某涡轴发动机燃气涡轮转静子叶片轴向刮磨故障分析

卢波 王剑 黄超 吴志锋 李概奇 蒋晓炜

（1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，湖南株洲 412002；3.中国航发南方工业有限公司，湖南株洲 412002）

随着航空技术的飞速发展，人们对航空产品的可靠性要求越来越高，对航空产品的心脏— 发动机的总体质量水平也有了更严格的要求。航空发动机工作条件比较苛刻，具有高温、高压、高转速和高负荷等特点，这对发动机结构设计可靠性提出了非常严格的要求。在科研样机试验阶段，经常会出现转子卡滞[1]、转静子碰磨[2-3]等故障。

某型涡轴发动机在开展210h持久试车以及一系列高空台试验后分解检查，发现燃气涡轮转静子叶片发生轴向碰磨。本文基于故障树法从设计、装配、仿真等方面对叶片轴向碰磨的故障原因进行了分析，并提出了改进措施。

1.故障情况介绍

发动机开展首飞前试验考核，先后在完成了210小时持久试车，在某高空台开展了滑油系统试验、进气畸变等高空台摸底试验，试验后对发动机进行分解检查发现，燃气涡轮二级导向器下缘板与动力涡轮二级转子前鸟嘴径向有刮磨，所有的燃二导均有刮磨痕迹，其中6片刮磨较严重，尾缘尖角存在掉块，燃二动前鸟嘴径向均有刮磨，目视深度0.1～0.2，其中一片刮磨严重存在掉块现象。

2.刮磨原因分析

2.1 故障树建立

针对燃气涡轮二级导向器下缘板刮磨故障，建立故障树，列出了5个可能引起故障的底事件，见图1所示。

图1 缘版刮磨故障树

（1）设计间隙片小X1；（2）装配间隙片小X2；（3）燃二导叶片搭接处缘板径向尺寸变小X3；（4）燃二动叶片搭接处径向尺寸变大X4；（5）燃气涡轮二级盘径向尺寸变大X5。

2.2 故障树底事件排查情况

2.2.1 设计间隙偏小排查（X1）

为了满足空气系统要求，燃气涡轮二级导向器下缘板与燃气涡轮二级工作叶片缘板处有搭接，搭接处的间隙为T设计值为1.4～1.7，如图2所示。复查发动机瞬态变形计算可知：搭接处间隙最小减小0.4mm，如图3所示。根据搭接处的设计值间隙及瞬态变形量，工作中不会发生缘板刮磨，底事件X1可以排除。

图2 涡轮叶片搭接处间隙示意图

图3 T间隙变化随时间历程

2.2.2 装配间隙偏小排查（X2）

经复查发动机首次装配涡燃气涡轮二级导向器下缘板与燃气涡轮二级工作叶片缘板搭接处的间隙T为1.573，满足间隙1.4～1.7的设计要求，底事件X2可以排除。

2.2.3 燃二导叶片搭接处缘板径向尺寸变小（X3）

发动机分解后对燃气涡轮二级导向器组件进行了计量，计量结果见表1所示。根据计量结果可知：燃气涡轮二级导向器叶片搭接处缘板径向尺寸有轻微的变形，没有发生明显的变化，底事件X3可以排除。

表1 燃二导尺寸计量结果

2.2.4 燃二动叶片搭接处缘版径向尺寸变大（X4）

分解后对燃气涡轮二级工作叶片6个流道点及3个截面进行了三坐标扫描。扫描结果显示燃气涡轮二级工作叶片流道点及截面坐标有轻微超差，均无明显变化，底事件（X4）排除。

2.2.5 燃气涡轮二级盘径向尺寸变大（X5）

分解后对燃气涡轮二级转子图4尺寸进行计量，计量结果见表2所示。

表2 燃气涡轮二级转子尺寸计量结果

图4 燃气涡轮二级转子尺寸计量示意图

根据计量结果可知：燃气涡轮二级盘及二级前导流盘发生了径向塑形变形，目视发现燃气涡轮二级盘榫槽发生了向外翻边情况，二级前导流盘上压紧平面有明显的翻边情况，因此对燃气涡轮二级盘榫槽及二级前导流盘进行了三坐标扫描，扫描结果见图5所示。

图5 导流盘型面扫描、榫槽型面扫描

从型面扫描结果可知，燃气涡轮盘榫槽发生了径向塑形变形，最大变形量0.66，二级前导流盘压紧平面有明显的翻边现象。底事件X5无法排除。

2.3 故障树排查分析结论

通过对故障树的底事件排查，可以排除下列4个底事件：

（1）设计间隙偏小X1；

（2）装配间隙偏小X2；

（3）燃二导叶片搭接处缘版径向尺寸变小X3；

（4）燃二动叶片搭接处缘版径向尺寸变大X4。

不能排除下列1个底事件：

燃气涡轮二级盘径向尺寸变大X5。

2.4 缘板刮磨故障机理分析

从故障底事件排查可知，燃气涡轮盘榫槽发生了径向塑形变形，最大变形量0.66，二级前导流盘压紧平面有明显的翻边现象。

故障机理：

根据计量发现，二级导流盘盘缘的压紧边存在向左翘曲变形，篦齿伸长导致间隙由0.3mm减小至0.02mm。二级涡轮盘榫槽向外径变形。

经热天起飞状态下的空气系统分析，初步认为，二级导流盘压紧面在异常翘曲情况下，不能很好地封严涡轮盘缘，形成泄漏间隙，使得级间冷气从榫接结构间隙泄漏至二级盘后腔，不能有效封严级间燃气，导致部分燃气倒灌，并从榫头非工作面间隙泄漏，加热榫槽和导流盘源，超温后导致榫槽和导流盘轮缘异常变形。计算的数据见表3。

表3 正常条件与导流盘变形的影响分析结果对比

可以看出，在导流盘缘翘曲变形和篦齿变形发生泄漏后，存在0.50%的燃气倒灌，使得级间腔温升高至885℃，从而导致榫槽和导流盘缘温度上升，发生变形致篦齿间隙缩小，进一步加剧燃气倒灌（0.74%），级间腔温进一步上升至961℃，最终导致结构明显变形。

3.缘板刮磨解决措施

根据上述故障原因分析导致燃气涡轮二级盘径向尺寸变大（X5），针对缘板刮磨进行如下改进：

（1）对级间导流盘包括一级后导流盘及二级前导流盘在图样上压紧平面提平面度0.02的要求，并设置为重要要素尺寸；

（2）在燃气涡轮转子装配过程中，在不装配叶片的情况下，用塞尺（不大于0.02）检查级间导流盘与燃气涡轮盘的贴紧情况。

4.结论

通过故障树梳理方法的分析排查，确定某型发动机燃气涡轮转静子轴向刮磨的原因是

二级前导流盘与燃气涡轮二级盘的压紧平面不够平整，以及在装配过程中，没有保证级间导流盘与燃气涡轮盘的贴紧情况。

贯彻了改进措施后，几台整机分别开展了持久试验，其中1台经过了60小时长试，2台经过了150小时长试，2台经过了1000小时长试，均没有发生缘板刮磨故障。

经过全面攻关，完善设计、改进工艺，使研制中出现的缘板刮磨和级间导流盘裂纹问题得到了控制，攻关的效果需要在后续的状态鉴定性能试验中得到了进一步的验证。