GTCP85—129H渦輪軸承腔壓力大故障原因淺析

許興德

摘要：為了減少GTCP85-129H APU在使用和維修過程中因渦輪軸承腔壓力大故障導(dǎo)致的返廠和返臺，對幾起故障案例進(jìn)行機(jī)理分析，發(fā)現(xiàn)渦輪軸承腔壓力大與APU的故檢、修理、裝配、運(yùn)輸和使用都有緊密聯(lián)系，由此建議在APU的維修、運(yùn)輸和使用過程中采取相應(yīng)的預(yù)防性措施來降低故障率。

關(guān)鍵詞：APU；渦輪軸承腔；封嚴(yán)組件；氣塞

1 概述

GTCP85-129H型APU是配備在波音737-300/400/500飛機(jī)上的輔助動力裝置，主要作用是向飛機(jī)空調(diào)、客艙增壓系統(tǒng)以及在起動主發(fā)時提供引氣，并在空中向飛機(jī)供電。GTCP85-129H的渦輪軸承腔壓力是不可調(diào)節(jié)的。手冊要求，該型APU翻新后渦輪軸承腔壓力應(yīng)為0～-25inHgG，修后渦輪軸承腔壓力應(yīng)為+4～-25inHgG[1]。自該型APU開始修理以來，渦輪軸承腔壓力高一直是其面臨的重復(fù)性高、發(fā)生數(shù)量多、排除難度大的故障。渦輪軸承腔壓力大到一定程度就會出現(xiàn)尾噴管冒白煙的情況。

本文在不考慮滑油泵等外部附件因素影響的情況，對APU本體零件因素引起的渦輪軸承腔壓力大進(jìn)行探討。

2 案例介紹

1） P-100926裝配后試車時渦輪軸承腔壓力為+21inHgG，并且出現(xiàn)尾噴冒白煙情況。返臺后更換渦輪軸承前后封嚴(yán)，再試車，軸承腔壓力仍然達(dá)到+17.5inHgG左右。更換二級葉輪后試車，軸承腔壓力穩(wěn)定在+llinHgG以內(nèi)，再次更換渦輪軸承前封嚴(yán)，試車合格。

2） P-100892裝配后試車，起動后運(yùn)轉(zhuǎn)過程中渦輪軸承腔壓力從2inHgG開始升高，升至+lOinHgG時發(fā)動機(jī)集氣腔周圍出現(xiàn)大量白煙，停車。返臺換新渦輪軸承前后封嚴(yán)，重新裝配后再次試車，故障消失，試車順利。

3） P-100555試車時集氣腔及尾噴管冒白煙，尾噴部位漏滑油，渦輪軸承腔壓力為+3 linHgG。更換渦輪軸承前后封嚴(yán)，故障排除。

4） P-100930裝配后試車，渦輪軸承腔負(fù)壓力，起動達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，出現(xiàn)氣流聲音異常，隨后渦輪軸承腔壓力從3inHgG瞬間變?yōu)榇蟮恼龎?，出現(xiàn)大量白煙。更換二級葉輪和多個附件，故障依舊，更換燃油噴嘴后故障消除。

5） P-100449裝配后試車，渦輪軸承腔壓力大于+lOinHgG，更換二級葉輪、間隔圈和渦輪軸承前后封嚴(yán)，重新試車，渦輪軸承腔壓力緩慢上升至+lOinHgG。再次分解，發(fā)現(xiàn)二級葉輪軸頸不夠光潔，渦輪軸承座襯套孔表面有劃痕。更換二級葉輪，對渦輪軸承座襯套孔表面拋光，裝配后試車，一次性合格。

6） P-100798裝配后試車，起動過程中大量冒白煙。分解后發(fā)現(xiàn)二級葉輪軸頸和渦輪軸承前封嚴(yán)殼體嚴(yán)重?fù)p壞。經(jīng)仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)是新品封嚴(yán)自身裝配錯位不合格所致。更換二級葉輪和封嚴(yán)，裝配后試車，合格。

