中介轴承导致的高低压转子随动旋转现象

1、中介轴承导致的高低压转子随动旋转现象为了降低重量， 提高推重比， 现代航空发动机普遍采用中介 轴承结构， 即高压转子的后支点支承在低压轴上。 某型航空发动 机采取中介轴承外环随高压转子旋转， 内环随低压转子旋转的支 承方式， 发动机工作时， 由于高压转子转速及环境温度均高于低 压转子，受离心力和温度影响，轴承外环变形量大于轴承内环， 轴承径向游隙向增大的方向变化， 为了保证轴承的稳定工作， 一 般轴承外环和内环配合均选取较大的过盈量， 使装配时轴承处于 游隙较小的状态。 某航空发动机装配时， 摇转高压转子时发现低 压转子存在随动旋转现象， 该现象与轴承的装配游隙为负游隙相 关。1. 故障现象描

2、述某航空发动机装配后进行试验， 出现高、 低压转子随动旋转 现象，表现为当缓慢转动高压转子时（通过上部减速器机匣）， 低压转子出现随动旋转现象，检查分析发现该现象存在以下规 律：（1）高压转子缓慢转动时低压转子出现随动旋转现象，当 转速提高时随动旋转现象消失， 起动机带转冷运转验证也表明该 现象对发动机起动过程无影响。（2）发动机正常工作时，高压转子与低压转子反向旋转，出现随动旋转现象时，高压转子与低压转子同向旋转（3）相比按发动机工作方向即正向旋转高压转子（顺航向 顺时针） ，反向旋转高压转子时更容易出现低压转子随动旋转现 象。（4）通过进气机匣手动两个方向转动低压转子时，高压转 子均不随动

3、旋转， 原因为高低压转子间相互作用力较小， 转动低 压转子时， 不足以造成质量更重的高压转子 （需同时带动上部减 速器和燃、滑油附件转动）随动旋转。（5）对出现高低压转子随动旋转现象的发动机进行分解检 查时发现，当发动机转为竖直状态，缓慢摇转高压转子时，不出 现低压转子随动旋转现象。2. 故障原因分析2.1 结构分析根据高、 低压转子随动旋转的现象分析， 造成高低压同转的 因素应该与高压转子与低压转子存在相互作用的机件相关。某航空发动机高压转子后支点为中介轴承， 外环装配在高压 转子上，内环装配在低涡转子上，高、低压转子反向旋转，高低 压转子之间通过篦齿和蜂窝环、 篦齿和银铜涂层进行等摩擦副进

4、 行封严，从结构看，高、低压转子在冷态（出现同转时）存在互 相作用有两种可能：（1）中介轴承装配后游隙较小，可能造成转动高压时低压 转子随动旋转。2）篦齿、蜂窝（涂层）封严处由于存在磨损形成的毛刺、 蜂窝 /涂层圆度偏大，转子重力和轴承游隙对间隙存在影响等因 素，间隙小点可能在冷态存在相互作用的情况。2.2 相关要素分析（1）轴承装配因素分析某航空发动机中介轴承外环要求配合值为-0.063m m-0.091mm,内环要求配合值为-0.023mm-0.041mm,轴承自由游 隙为 0.06mm0.07mm。轴承内、外环材料均为轴承钢Cr4Mo4V其常温下弹性模量为203.4GPa,对应支承的高涡

5、后轴、低涡轴材料为高温合金 GH4169其常温下弹性模量为 204GPa将轴承内、外环、高涡 后轴、低涡轴均简化为厚度一定的圆环 通过有限元分析法对轴 承内外环以及对应的支承结构的刚度比进行分析 高涡轴与轴承 外环的刚度比为 1.8 低涡轴与轴承内环的刚度比为 2.02 按相 应刚度比计算装配游隙 理论上装配游隙为 -0.026mm0.014mm 对故障发动机中介轴承进行测量计算 装配游隙为-0.019mm-0.025mm 基本处于设计要求的下限状态。进一步复查分析表明轴承外环配合量偏上限是轴承装配游 隙处于要求下限的主要因素 复查发现 为保证轴承的稳定工作 经过有限元分析计算和轴承配合与试验

6、验证情况的关联分析 装 配时将中介轴承外环过盈量由0.063mn0.091m m控制为0.074mm0.091mm 并通过对轴承外环镀铬处理的方式提高轴承 配合紧度 造成轴承外环配合偏上限 装配游隙偏下限。（2）封严间隙影响分析高、低压之间封严处间隙要求最小值基本为0.1mm受机件变形等因素影响后， 不排除间隙小点存在相互作用的可能， 但多 台发动机通过更换相应封严处蜂窝和涂层的方式进行排故， 再次 试车后仍存在高低压同转现象， 同时经试车磨合也无法消除同转 现象，判定高低压同转现象与封严间隙关联不大。2.3 原因分析综合上述因素分析， 发动机高、 低压同转的原因与中介轴承 装配状态下游隙偏下

7、限有关， 在装配游隙较小的情况下， 受重力 影响，中介轴承上部游隙更小，当高压转子缓慢转动时（以顺航 向顺时针为例），由于离心力可忽略，中介轴承外环处一直存在 向下的较大压力， 外环和滚子之间摩擦力较大， 使滚子在正上方 区域内不发生自转， 由外环带动顺航向顺时针转动， 内环对滚子 施加的摩擦力为顺航向逆时针以阻止滚子随外环转动， 则滚子对 内环施加的摩擦力为顺航向顺时针， 当滚子对内环施加的摩擦力 大于低压转子的转动阻力时， 低压转子顺航向顺时针转动， 表现 为与高压转子同向旋转；当高压转子转速增快时，离心力 ?c 重 力的合力造成压力大小和方向的不断变化， 由于不能持续的对内 环施加摩擦力

8、，低压不出现随动现象。而当发动机竖直状态时， 中介轴承不再受向下的正压力影响，所以也不出现低压随动现 象。按设计状态推算，高压转子重量约111kg，质心中心距约 171mm高涡转子重量约138kg，质心中心距约195mm理想状态 下计算离心力，当转速 w=20rad/s，即约192转/min时，离心力 即可抵消重力作用，实际情况下，由于质心中心距更大，转速更 低时离心力即可抵消重力作用，不再发生低压随动现象。3. 故障影响分析从现象分析， 发动机出现高、 低压同转现象后进行过冷运转 验证，验证结果表明该现象对发动机起动无影响。对中介轴承进行检查发现， 轴承外环配合虽然过盈较大， 但 仍在设计要求范围内， 发动机工作时受离心力和热变形影响， 中 介轴承游隙增大，对后续工作不产生影响。该现象只在发动机冷态出现， 体现的应力水平远小于工作过 程中的应力水平和机件的应力许用水平， 不会造成机件的结构性 损伤，对后续工作不产生影响， 综合考虑该现象对发动机使用质 量无影响。结论为保证转子的稳