某型發(fā)動(dòng)機(jī)軸承封嚴(yán)圈設(shè)計(jì)改進(jìn)技術(shù)研究

王 雄，王小玨，王恩天

（中航工業(yè)南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，湖南 株洲 412002）

某型發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)使用和廠內(nèi)試車(chē)時(shí),多次出現(xiàn)軸承封嚴(yán)圈(壓氣機(jī)前軸承封嚴(yán)圈、壓氣機(jī)后軸承封嚴(yán)圈及后封嚴(yán)盒)石墨涂層磨損或剝落,封嚴(yán)能力下降的現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)滑油消耗量大的故障，造成發(fā)動(dòng)機(jī)提前返廠維修，影響了用戶的使用，也給企業(yè)帶來(lái)巨大的損失。

石墨封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)作為一種較為典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，在許多航空發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛采用。為有效解決某型發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)部位的故障，本文開(kāi)展了一系列研究工作，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，加工出了改進(jìn)試驗(yàn)件，并將試驗(yàn)件裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試車(chē)考核驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明改進(jìn)措施結(jié)構(gòu)可靠，封嚴(yán)效果良好，滿足設(shè)計(jì)改進(jìn)目的。

1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)原封嚴(yán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)中軸承篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)

某型發(fā)動(dòng)機(jī)中軸承封嚴(yán)結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)中軸承的封嚴(yán)是由空氣流過(guò)內(nèi)篦齒封嚴(yán)裝置(由擋油盤(pán)19、封嚴(yán)套21以及內(nèi)封氣圈7組成)實(shí)現(xiàn)的。

圖1 壓氣機(jī)后軸承封嚴(yán)結(jié)構(gòu)

壓氣機(jī)第10級(jí)后的高壓空氣經(jīng)外、中篦齒封嚴(yán)裝置進(jìn)入，為減小轉(zhuǎn)子軸向力而設(shè)置的卸荷腔B，其壓力在地面起飛狀態(tài)時(shí)由0.745MPa（絕對(duì)壓力）降至約0.245MPa（絕對(duì)壓力）。當(dāng)高壓空氣進(jìn)入B腔后，高壓空氣經(jīng)內(nèi)篦齒封嚴(yán)裝置封嚴(yán)壓氣機(jī)球軸承滑油。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)后軸承篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)

某型發(fā)動(dòng)機(jī)后軸承封嚴(yán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。后軸承封嚴(yán)圈A與封嚴(yán)篦齒B、C共同組成后軸承封嚴(yán)裝置，以防止?jié)櫥瑵L子軸承的滑油流向渦輪部分。

發(fā)動(dòng)機(jī)后軸承封嚴(yán)裝置由后軸承封嚴(yán)圈和篦齒封嚴(yán)裝置組成。燃燒室二股氣流進(jìn)入D腔，然后經(jīng)過(guò)外篦齒封嚴(yán)裝置到達(dá)封嚴(yán)腔E，空氣壓力降為約0.245MPa（絕對(duì)壓力）。E腔空氣分兩路，一路由導(dǎo)管引至調(diào)壓口4，在這里有孔徑可更換的調(diào)整墊3來(lái)控制E腔的壓力；另一路經(jīng)內(nèi)篦齒封嚴(yán)裝置封嚴(yán)滑油，工作過(guò)的空氣穿過(guò)軸承形成油霧，進(jìn)入渦輪軸腔，壓力降約為0.186MPa（絕對(duì)壓力）。

圖2 渦輪軸承封嚴(yán)裝置

發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)長(zhǎng)期使用與工廠交付試車(chē)表明，由于該型發(fā)動(dòng)機(jī)軸承封嚴(yán)采用篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，與篦齒接合的封嚴(yán)面采用噴涂鎳-石墨結(jié)構(gòu)，石墨涂層結(jié)合力偏低，多次出現(xiàn)由于石墨封嚴(yán)涂層磨損或剝落，造成發(fā)動(dòng)機(jī)滑油消耗量偏大的現(xiàn)象。另外，由于篦齒-石墨封嚴(yán)間隙較大（直徑間隙0.12~0.3），造成漏入渦輪軸腔的空氣量偏大，影響了中后軸承抽油泵的回油能力，進(jìn)而影響了發(fā)動(dòng)機(jī)滑油消耗量。

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

參照當(dāng)前國(guó)際上航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)的軸承封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，綜合考慮某型發(fā)動(dòng)機(jī)中、后軸承封嚴(yán)部位的腔壓、結(jié)構(gòu)空間、冷卻油路等，制定了篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)改徑向接觸式石墨封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。

