陈玉英
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨 150000
摘要：叶尖间隙损失是通道端壁损失和压气机喘振裕度损失的重要组成部分，这种损失是由动叶和机匣间的间隙造成的。叶尖间隙过大会导致部件效率下降，过小则会影响发动机的工作安全。本文详述了对涡桨发动机压气机转子叶尖封严结构进行改进的过程，以及试车考核过程中出现的故障，可以从中总结出压气机转子叶尖封严结构设计过程中需要重点考虑的问题，为后续相关结构设计改进提供参考。
关键词:转子 叶尖 封严 涂层
1涡桨发动机封严结构改进设计介绍
1.1设计背景
涡桨发动机10级轴流压气机部件结构见图1，转子叶尖采用石墨封严的结构，转子叶片为不带冠叶片。采用的石墨封严涂层涂覆工艺方法为手工涂覆，封严涂层材料由封严涂层粉、涂料等多种原料手工配制而成，其制造工艺落后，涂覆性能欠佳，质量不稳定；同时，涂层的结合力也受基体滚花质量的影响，以上原因导致发动机石墨涂层易脱落。
.png)
图1 涡桨发动机压气机部件结构
该型发动机到寿返厂时，大部分发动机存在压气机工作环、整流环石墨层脱落情况，其中高压级（8～10级）压气机工作环及整流环石墨层脱落现象最为严重。石墨脱落易造成发动机异常响声故障，同时石墨层脱落会导致转静子间隙增大，影响压气机效率乃至整机性能。
随着航空发动机制造技术的发展，手工涂覆封严层已由热喷涂技术所替代，采用热喷涂工艺制造出的涂层结合强度及涂层性能均优于手工涂覆层。为提高封严涂层与机体的结合强度，减少封严涂层脱落，拟将全部或部分手工涂覆石棉涂层改为热喷涂镍石墨涂层。
另外，该发动机石墨涂层基体材料为结构钢，发动机在外场长时间工作后，涂层基体锈蚀严重，无法继续使用，因此计划将涂层基体材料更改为不锈钢，以提高其耐腐蚀性。
由于该发动机曾多次出现过转子偏磨故障，同时，与该发动机结构相似的发动机涂层更改为热喷涂涂层后，也多次出现转子偏磨故障，因此，上述涂层的更改方案需要进行详细论证。
1.2压气机偏磨故障简介
1.2.1故障模式
1982年至1995年，该型发动机连续发生压气机转子偏磨故障，故障发生共计60次，其主要故障模式如下：
①故障发生在发动机热起动过程中，转速约80%左右；故障发生时，从放气活门排出是黑色粉尘和火花，并伴有不同程度的轰鸣声。
②压气机转子叶片叶尖偏磨，即沿圆周连续有1/3左右的叶尖与工作外环的石墨封严涂层刮磨，而工作外环和整流器沿圆周均被均匀地刮掉，严重的已刮到工作外环的钢体。
③严重的偏磨故障，发动机压气机前轴承损坏，保持架与滚子粘连在一起，外环工作面均匀地严重磨伤，而内环偏磨，较轻偏磨故障的轴承完好。
④新品、修理品故障发生前工作时间很短，多数为0小时，仅一次为45小时。
1.2.2故障原因
经分析及计算，认为故障是压气机转子在近临界转速时动响应过大导致的偏磨。
发动机热起动时，由于转子热弯曲、不平衡量过大等原因，导致在临界转速附近时转子偏心程度过大，前支点的弹性支承无法吸收过大的振动，转子前支点绕发动机轴线的旋转与转子绕自身轴线的转速形成同步，从而使压气机转子的部分叶片与石墨涂
.png)
层形成长时间的刮磨，产生大量热量导致叶片烧伤磨损。
图2 压气机转子转动示意图
1.2.3改进措施
针对故障原因，采取了一系列改进措施，主要措施可以分为以下几类：
①减少转子不平衡量以减少转子过临界时的动响应。主要包括严格控制转子动平衡量；提高转子前轴颈上零件的垂直度和平行度；取消前支点轴承内套圈与轴颈的间隙；加严三支点同心度要求；多次热起动时进行攀桨冷运转以减少热弯曲的不平衡力等。