3 案例分析

從上述的6起渦輪軸承腔壓力大冒白煙故障案例來看，初始故障件可分為三類：第一類是渦輪軸承腔的封嚴(yán)，第二類是第二級壓氣機(jī)葉輪，第三類為燃油系統(tǒng)附件。

第一類包括P-100892、P-100555和P-100798，這三臺APU的渦輪軸承封嚴(yán)是初始故障件。P-100892和P-100555的封嚴(yán)自身質(zhì)量沒有問題，而是由于運(yùn)輸過程中沒有對APU采取很好的防振、減振等保護(hù)措施，損壞了渦輪軸承的碳封嚴(yán)環(huán)所致。P-100798則是渦輪軸承封嚴(yán)自身質(zhì)量有問題（支撐組件與殼體錯位），導(dǎo)致整個封嚴(yán)組件裝配到APU軸承座上后，其碳封嚴(yán)環(huán)的中心大大偏離了轉(zhuǎn)動組件的轉(zhuǎn)動中心。而APU裝配時由于認(rèn)為是庫房領(lǐng)出的新品而沒有對其進(jìn)行仔細(xì)檢查，導(dǎo)致返臺故障，而且損壞了第二級壓氣機(jī)葉輪軸。

第二類包括P -100926和P-100449，這兩臺APU的第二級壓氣機(jī)葉輪是初始故障件，由于壓氣機(jī)葉輪軸上與封嚴(yán)環(huán)配合的軸頸表面粗糙，造成碳封嚴(yán)環(huán)內(nèi)徑工作面在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時迅速被磨損，導(dǎo)致封嚴(yán)失效。這類故障件的特點(diǎn)是零件缺陷特征不明顯，對于經(jīng)驗(yàn)不足的故檢人員來說，往往看不出與碳封嚴(yán)配合的第二級葉輪軸表面是否足夠光潔。因此，發(fā)生這種故障在這種機(jī)型修理逐漸走向成熟的過程中是不可避免的。

第三類為P-100930，燃油附件噴嘴是初始故障件。由于噴嘴噴霧不均，與空氣混合后燃燒不均勻，使渦輪盤軸組件產(chǎn)生軸向串動和徑向振動，渦輪封嚴(yán)的軸向和徑向工作面的封嚴(yán)功能被頻繁破壞而封不住油和氣，同時伴隨有類似喘振的聲音。這種情況下碳封嚴(yán)只是暫時失效而并未受到損傷，當(dāng)串動和振動消除后，封嚴(yán)恢復(fù)正常。

4 故障形成機(jī)理

4.1 渦輪軸承腔的構(gòu)造及封嚴(yán)的作用

渦輪軸承腔的構(gòu)造如圖1所示，由渦輪軸承座、渦輪軸承前封嚴(yán)、渦輪軸承后封嚴(yán)、第二級葉輪后端軸頸、渦輪軸承間隔套構(gòu)成的一個封閉空間。

高壓滑油區(qū)域：高壓滑油進(jìn)油管經(jīng)軸承座下部中心小孔，再經(jīng)過軸承座殼體內(nèi)襯套的小孔進(jìn)入周向環(huán)形槽，從周向環(huán)形槽經(jīng)過襯套上與槽對正的徑向孔進(jìn)入襯套與滑動軸承之間，滑動軸承外徑上也有一個周向環(huán)形槽，槽內(nèi)有徑向小孔，高壓滑油沿徑向小孔進(jìn)入滑動軸承與渦輪軸承間隔套之間，渦輪軸承間隔套支撐著渦輪軸并隨其一起轉(zhuǎn)動。