2.1 接觸式石墨封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)介

圖3為擬改進(jìn)采用的徑向接觸式石墨封嚴(yán)環(huán)典型結(jié)構(gòu)示意圖，主要密封構(gòu)件是沿周向分成若干等分弧形段的高精度碳石墨材料密封環(huán)(簡(jiǎn)稱密封環(huán))。碳石墨密封環(huán)的內(nèi)孔表面與裝在轉(zhuǎn)軸上的密封跑道的高表面品質(zhì)、高精度外圓柱面相接觸，構(gòu)成主密封界面，承受高速摩擦。碳石墨密封環(huán)裝在靜子的殼體（稱密封座）內(nèi)，其端面與密封座內(nèi)伸凸邊端面相貼合，構(gòu)成輔助密封界面。碳石墨密封環(huán)與密封跑道的初始接觸負(fù)荷，是靠緊箍在碳石墨分段環(huán)外徑溝槽中的螺旋拉伸環(huán)彈簧（簡(jiǎn)稱周向彈簧）實(shí)現(xiàn)的；與密封座輔助密封端面的初始接觸，是靠螺旋壓縮彈簧或波形彈簧（簡(jiǎn)稱軸向彈簧）實(shí)現(xiàn)的。碳石墨封嚴(yán)環(huán)的各弧形段，以其凹槽坐入密封座輔助密封端面伸出的圓柱止動(dòng)銷(xiāo)上，防止隨密封跑道旋轉(zhuǎn)，但能徑向浮動(dòng)，以適應(yīng)偏心和跟隨跑道跳動(dòng)。

圖3 石墨封嚴(yán)環(huán)密封裝置結(jié)構(gòu)示意圖

碳石墨密封環(huán)的主密封表面和輔助密封表面上，靠近低壓力側(cè)設(shè)計(jì)有密封凸緣、徑向槽與周向槽（簡(jiǎn)稱卸荷槽），將高壓力側(cè)的氣體引到密封凸緣處，以減小氣體作用的接觸負(fù)荷。碳石墨密封環(huán)沿周向的分段數(shù)目，是依據(jù)密封直徑大小和碳石墨材料的強(qiáng)度確定的，段端頭之間留有適量的間隙，以補(bǔ)償磨損和制造、裝配誤差，防止端頭頂死而導(dǎo)致主密封界面出現(xiàn)間隙。XX燃機(jī)采用的是三環(huán)結(jié)構(gòu)，其制造上比單環(huán)結(jié)構(gòu)容易。

接觸式圓周密封成功工作的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，是盡可能降低接觸負(fù)荷和降低摩擦面的溫度。影響接觸負(fù)荷的主要因素是密封的壓差、卸荷程度及依據(jù)轉(zhuǎn)速及跑道徑向特性而確定的圓周彈簧負(fù)荷；影響密封摩擦界面溫度的主要因素有：摩擦生熱量、跑道的冷卻方式與冷卻滑油溫度及碳石墨密封環(huán)、跑道的導(dǎo)熱性能。

2.2 一般使用要求

（1）主要用于軸承腔的轉(zhuǎn)子對(duì)靜子的滑油密封；

（2）按照目前的抗氧化碳石墨的技術(shù)水平，被密封的氣體溫度范圍一般在-220℃~+450℃；

（3）對(duì)于較長(zhǎng)壽命（≤1 000 h）應(yīng)用，被密封的空氣溫度最高不超過(guò)450℃，壓差最高不超過(guò)0.62MPa，滑動(dòng)速度最高不超過(guò)122m/s，但這些參數(shù)不能同時(shí)達(dá)到最高；

（4）不適用于作為軸向密封；

（5）不限制轉(zhuǎn)子的軸向竄動(dòng)；

（6）不應(yīng)經(jīng)受反向壓差；

（7）不應(yīng)在滑油淹沒(méi)狀態(tài)下工作，否則易造成滑油泄漏。

2.3 一般設(shè)計(jì)要求

（1）主密封界面應(yīng)貼合良好，沿圓周密接不間斷，并沿圓周接觸負(fù)荷均勻分布；

（2）輔助密封界面應(yīng)貼合良好；

（3）密封跑道應(yīng)有充足的滑油進(jìn)行冷卻。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)技術(shù)難點(diǎn)

3.1 密封面的冷卻

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，由于石墨封嚴(yán)環(huán)與封嚴(yán)面采取接觸式封嚴(yán)，故摩擦產(chǎn)生熱量較大，一般需要采用專(zhuān)門(mén)的噴嘴對(duì)密封跑道進(jìn)行冷卻。由于某型發(fā)動(dòng)機(jī)本身的滑油流量較大，且受機(jī)匣結(jié)構(gòu)的影響，新增加冷卻噴嘴將導(dǎo)致燃燒室機(jī)匣結(jié)構(gòu)需重新設(shè)計(jì)改進(jìn)，但是改進(jìn)工作量和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)均較大。因此，如何有效解決封嚴(yán)面的冷卻是本設(shè)計(jì)改進(jìn)能否成功的關(guān)鍵。