②增加压气机盘鼓连接刚度以减少转子过临界时的动响应。包括加严压气机盘间配合，按上限紧度控制等。
③控制前支点弹性环柔度值及线性度以期压气机转子稳定并平稳地过临界。包括加严控制弹性环的柔度及线性度等。
④控制压气机工作环和整流器封严环对机匣前后止口同心度，保证转静子的径向间隙均匀以减小气动干扰力。主要包括返修发动机压气机机匣补焊8点保证同心，加严工作环、整流环同心及跳动等。
⑤加大压气机1～5级工作叶片与工作环的径向间隙等。
采取以上措施后，发动机偏磨故障已基本得到有效控制，自2011年至今，未发生过压气机偏磨故障。
1.3更换涂层影响分析
从以上偏磨故障介绍中可以看出，导致压气机偏磨故障的主要原因是压气机转子过临界转速时的动响应过大，导致叶片与石墨涂层甚至基体刮磨，以上故障通过贯彻增加转子及支承刚度，增加转子叶尖间隙等措施后，已基本得以解决。
压气机工作环、整流环石墨涂层由手工涂覆石墨涂层更改为热喷涂镍石墨后，叶尖间隙、涂层厚度等均可保持不变，但涂层硬度难免会有一定增加。根据热喷涂镍石墨涂层在其他机型的应用经验，当转子叶尖与镍石墨涂层正常刮磨时，涂层会被刮掉，转子叶尖不会磨损，从而保证较小的转子叶尖间隙。但是，一旦发生偏磨故障，转子局部与涂层间形成严重的刮磨，此时若涂层硬度过高会产生更大的热量，从而导致转子叶片叶尖烧伤甚至磨损。从结构相似的另一型发动机近期连续发生的压气机偏磨故障来看，发动机涂层更改后确实存在以上风险。
1.4涂层改进方案
从压气机偏磨故障的原因及改进措施来看，故障与石墨涂层的质量等无直接关系，但经分析认为，石墨涂层改为热喷涂后，一旦发生压气机转子偏磨现象，新涂层因硬度较高会加重压气机转子的磨损程度。
由于压气机转子前支点为弹性支承，因此，偏磨故障发生后，压气机转子低压级的叶尖旋转半径增加量较高压级更大，低压级转子叶片的磨损程度应更为严重。从之前压气机转子偏磨故障的统计结果也可以看出，多数故障发动机叶片的磨损发生在前8级，9、10级压气机转子叶片磨损的情况很少且磨损程度较轻。而从发动机性能改善方面考虑，由于后2级压气机压力较高，涂层脱落后对性能的影响更大，因此，9、10级压气机石墨涂层更换为热喷涂涂层后对发动机性能的改进程度会比较显著。
因此，综合发动机工作安全性及对性能改进的需求，建议将WJ5系列发动机9、10级压气机工作环、整流环石墨涂层由手工涂覆石墨石棉层改为热喷涂镍石墨，其余各级石墨涂层材料及涂覆方法不变。
1.5基体材料改进
为改善工作后锈蚀问题，计划将涂层基体材料由易腐蚀的10号钢改为不锈钢，经初步分析决定将材料更改为1Cr18Ni9Ti，主要考虑到以下几个方面：
①1Cr18Ni9Ti材料具有良好的塑性、韧性，其屈服极限为196Mpa，与10号钢屈服极限182Mpa相近，是常用板材中屈服极限与10号钢最相近的不锈钢，而我公司用于旋压加工工作环的设备为自行改制，且已工作数十年，其加工能力要求该设备旋压加工的零件材料必须为与10号钢屈服极限相近的材料；
②1Cr18Ni9Ti材料具有良好的焊接性能。发动机工作环与整流环同时更改材料以提高防腐能力，整流环内、外环需要与整流叶片焊接，因此需要选择焊接性能良好的材料，1Cr18Ni9Ti符合该要求；
③与该发动机结构相似的另一型发动机镍石墨工作环材料为1Cr21Ni5Ti,1Cr18Ni9Ti与1Cr21Ni5Ti化学成份、力学性能等非常相似，且均具有良好的韧性、塑性及可焊性；
④1Cr18Ni9Ti材料价格相对较低，易于控制项目成本，且我公司有大量库存及良好的采购渠道，便于采购使用。
1.6试车考核
1.6.1试车结果
