涡扇发动机转子故障分析

王明芳

摘要：本文针对涡轮风扇发动机转子故障进行分析，通过对比各种发动机转子有关的机械故障来判断发动机转子故障产生的原因，从故障产生原理入手对部分故障提供预防措施。根据机械结构以及温度环境两类引发故障的原因，分别对转子轴承及其连接件的配合问题、由于制造及装配精度问题引发的转子不平衡问题以及转子与静子不同心问题、转子及连接件热蠕动现象与转子热弯曲现象进行了分析。总结出由上述问题所引发的转子碰磨问题、转子弯曲变形问题、零部件松动变形等常见的故障。

关键词：转子;结构间隙;温度场;不平衡响应

中图分类号：V231.96                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）08-0156-02

0  引言

发动机内气流沿压气机轴线产生高振幅、低频率的振荡现象称为发动机的喘振。发动机的喘振导致了发动机内各零部件剧烈振动进而产生碰磨损坏、性能急剧恶化等故障，进而引发了事故的发生。本文针对发动机转子因结构间隙碰磨而发生的故障以及由于发动机工作过程中所产生的温度所影响的转子及相关零部件的材料特性受影响而发生的故障进行分析论证。

1  发动机转子故障分析

1.1 转子轴承配合故障分析

1.1.1 轴承连接刚性非线性原理  图1为轴承外圈与轴承座配合松动剖面图，由图示可以看出滚动轴承外圈与轴承座直接存在着一定的配合间隙，该在实际工作中所产生的磨损振动将影响转子正常工作导致整台发动机产生故障。

图2所示为轴承外圈与轴承座配合松动点的示意图。

由于轴承的拧紧力矩会改变轴承外圈与轴承座表面间的摩擦力，从而改变了两者间的摩擦阻尼，因此轴承外圈与轴承座之间的连接刚度表现出了非线性特征。

1.1.2 拧紧力矩对轴承座相对运动的影响  由于滚动轴承外圈与轴承座之间的拧紧力矩对轴承座产生不可忽视的影响，通过对比不同配合间隙下拧紧力矩对轴承外圈与轴承座之间的相对位移的影响来推断其间的关系。

由力学特性分析，当增大轴承外圈与轴承座之间的拧紧力矩时，外圈与轴承座之间的摩擦系数也随之增大，在不同的配合间隙以及发动机转子不同的转速下，轴承外圈与轴承座之间的相对位移变化也随之减小。

但在实际工作过程中，由于发动机转子转速不断提高，其产生的振动也逐渐变得不可忽视，在超过临界转速时，振动较大，通过增大拧紧力矩来减小轴承外圈与轴承座之间的相对位移效果并不理想。除减小轴承外圈与轴承座间振动与相对位移外，适度的增大拧紧力矩也可减小其他零部件如叶片等振动所产生的影响。

1.1.3 转子的不平衡响应  转子在工作中所受到的不平衡的力或力矩从而产生的振动被称为不平衡响应。在实际生产中，转子自身的不平衡量是无法避免也不受控制的，受材料分布及加工所产生的缺陷影响，相对于理论来说即使及其细小的瑕疵以及装配所产生的精度等问题所产生的不平衡量，在转子高速转动过程中所产生的不平衡响应所引起的转子与静子以及机匣间产生的碰磨都是不可忽略并且极易产生故障的。

由于发动机压气机复杂的结构特点以及苛刻的工作环境，导致了压气机转子的平衡精度很难得到保障。而压气机转子经过在平衡机上平衡后再安装到发动机上更加难以维持平衡。而在实际的数据中可以看出，绝大多数经过平衡机平衡的压气机转子在安装到发动机上后，平衡精度的误差会大大的升高。

1.1.4 转子与静子装配不同心问题  在发动机工作时，压气机转子前后轴颈就会沿径向产生移动，由此导致了发动机转子与静子之间产生装配不同心的现象。由于压气机机匣由薄壁结构经过焊接组成，因此经过一定的使用时间后，机匣会产生一定程度的椭圆变形，随着工作时间的推移，机匣所产生的变形量会越来越大，导致了定位在机匣上的压气机转子的非正常位移量大大增加。

由此可见发动机转静子的装配不同心问题主要來自于两个方面：一是压气机转子本身在机匣上定位并不稳固，在实际工作中会产生一定量的位移。二是由于机匣壁在长时间的使用中会产生一定量的变形情况导致了定位在机匣上的转子产生一定量的相对位移。据统计，翻修过的发动机转子与静子装配不同心问题多于新投入使用的发动机，由此可见此类问题常使发动机产生故障。

1.2 温度场的影响下转子故障分析

1.2.1 温度场对压气机转子的影响  压气机转子的热弯曲量随着温度的升高也在不断地升高，但环境温度对压气机转子的热弯曲量也受外界环境温度的影响，由于机匣内外温差较大，机匣内外的温度交换率也较大，因此压气机转子的热弯曲量也受季节以及天气影响。

由于工作室的高温会影响压气机转子的刚度，使其容易发生热弯曲变形，因此在发动机停车后尽快使压气机转子温度降低到临界温度下，避免其变形量过大，影响其使用寿命。

实际工作中常常采取冷吹措施，在压气机转子温度尚未降下来时强行启动发动机会对转子造成较大的损伤。采用冷吹措施，用温度较低且速度较高的气体冲击转子，使其周围高温气体与低温气体快速交换以达到快速降温的目的。但在冷吹时也要把握好冷气的温度以及速度，避免过低的温度对转子叶片材料的力学性质造成损伤，也避免过高的气体流速对转子叶片造成的冲击过大使其产生弯曲变形。

