基于故障树法的发动机转静子刮磨故障分析

杨洋 张再德

摘 要：航空发动机是当代最精密的机械产品之一[1]，零件数目多，系统复杂，研制期间容易出现故障且故障原因较难排查。本文介绍了某型涡轴发动机转静子刮磨故障现象。通过故障树分析方法，针对性的进行了相关检查工作。结合检查结果对故障机理进行深入研究，并采用整机试验对故障原因进行验证。最终采取相应的措施排除故障。

关键词：发动机转子;卡滞;故障分析

中图分类号：TK407 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）14-0069-02

1 故障描述

某型航空发动机试车时，运行约3小时后突然发出尖锐的异响，发动机振动值迅速上升并超过瞬态限制值，试验台紧急停车。停车后检查发现燃气涡轮转子卡滞。

如图1所示，燃气涡轮叶片、燃气涡轮盘、承力机匣、隔热挡板、燃气涡轮轴承座以及双篦齿封严环形成了一个封闭腔，发动机分解检查发现该封闭腔内有大量金属粉末。双篦齿封严环的大篦齿磨损严重，燃气涡轮转子上的锁片有翻起断裂现象。此外，压气机部件转静子刮磨严重，燃气涡轮转子叶尖有轻微刮磨现象。

2 故障树分析

结合故障现象以及分解检查情况，初步分析认为造成发动机燃气涡轮转子卡滞的主要原因是燃气涡轮转子双篦齿封严环与燃气涡轮轴承座刮磨粘结。为排查刮磨的原因，有必要复查该处加工、设计是否存在异常情况。篦齿间隙偏小、零件原材料不合格、零件疲劳断裂和外来物是可能导致该处刮磨的因素。以双篦齿封严环与燃气涡轮轴承座刮磨为顶事件，绘制故障树如图2所示。

3 故障排查及定位

根据故障树中列出的故障原因，针对设计和加工进行故障排查工作，排查情况如下。

3.1 篦齿间隙

刮磨部位由双篦齿封严环与燃气涡轮轴承座形成2道篦齿配合，小篦齿设计间隙为（0.2～0.3）mm，大篦齿设计间隙为（0.4～0.5）mm[2]。通过复查装机前的精密计量数据，装配时这2处篦齿间隙均控制在设计要求范围内。本次刮磨为大篦齿处，配合间隙大于小篦齒处，可判断转子不存在由于装配或试车引起的不同心导致的偏磨的情况（排除底事件X3）。该发动机是在运转了3小时之后发生的故障，如果是由于间隙偏小引起刮磨，则试车开始时会发生该故障，因此可排除篦齿间隙偏小引起该故障（排除底事件X1、X2）。

3.2 锁片冶金分析

为排除锁片材料缺陷或疲劳导致锁片断裂掉入篦齿间隙后引起刮磨故障，对锁片进行了相关冶金检查。

采用能谱分析方式对锁片进行了化学成分检查，结果符合其设计材料GH93的相关技术条件要求。

对锁片的宏观断口分析表明：断面粗糙，呈灰黑色，存在大量粉末状覆盖物，未见疲劳特征。对锁片的微观断口分析表明：断口形貌为沿晶特征，晶面光滑，未见韧窝、滑移等韧性特征，见图3。

对锁片的金相检查结果表明：锁片翻转部位显微组织奥氏体+碳化物，晶粒度为7级+9级混晶;正常部位显微组织为奥氏体+碳化物，晶粒度均匀为7级，见图4。

通过金相组织、化学成分，锁片材质及冶金质量正常（排除底事件X4）。所有锁片均出现了二次翻转，锁片侧面和翻转面上均粘附了大量GH4169粉末，个别锁片在翻转部位断裂，断面呈沿晶特征，未见疲劳特征，该部位出现7级+9级混晶。通常情况下，材料断裂在晶界的键合力高于晶内，断裂扩展的路径不是沿晶而是穿晶。当环境温度过高时，晶界的键合力被严重削弱，往往在低于正常断裂应力的情况下，被弱化的晶界成为断裂扩展的优先通道而发生沿晶断裂。由此分析认为：锁片翻转开裂是由于局部在高温粉末颗粒经一定径向冲刷力作用下产生的二次翻转和沿晶断裂，不是引起碰磨的直接原因（排除底事件X5）。