滑油回油區(qū)域：高壓滑油進(jìn)入軸承座襯套與滑動軸承間的周向環(huán)形槽后，一部分滑油從滑動軸承徑向孔進(jìn)入滑動軸承與渦輪軸間隔套之間，另一部分則沿滑動軸承外徑與襯套之間的間隙流動，潤滑了襯套和滑動軸承外徑后沿軸向流到軸承的兩端（軸承兩端與回油腔相通）成為回油。潤滑了渦輪軸間隔套外徑和滑動軸承內(nèi)徑后的滑油也沿軸向流到軸承兩端成為回油。

渦輪軸承前封嚴(yán)的作用是防止滑動軸承前端的回油在進(jìn)入回油腔后沿第二級壓氣機(jī)葉輪軸進(jìn)入第二級壓氣機(jī)腔，同時也防止二級壓氣機(jī)壓縮空氣沿渦輪軸進(jìn)入滑油回油腔。渦輪軸承后封嚴(yán)的作用是防止滑動軸承后端的回油沿軸承間隔套進(jìn)入渦輪腔。整個回油腔是通過軸承座殼體內(nèi)腔連成一體的，回油腔在發(fā)動機(jī)正常工作情況下，由于滑油泵組件的回油泵的抽吸作用而處于負(fù)壓或低正壓狀態(tài)。

4.2 渦輪軸承封嚴(yán)的構(gòu)造和工作原理

渦輪軸承封嚴(yán)組件的組成如圖2所示，包括螺釘、支撐組件、彈性墊、墊圈、封嚴(yán)環(huán)組件和殼體[2]。

封嚴(yán)組件的核心零件是封嚴(yán)環(huán)，它的內(nèi)環(huán)由碳材料制作而成，其前面和內(nèi)徑表面是很光潔的碳質(zhì)面，前面碳表面與殼體內(nèi)光潔的圓環(huán)面相接觸，靠彈性墊將其壓緊。在受到一定程度的徑向力的情況下，可以在殼體內(nèi)的360°范圍作小行程的徑向移動，保證轉(zhuǎn)動組件因振動等原因向封嚴(yán)環(huán)施加徑向力時不損壞碳封嚴(yán)。光潔的圓環(huán)面接觸也阻止了潤滑后的滑油沿配合面流出軸承腔外。與封嚴(yán)環(huán)組件孔配合的是光潔而高速轉(zhuǎn)動的軸，碳質(zhì)內(nèi)環(huán)自身有良好的潤滑性，其與轉(zhuǎn)動軸之間的間隙很小，且處于相對高速的轉(zhuǎn)動中，這樣就阻止了潤滑后的滑油沿軸與內(nèi)環(huán)間的間隙向外流動。因此，這種渦輪封嚴(yán)有側(cè)面和內(nèi)徑面兩個工作面。

4.3 高正壓的形成原理

正常情況下，高壓滑油潤滑渦輪軸承后匯集到軸承腔收油池，滑油泵組件的后軸承抽油泵將收油池的油抽回，并將其與來自齒輪箱的回油一起送到散熱器進(jìn)行調(diào)溫，然后送回滑油箱。在渦輪軸封嚴(yán)狀態(tài)良好的情況下，由于泵的抽吸作用在渦輪軸承腔內(nèi)形成負(fù)壓；如果封嚴(yán)狀態(tài)不夠好，則可能形成低正壓。

