圆弧端齿外径刮磨；篦齿封严环可能与自由涡轮轴刮磨，如图2所示；从动齿轮上的挡油环及篦齿封严环可能与后盖刮磨，如图3所示。

1.3 发动机返厂后进行的工作

1.3.1 台架试车及检查

发动机返厂后盘转自由涡轮转子，自由涡轮转子与自由涡轮一级、二级导向器之间无卡滞或异响。测量自由涡轮二级转子与一级导向器径向间隙，符合发动机装配要求。

图2 篦齿封严环与自由涡轮配合示意图

图3 从动齿轮配合示意图

发动机上台架进行试车，在地面慢车转速和空中慢车转速分别停留2 min，再将发动机转速提高1000 r/min并停留15 min，拉回油门杆至地面慢车转速，停留1 min后停车，发动机试车过程中工作正常，燃气涡轮转子自转时间符合指标要求，停车后立即盘转自由涡轮转子，无卡滞现象。

1.3.2 分解检查

1）分解发动机后段，取出自由涡轮转子，转子叶尖无任何刮磨痕迹，自由涡轮轴与篦齿封严环相配合的轴径有轻微刮磨痕迹，沿周向约1/4圆周，未见深度。2）分解取出篦齿封严环，发现大篦齿封严环无刮磨痕迹，两处篦齿封严环均有刮磨痕迹，部分篦齿表面见轻微金属色。3）分解取出后盖、封严篦齿、挡油环，发现后盖与封严篦齿、挡油环均有刮磨痕迹；后盖半边内环内孔与封严篦齿刮磨，另外半边外环面与挡油环内孔刮磨。4）分解取出后段所有轴承，轴承转动灵活，轴承游隙均合格。5）轴承与其余零部件目视检查未见异常。

1.3.3 计量情况

1）计量篦齿封严环、后盖、封严篦齿等配合尺寸，均满足发动机装配要求。2）对发动机后段传动零部件的进行计量，除主动齿轮与从动齿轮中心距比图样要求偏小0.005～0.028 mm、主动齿轮与齿轮轴中心距比图样要求偏小0.026 mm外，其余尺寸计量结果均合格。

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1.4 底事件排查

结合发动机台架试车及分解检查情况，通过计量等方法，对故障树的15个底事件进行了全面的排查，自由涡轮轴与其配合的篦齿刮磨、后盖与其配合的篦齿刮磨、后盖与挡油环刮磨3个底事件无法排除。

通过目视检查发现，自由涡轮轴与篦齿封严环产生的刮磨痕迹较轻，后盖与封严篦齿、后盖与挡油环产生的刮磨痕迹相对较重，且后盖处的封严篦齿装配在从动齿轮轴颈处，而从动齿轮通过内花键与输出轴直接相连。此处刮磨更易引起输出轴卡滞，因此分析认为后盖与挡油环、封严篦齿刮磨是输出轴卡滞的主要原因。

2 机理分析

2.1 故障机理

结合修理经验，该型发动机后盖与挡油环、封严篦齿经常存在不同程度的刮磨，根据发动机修理规范，这种刮磨是可接受的，只要相关尺寸符合要求，零件修理后可继续使用。该发动机在上次返厂大修过程中自由涡轮轴处篦齿封严环、后盖、后盖处封严篦齿、挡油环均未更换，只进行了检查及修理。

发动机工作时滑油温度会升高，因后盖材料的线膨胀系数大于挡油环的线膨胀系数，此时挡油环与后盖间隙将会减小，100 ℃情况下单侧间隙最小为0.056 mm，再加之零件存在形位公差，后盖与挡油环在工作中极易刮磨且比后盖与封严篦齿更易发生刮磨。

本次外场发生输出轴卡滞问题时，发动机刚刚停车，此时内部温度较高，后盖与挡油环间隙较小，若输出轴因不同轴稍有倾斜即有可能发生刮磨。

查看厂内其它返修发动机后盖与挡油环的配合情况，发现也存在刮磨现象，由于刮磨导致后盖局部变形并产生毛刺，从而产生刮磨后尺寸大于新件尺寸的情况。计量后盖新件，尺寸在合格范围内，因此可以推测外场使用环境较为严酷，发动机在工作过程中，后盖与挡油环刮磨较为严重。

计量多台返修发动机后盖与挡油环配合间隙为0.31～0.46 mm，而图样要求为0.200～0.308 mm。可以看出，返修机后盖刮磨后与挡油环间隙大于图样配合间隙，随着使用时间的增加，后盖与挡油环的间隙将逐渐增加，刮磨现象会逐渐消失。

根据底事件排查结果及分析可知，外场发生的发动机输出轴卡滞的主要原因是后盖与挡油环及封严篦齿刮磨。在厂内试车过程中，发动机经过磨合后转子与静子之间不会再发生刮磨并引起卡滞，但外场装机后发动机刚刚停车时温度相对较高，导致后盖与挡油环之间间隙局部变小、刮磨并引起输出轴转动不灵活。

2.2 小结

某发动机外场输出轴卡滞现象的主要原因是后盖与封严篦齿、挡油环刮磨，产生刮磨的原因主要有以下两点：1）发动机工作过程中后盖与挡油环配合间隙较小，且有不同程度的线性膨胀，导致配合间隙进一步减小，导致刮磨严重；2）发动机工作过程中后盖受热局部变形，导致其与封严篦齿、挡油环间隙局部变小，引起刮磨。

根据外场使用经验及发动机返厂分解检查情况,刮磨不影响发动机外场使用安全。

3 后续措施

1）厂内发动机试车前后均盘转输出轴转子，尤其是停车后立即检查输出轴的转动灵活性，如有卡滞要及时处理。2）细化发动机修理技术规范，注意后盖与挡油环的配合间隙，确保发动机出厂时输出轴无任何卡滞。

4 结 语

完善修理要求后，经发动机台架试车及外场使用验证，未再有卡滞问题出现，证明该措施有效，可保证装备的正常使用。