1.2.2 连接件的热蠕动现象  连接件间温度分布不同，由于热胀冷缩等缘故产生的局部的不均匀的变形量不同，变形量在长期累积后会使各零部件间发生一定的相对位移现象，这种现象被称为热蠕动现象。

在发动机热启动后，压气机内部的温度升高现象主要是因燃烧室温度升高，通过连接结构传导以及空气传导，将部分热量传递到压气机内所产生的。

通过连接结构传导的温度不均现象主要有以下规律：

①靠近燃烧室一方结构升温速度以及温度升高量均大于远离燃烧室的一方;②结构外围部分的温度升高速度以及升高量均大于结构内部;③由于高温气体密度较低导致上浮，温度相对较低的气体密度较低下降，形成了上热下冷的不均匀温度环境。

由于相同温度下，结构不均匀的零部件所产生的热变形量是不同的，而在不同温度下，结构均匀的零部件产生的热变形量也是不同的。当这两种情况下的热载荷叠加在一起后所产生的零部件热变形量是不可忽略的，由于部分热蠕动发生后，即使温度回归正常，部分零部件所产生的滑动位移也不一定自动复原，因此多次热蠕动现象产生导致的零部件结构错位足以导致发动机工作时产生故障。

1.2.3 转子的热弯曲现象  由于压气机内温度升高且温度变化速度和大小并不均匀，导致了压气机内部零部件受热产生的膨胀量也不同。这种现象发生在压气机转子上时所导致的影响更加直接，由于发动机启动后压气机内上下温度分布不均匀，上热下冷的现象导致了转子上部热膨胀量大于下部，产生一定量的弯曲，即转子的热弯曲现象。

在现实工作中，由于压气机转子的热弯曲现象受温度场、外载荷以及自身材料等因素的综合影响，转子在受热弯曲后，即使发动机完全冷却到常温环境下，也很难完全回到最初始的状态。并且在发动机长时间运转的条件下转子发生热弯曲现象后很难及时恢复。当转子还在逐渐消除热弯曲的过程中发动机再次启动导致压气机内部升温也会使热弯曲量进行叠加导致热弯曲变形量更大。

另一方面由于转子产生热弯曲变形，与静子结构间隙不均匀的现象加重，提高了转子与静子的接触摩擦现象以及碰磨振动现象，即使转子在完全冷却消除热弯曲变形后，转子与静子叶片间由于摩擦振动所产生的的损伤是依然存在的，这些结構损伤若不及时修复则必然会导致一系列的故障发生。

2  应对故障的措施

2.1 从减小压气机转子不平衡量方面  在实际工作情况中，完全消除压气机转子的不平衡量是不可能的。但通过生产中改善加工工艺及提高装配精度可以尽量的降低转子的不平衡量。①尽量保证同一级叶片质量相等。②增大压气机转子轴承连接的严密程度。③尽量提高零部件的加工精度。④提高转子在平衡机上的平衡精度。

2.2 降低机匣变形程度方面  机匣在工作一定时间后都会产生一定程度的变形，可以通过降低机匣变形程度来预防故障。①缩短对机匣的检查以及修复周期。②对变形的机匣除形状的修复外还应对其前后止口进行补焊。③通过提高机匣固定强度来减小机匣的变形情况。

2.3 从维持转子与静子同心度方面  压气机转子与静子的不同心情况因受多种因素的影响是很难避免的，通过多次的、有针对性的检查可以提前发现此类问题并及时解决。①通过检查检查压气机第一级工作叶片与工作环之间的间隙是否均匀来推断压气机转子与静子的同心程度。②通过转动压气机转子来观察各级转子与静子间是否出现了接触摩擦的现象，通过转子转动是否顺畅来判断压气机的转子与静子间的同心程度。

2.4 压气机转子轴承与轴承座间连接问题  压气机转子轴承与轴承座之间出现松动情况也直接影响了转子的正常工作。①在不影响压气机内各零部件工作的前提下尽量提高对轴承座的固定程度，避免其产生松动位移。②通过实验测试轴承与轴承座之间的结构间隙对连接刚度的影响来获得一个较稳定的间隙距离。

2.5 其他措施  如从制造材料以及制造工艺方面入手来提高转子以及轴承的刚度，使其对碰磨损伤有一定的抵抗能力。提高各级叶片及轴承配合紧度来将发动机产生的振动对系统造成的影响降到最低。

3  结语

本文从发动机转子的机械结构与环境温度两个角度针对压气机转子在工作过程中产生的部分故障进行了分析。在转子的结构配合方面，转子轴承与轴承座的结构间隙会使转子轴承产生一定量的径向位移，而不合理的连接刚度会导致位移量超过安全性许可范围内导致故障的发生。轴承座的稳定性也影响着轴承的平稳工作能力。转子本身的生产缺陷以及装配精度问题也造成了不平衡力的产生，导致转子与静子在配合工作中产生局部接触碰磨现象，转子的连接稳定问题也会增大接触碰磨的严重性从而导致故障的发生。从环境温度方面主要分析了热蠕动现象下，压气机内零部件受不均匀热应力影响产生的不均匀形变导致了零部件间的接触摩擦，从而对转子等零部件造成损伤。

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