贯彻改进方案的发动机进行工厂试车考核，发动机试车参数正常，试车后分解检查时发现压气机第10级转子叶片叶尖与第10级工作环存在局部严重刮磨痕迹。第10级转子叶片叶尖变色烧伤。第10级工作环内表面涂层刮磨后厚度减小、涂层结构相对刮磨前更加平整光滑致密。工作环刮磨石墨处对应外表面铝粉漆受热起泡脱落，基体局部变色，外径局部变小（图3～图5）。更换了新品第10级工作环及变色的第10级转子叶片后的发动机重新进行工厂试车，试车分解检查时再次发现压气机第10级转子叶片叶尖与第10级工作环严重刮磨的情况。转子叶片、工作环变化情况与前次基本相当。
.png)
图3 叶尖变色的第10级转子叶片
.png)
图4 第10级工作环镍石墨涂层刮磨 图5 第10级工作环外侧
1.6.2第10级转子叶片烧伤原因分析
第10级转子叶片叶尖变色，说明其与第10级工作环镍石墨层刮磨产生的热量过多，因此就该热量产生的主要原因进行分析。10级转子叶片叶尖与10级工作环镍石墨层刮磨产生的热量主要影响因素为刮磨深度以及镍石墨层的硬度。
.png)
如图6所示，最大刮磨深度约0.55～0.62，该刮磨深度与发动机到寿返修时的刮磨深度相似，且刮磨最深处镍石墨仍然存在，转子叶片未刮磨到基体。由于发动机石棉石墨工作环未发生过因刮磨石墨导致的叶尖烧伤，因此，根据以上情况分析认为，刮磨深度并非转子叶片叶尖过热的主要原因。
图6 最大刮磨处剖视图
镍石墨的硬度及其含有金属的成分属性对刮磨时产生的热量值有较大影响，硬度越高，刮磨产生的热量越高。未刮磨区域镍石墨硬度理化分析结果显示，10级工作环镍石墨实际硬度HR15Y（42～65），高出设计要求HR15Y（20～40）（由于10级工作环结构所限，镍石墨喷涂时需要通过检测与10级工作环同时喷涂的试块的硬度来保证工作环涂层硬度）。
为验证石墨硬度对刮磨产生热量的影响，进行了模拟转子叶片刮磨镍石墨试验：将1片压气机转子叶片焊接到工装上，在车床上与不同硬度的工作环镍石墨进行刮磨，在刮磨前后分别用红外测温装置测量转子叶片叶尖附近表面温度，测量结果如下：
表1 转子叶片与工作环刮磨模拟试验
.png)
在车床上模拟刮石墨后，转子叶片及工作环温度均升高。由于转子叶片过小，试验中使用的手持式红外测温装置不能固定，测量点不能持续保持稳定位置，因此，无法准确测量出在车床上刮石墨时叶片的精确温度。模拟试验与发动机工作实际工作状态存在一定差异，发动机机工作转速高达15100转/分，远远高于在车床上试验的转速（约200转/分），而且叶片本身的工作环境温度已达到280℃。
通过模拟试验和对比分析可以认为，与工作环镍石墨刮磨后的压气机转子叶片温度明显升高，且与镍石墨硬度较高的工作环刮磨后的压气机转子叶片升温幅度更大。可见，镍石墨与叶片刮磨产生的热量高于手工涂覆石棉石墨涂层与叶片刮磨产生的热量，是导致叶片叶尖烧伤的主要原因。
1.6.3第10级工作环试车后外径变化原因分析
进行第2次试车前，已经对新装配的第10级工作环外径进行了与工装的径向间隙检查，检查结果合格。根据相同的石墨环直径加工装夹方式可以同时排除第10级工作环外径第1次试车时加工超差的可能性，可以判定第10级工作环外径变小是在装配后发动机工作过程中发生的。
①受力分析
第10级工作环装配在压气机匣内，外径与压气机匣的加强筋内径配合定位，在工作温度（最高约280℃）环境下，由于工作环材料的线膨胀系数大于压气机匣材料的线膨胀系数，压气机匣会限制工作环的热膨胀，从而使工作环受到压应力。当压气机转子叶片与工作环发生局部刮磨时，若产生较多的热量且不能及时散出，则会导致工作环刮磨位置温度突增，尺寸继续膨胀受到加强半环的径向挤压，从而产生更大的应力。