3.2 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于采用石墨涂層封嚴(yán)的某型發(fā)動(dòng)機(jī)，其涂層較薄，厚度一般僅0.5~1mm，因此，其結(jié)構(gòu)尺寸較小，而徑向接觸式封嚴(yán)所采用的石墨環(huán)，一般厚度要求不小于5mm，且外部還需有提供壓縮的彈簧，其結(jié)構(gòu)尺寸要求較大。如何在保證發(fā)動(dòng)機(jī)其他零件及結(jié)構(gòu)尺寸不受影響的情況下，即與現(xiàn)役某型發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的互換性，優(yōu)化徑向接觸式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)尺寸也是本設(shè)計(jì)改進(jìn)的關(guān)鍵。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)中軸承封嚴(yán)改進(jìn)結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)中軸承石墨封嚴(yán)結(jié)構(gòu)由圖4所示。

圖4 中軸承石墨封嚴(yán)裝置

設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：

（1）為保證封嚴(yán)套與石墨封嚴(yán)裝置的密封效果，石墨封嚴(yán)裝置與封嚴(yán)套之間、封嚴(yán)套與壓氣機(jī)軸之間、石墨封嚴(yán)盒組件與內(nèi)封嚴(yán)盒之間均采用精密配合。

（2）為保證密封跑道的冷卻效果，與石墨環(huán)配合的封嚴(yán)套(即改進(jìn)前的封嚴(yán)篦齒部分)設(shè)計(jì)成“［”形，以引入滑油對(duì)封嚴(yán)面進(jìn)行冷卻。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)后軸承封嚴(yán)改進(jìn)結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)后軸承石墨封嚴(yán)結(jié)構(gòu)由圖5所示中的跑道7和后軸承封嚴(yán)盒組合組成，后軸承封嚴(yán)盒組合包括：后軸承封嚴(yán)圈1、周向彈簧2、石墨環(huán)組件3、擋圈組合4、波形彈簧5、卡環(huán)6。（零件圖片見(jiàn)附圖3及附圖4所示）。

圖5 后軸承石墨封嚴(yán)裝置

設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：

（1）為保證跑道與石墨封嚴(yán)裝置的密封效果，跑道與石墨封嚴(yán)裝置之間、跑道與渦輪軸之間均采用精密配合。

（2）為保證密封跑道的冷卻效果，與石墨環(huán)配合的封嚴(yán)套(即改進(jìn)前的封嚴(yán)篦齒部分)設(shè)計(jì)成“［”形，并在跑道上設(shè)計(jì)8個(gè)油孔,以引入滑油對(duì)封嚴(yán)面進(jìn)行冷卻。

5 試車(chē)驗(yàn)證情況

中后軸承石墨封嚴(yán)結(jié)構(gòu)裝入發(fā)動(dòng)機(jī)后進(jìn)行了試驗(yàn)件磨合試車(chē)和工廠試車(chē)，試車(chē)過(guò)程中監(jiān)控了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值的變化情況，試車(chē)過(guò)程中及順漿停車(chē)、正常停車(chē)尾噴管的冒煙情況，監(jiān)測(cè)了中、后軸承腔壓及軸腔腔壓，測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)滑油散熱量以及滑油消耗量和發(fā)動(dòng)機(jī)正常停車(chē)和順槳停車(chē)后，從后軸承放油開(kāi)關(guān)處放出的滑油量，并記錄了各次發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)余轉(zhuǎn)情況。

從試車(chē)驗(yàn)證結(jié)果表明：

（1）試車(chē)性能數(shù)據(jù)符合某型發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)技術(shù)條件要求；

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)滑油消耗量為0.3 L/h，而改進(jìn)前為0.8 L/h。滑油消耗量明顯改善；

（3）某型發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)前在停車(chē)后常出現(xiàn)尾噴管冒白煙現(xiàn)象,而裝用改進(jìn)后的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，停車(chē)后尾噴管冒白煙現(xiàn)象基本消除；

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)要求、滑油散熱量、滑油流量、余轉(zhuǎn)時(shí)間均符合發(fā)動(dòng)機(jī)工廠及檢驗(yàn)試車(chē)技術(shù)條件要求。

（5）試車(chē)后分解檢查無(wú)異常。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔封嚴(yán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),提出了石墨封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)是合理，其有效改善了中、后軸承部位的封嚴(yán)性能，滿足設(shè)計(jì)改進(jìn)要求，同時(shí)，該結(jié)構(gòu)對(duì)其它發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。