3.3 双篦齿封严环冶金分析

为排除双篦齿封严环材料缺陷或疲劳导致结构失效引起刮磨故障，对双篦齿封严环进行了相关检查。

采用化学定量分析方式对双篦齿封严环进行了化学成分检查，结果符合其设计材料GH4169的相关技术条件要求。

对双篦齿封严环的宏观断口分析表明：磨损断裂位于大篦齿处，断面高低差较大，未见疲劳特征，呈连续凹凸状，可见大量粉末覆盖物。对双篦齿封严环的微观断口分析表明：篦齿大部分为磨损特征，被金属粉末覆盖。局部可见断口形貌，微观为沿晶特征，晶面光滑，见图5。

对二级篦齿磨损断裂部位的金相检查表明：断裂部位显微组织为奥氏体+碳化物，δ相全部回溶，晶粒度为7级;正常部位显微组织为奥氏体+δ相+碳化物，δ相呈颗粒、短棒状分布于晶界及晶内，晶粒度为9～10级，见图6。

通过金相组织、成分，双篦齿封严环材质及冶金质量正常（排除底事件X6）。双篦齿封严环二级篦齿部位严重磨损挤压变形，局部断口呈沿晶特征，晶面光滑，未见疲劳特征;磨损断裂部位δ相全部回溶，晶粒明显长大，硬度较正常区域明显偏低，说明双篦齿封严环二级篦齿存在异常磨损超温现象，局部温度达到δ相完全回溶温度（1020℃）。由此说明零件在高速运转情况下，由于异常磨损导致局部超温，晶界弱化，在工作应力、摩擦力和温度共同作用下出现沿晶断裂（排除底事件X7）。

3.4 金属粉末分析

对刮磨形成的金属粉末进行能谱分析，结果表明，金属末中存在3种材料：GH4169、GH93和表面镀铬合金结构钢。形成封闭腔的零件有以下几种材料：FGH95（燃气涡轮盘）、GH4169（双篦齿封严环）、K4163（燃气涡轮轴承座）、1Cr18Ni9Ti（隔热挡板）、K423A（承力机匣）、GH93（锁片），并不存在表面镀铬的合金结构钢零件。因此，不能排除底事件X8。

4 故障机理分析

根据上述分析，不能排除的底事件为X8。分析认为故障原因是由外来物进入该碰磨部位，引起了双篦齿封严环与燃气涡轮轴承座的异常刮磨，随着发动机试车的进行，刮磨出的粉末堆积在篦齿之间，最终导致了双篦齿封严环的严重磨损和锁片的翻转和断裂现象。

由于碰磨部位是封闭腔结构，试车过程中流道中的异物无法进入腔内，因此认为可能带入多余物的环节主要有以下几个过程：

（1）发动机装配过程中，安装燃气涡轮转子和承力机匣组件过程中，工具工装掉块或粘附的多余物掉落在燃气涡轮转子后端面，随着发动机的工作进入篦齿间隙，造成碰磨。（2）发动机分解、检查、转工过程中，多余物掉落在B腔内，发动机装配过程中掉落在燃气涡轮转子和承力机匣组件形成的封闭腔内，随着发动机的工作进入篦齿间隙，造成碰磨。（3）发动机分解、检查、转工过程中，多余物掉落在燃气涡轮转盘和双篦齿封严环的间隙内，随着发动机的工作进入篦齿间隙，造成碰磨。

5 验证情况

将故障损坏的零件更换新件，并按设计值控制篦齿间隙后，复装该发动机进行试车。试车情况正常，并且分解检查未发现燃气涡轮转子双篦齿封严环与燃气涡轮轴承座刮磨现象。

6 结语

故障树分析法，简称为FTA，又称为失效树分析法，是一种以故障树为工具，分析系统发生故障的各种途径，对系统的安全性或可靠性进行评价的一种图形演绎方法[3]。FTA已被国内外公认为是一种对复杂系统进行安全性和可靠性分析的一种好方法[4]。本文采用FTA方法，快速地找出了导致发动机转静子刮磨的原因为发动机装配、分解或转工过程中带来的外来物。在发动机研制过程中，应严格相关过程的过程控制，避免类似故障带来的时间和经济上的损失。

参考文献

[1] 刘长福，邓明，等.航空发动机结构分析[M].西安：西北工业大学出版社，2012.

[2] 某型号燃气发生器涡轮部件冷热态尺寸链计算[R].科研报告，2010.

[3] 周海京，等.故障模式、影响及危害性分析与故障树分析[M].北京：航空工业出版社，2003.

[4] 史定华，等.故障树分析技术方法和理论[M].北京师范大学出版社，1993.