②第10级工作环强度计算
为分析第10级工作环工作状态下应力情况，对第10级工作环进行了强度计算。
边界条件：第10级工作环与加强筋半径间隙为0.05。
图7 工作环外径变形位置应力分析
计算结果（图7）表明，当工作环与加强筋共同工作温度达到430℃时，工作环两侧变形位置应力达到其屈服极限。
由于流经工作环的气体温度最高约280℃，而压气机匣外侧直接与大气接触，其温度受大气影响而偏低，因此工作环与压气机匣在工作状态下存在一定温度差。为进一步模拟工作环工作状态的受力情况，在工作环与压气机匣存在一定温差的情况下进行强度计算，并与工作环和压气机匣为相同材料的情况进行对比。计算结果见表2，图8～图10。
表2 不同材料状态下工作环屈服计算
工作环材料 材料屈服极限（MPa） 屈服时工作环与压气机匣温度差（℃）
1Cr18Ni9Ti 196 50
20钢 245 130
图8 工作环材料1Cr18Ni9Ti,压气机匣材料20钢强度计算（温差50℃）
图9 工作环,压气机匣材料均为20钢强度计算（温差130℃）
.png)
图10 工作环,压气机匣材料均为20钢强度计算（温差50℃）
通过计算，在工作环与压气机匣存在温度差的情况下，工作环,压气机匣材料均为20钢时，当温差达到130℃的情况下，工作环发生屈服。当工作环材料1Cr18Ni9Ti,压气机匣材料20钢强度时，温差达到50℃，工作环发生屈服。这是由于不同材料膨胀系数不同（1Cr18Ni9Ti线膨胀系数（1.68×10-5）℃-1，20钢的线膨胀系数为（1.21×10-5）℃-1），同时20钢的屈服极限略高于1Cr18Ni9Ti。
③涂层更改影响分析
为改善发动机涂层脱落问题，将第10级工作环的涂层由手工涂覆石棉石墨更改为热喷涂镍石墨。相对于石棉石墨，镍石墨涂层的硬度较高，另外，在刮磨过程中，受叶尖挤压后，金属镍成分容易粘接到涂层表面，使涂层硬度进一步增加，同时加剧叶尖与石墨的刮磨深度，从而产生大量的热量。
相同的镍石墨涂层在另一型发动机压气机转子外环上有成功的应用经历，但与另一型发动机结构相比，该发动机压气机转子叶片弦长更长（为另一型发动机的2.3倍）且叶片叶尖更厚（为另一型发动机的3倍），因此，在与工作环的刮磨过程中，该发动机由于接触面积大而产生更大的热量。
④刮磨对工作环的影响
转子叶片与工作环刮磨模拟试验中，工作环石墨层被刮磨处镍石墨变得平滑致密，工作环温度升高。而发动机工作转速高达15100转/分，远高于在车床上试验的转速，因此试车时发生刮磨后，工作环温度将升高更多，而工作环本身的工作环境温度已达到280℃。因此，刮磨后工作环温度将高于280℃。
通过模拟试验和对比分析可以认为，与压气机转子叶片刮磨后，工作环的温度明显升高。
1.6.4故障机理
由于工作环与压气机匣材料的线膨胀系数不同，导致发动机工作时工作环受到挤压应力，当镍石墨涂层与叶片刮磨时，产生的热量使工作环局部温度过高，工作环受热膨胀导致其所承受的压应力高于其屈服极限，从而产生塑性变形。
1.7调整方案
为保证工作环的工作可靠性，将1～10级工作环的材料及涂层均更改回原规定状态。
2总结
本文详述了对另一型机压气机转子叶尖封严结构进行改进的过程，以及试车考核过程中出现的故障，可以从中总结出压气机转子叶尖封严结构设计过程中需要重点考虑的问题，为后续相关结构设计改进提供参考。
参考资料
[1] 《航空发动机设计手册 第12册》
[2] 《航空发动机叶尖间隙测量技术》
[3] 《中国航空材料手册（第1卷）结构钢 不锈钢》
[4] 《涂石墨、石棉封严层工艺规范》