如果因?yàn)槟撤N原因?qū)е虑皽u輪封嚴(yán)的碳封嚴(yán)環(huán)工作面磨損甚至損壞，或者封嚴(yán)兩端的油氣平衡由于振動等原因被打破，第二級壓氣機(jī)高壓空氣（壓力≥41.89psi）會沿著前封嚴(yán)的封嚴(yán)環(huán)工作面進(jìn)入回油腔，大量空氣進(jìn)入回油中會使滑油泵組件的渦輪軸承回油泵進(jìn)口處形成氣塞，導(dǎo)致回油抽吸效率大大降低甚至無法抽油，而潤滑軸承的高壓滑油還在源源不斷地進(jìn)入，使渦輪軸承腔的封閉腔內(nèi)充滿滑油。由于高壓滑油的壓力在90～lOOpsi之間，在回油泵因氣塞堵塞回油路的情況下，封閉的渦輪軸承回油腔內(nèi)壓力會迅速上升。當(dāng)回油腔內(nèi)滑油壓力大于第二級壓氣機(jī)后的壓縮空氣壓力時，渦輪軸承腔回油腔內(nèi)的滑油在腔內(nèi)正壓力的作用下沿渦輪軸承前封嚴(yán)的封嚴(yán)環(huán)工作面進(jìn)入第二級壓氣機(jī)葉輪后腔，或沿渦輪軸承后封嚴(yán)的封嚴(yán)環(huán)工作面進(jìn)入渦輪腔。進(jìn)入第二級壓氣機(jī)葉輪后腔的滑油隨壓縮空氣一部分跟隨空調(diào)引氣進(jìn)入客艙，導(dǎo)致客艙中出現(xiàn)油煙味，另一部分進(jìn)入燃燒室燃燒形成白煙；進(jìn)入渦輪腔的滑油由于沒有被完全燃燒，形成黑煙。因此，如果僅是單純的輕微白煙且有油煙味，則是渦輪前封嚴(yán)損壞；如果是濃煙（白+黑），則可能是渦輪前封嚴(yán)嚴(yán)重?fù)p壞或前后渦輪封嚴(yán)都損壞。根據(jù)維修經(jīng)驗(yàn)，渦輪軸承腔正壓力大約達(dá)到+lOinHgG時可能會冒白煙。

5 結(jié)束語

渦輪軸承腔壓力大的原因是因?yàn)闇u輪軸承封嚴(yán)的碳封嚴(yán)環(huán)工作面損傷，或是碳封嚴(yán)兩端油氣平衡因振動等原因被打破而造成的。渦輪軸承腔壓力大引起的故障危害性是比較大，多數(shù)情況下不是APU返廠就是返臺，造成的經(jīng)濟(jì)損失大，耽誤時間長。為了減少此類故障的發(fā)生，在維修和使用過程中可以采取一些預(yù)防性措施：

1）加強(qiáng)對二級葉輪軸頸和軸承間隔圈外徑尺寸的測量和表面質(zhì)量的檢查。

2）裝配前應(yīng)對封嚴(yán)進(jìn)行仔細(xì)檢查，檢查有無制造缺陷。在封嚴(yán)的拿、運(yùn)、裝配過程中，不能裸手接觸碳封嚴(yán)工作面，不能與其他零件發(fā)生碰撞刮擦。

3）發(fā)動機(jī)的運(yùn)輸、裝臺、裝箱過程中應(yīng)注意防振和減振，以避免損壞碳封嚴(yán)環(huán)工作面。

4）做好轉(zhuǎn)動組件的平衡工作，避免APU在工作過程中因振動大而影響封嚴(yán)環(huán)工作面兩側(cè)的油氣平衡。

5）加強(qiáng)對噴嘴組件的清潔和檢查工作，縮短檢查間隔時間，一旦發(fā)現(xiàn)有積炭產(chǎn)生，應(yīng)及時進(jìn)行清潔、修理或更換。

參考文獻(xiàn)

[1] Honeywell. CMM49-25-45[2].

[2] Honeywell. CMM49-23-04[2].

民航局認(rèn)定首批重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程技術(shù)研究中心

近日，民航局公布首批民航重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和民航工程技術(shù)研究中心認(rèn)定名單，14家民航重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程技術(shù)研究中心通過認(rèn)定。通過認(rèn)定的14家實(shí)驗(yàn)室和工程中心共涉及主建單位13個（其中行業(yè)內(nèi)11個，行業(yè)外2個），包括10個重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，4個工程技術(shù)研究中心，共有11位院士擔(dān)任學(xué)術(shù)/技術(shù)委員會主任。此外，民航局?jǐn)M從通過認(rèn)定的實(shí)驗(yàn)室和工程中心中遴選2～3家，于2018年開始啟動國家科技創(chuàng)新基地申報工作。