某航空發(fā)動機(jī)放氣活門故障分析

彭黎原，周 晨

（1.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.湖北航達(dá)科技有限公司，湖北武漢 430040）

0 引言

飛機(jī)的發(fā)明和航空業(yè)的發(fā)展對世界政治、軍事、經(jīng)濟(jì)技術(shù)以至于人們的生活方式有著重要的影響。航空發(fā)動機(jī)作為為飛機(jī)提供動力、推動航空器前進(jìn)的裝置，是飛機(jī)性能、可靠性和成本的決定性因素。航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展對于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國防事業(yè)的進(jìn)步有著極其重要的意義[1]。放氣活門是為某航空發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)配套的產(chǎn)品。在發(fā)動機(jī)起動過程中，引氣活門關(guān)閉，放氣活門打開，多余空氣從發(fā)動機(jī)尾巴噴管排出，避免可能出現(xiàn)的壓氣機(jī)喘振現(xiàn)象。

在隨發(fā)動機(jī)地面試驗過程中，某放氣活門出現(xiàn)了大量漏氣的故障。下面將結(jié)合分解檢查、理論計算及試驗驗證等措施，查明放氣活門故障的原因，并最終排除了該故障。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

某航空發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道氣流通過離心壓氣機(jī)壓縮空氣，壓氣機(jī)出口接2個管道分支（圖1）：一個分支接放氣活門，將氣流引到發(fā)動機(jī)尾噴管后排出；另一個分支接引氣活門，根據(jù)飛機(jī)指令，引氣活門出口氣流輸送到飛機(jī)主發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)或飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)。

放氣活門主要由電磁閥、活塞、活塞環(huán)、殼體、彈簧、引氣管和閘板組成，其工作原理如下。

（1）放氣活門打開狀態(tài)：電磁閥斷電，鋼球頂住放氣活門引氣管出口，氣流不能進(jìn)入關(guān)閉腔，活塞在打開腔氣流（壓縮空氣）的作用下，帶動閘板克服彈簧力向上運(yùn)動，活門打開。

圖1 供氣原理

（2）放氣活門關(guān)閉狀態(tài)有2種情況：①電磁閥通電，吸引鋼球上移，氣流由活門引氣管通過電磁閥進(jìn)入活塞上腔，即活門關(guān)閉腔，活塞在關(guān)閉腔氣流和彈簧力的共同作用下，克服打開腔壓力，帶動閘板下移，將活門關(guān)閉；②發(fā)動機(jī)不工作，放氣活門打開腔和關(guān)閉腔均無氣流，活門在彈簧力的作用下處于關(guān)閉位置?；钊h(huán)工作原理：電磁閥通電，氣流由關(guān)閉腔進(jìn)入活塞環(huán)槽處，使活塞環(huán)膨脹，起到密封作用，此時，關(guān)閉腔的氣流不會由排氣孔排放掉（圖2）。

2 故障與分析

2.1 故障現(xiàn)象

某次地面試驗，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)引氣壓力過低，檢查發(fā)現(xiàn)放氣活門排氣孔處有大量氣體泄漏。換裝產(chǎn)品后，故障消失。

2.2 初步排查

（1）外觀檢查：①故障件從發(fā)動機(jī)拆卸下來后，觀察活門閘板處于關(guān)閉位置，無異常；②分解檢查：活塞環(huán)貼合活塞環(huán)槽，活塞環(huán)槽處較臟，存在油液，其他零件無異常。檢查結(jié)果：①活門閘板位置正常；②活塞環(huán)槽處存在油液污染。

（2）功能性能檢查。流量計可以檢查管路和放氣活門漏氣情況，觀察窗可以觀察到放氣活門打開關(guān)閉情況（圖3）：①產(chǎn)品絕緣電阻、電磁閥電阻合格；②活門供氣測試（放氣活門進(jìn)氣口供一定氣壓，反復(fù)通斷氣多次），能正常打開、關(guān)閉；③活門工作測試（放氣活門進(jìn)氣口供一定氣壓，活門打開后，電磁閥通電），無法正常關(guān)閉，排氣孔有大量氣體泄漏，其他部位無泄漏；④清洗活塞環(huán)槽與活塞環(huán)后，重新組裝進(jìn)行步驟③中的活門工作測試，工作正常。

檢查結(jié)果：①放氣活門工作測試中，無法正常關(guān)閉，排氣孔有大量氣體泄漏；②清洗活塞環(huán)槽與活塞環(huán)后重試，故障消失。

圖2 放氣活門工作原理

圖3 性能試驗原理

根據(jù)故障情況和放氣活門外觀、功能性能檢查結(jié)果，初步分析由于油液污染活塞環(huán)，導(dǎo)致密封失效，放氣活門大量漏氣，進(jìn)而引起活門無法關(guān)閉。

2.3 機(jī)理分析

2.3.1 理論計算

（1）計算彈簧力。當(dāng)活門只通氣，電磁閥不通電時，活門打開。打開腔壓力 F1=F2+G1+G2+G3=P1×S1。其中，F(xiàn)2為彈簧彈力；G1、G2、G3分別為活塞重力、彈簧重力、閘板重力；P1為活門開始打開時的壓力；S1為打開腔截面積。

代入數(shù)值后，計算得出彈簧彈力F2=25.2 N。

（2）計算關(guān)閉腔壓力。為方便計算，先假定關(guān)閉腔氣壓均勻。

活門進(jìn)口供壓345 kPa，電磁閥通電，活塞環(huán)正常密封時，閘板關(guān)閉需滿足F3+F2+G1+G2+G3＞F1。其中，F(xiàn)3為關(guān)閉腔壓力，F(xiàn)3=P2×S2；P2為活門開始閉合時的壓力；S2為閉合腔截面積。

代入數(shù)值后，計算得出關(guān)閉腔氣壓P2＞148.77 kPa。

上述計算表明，進(jìn)口供壓345 kPa，電磁閥通電時，如果因為漏氣等原因?qū)е玛P(guān)閉腔壓力≤148.77 kPa，活門將無法關(guān)閉。

（3）尺寸鏈分析。由設(shè)計尺寸計算得到零件之間的配合間隙（圖4）?；钊h(huán)徑向方向，活塞環(huán)Ⅰ、活塞環(huán)槽之間的配合間隙0.575～0.775 mm，活塞環(huán)Ⅲ和活塞環(huán)槽之間的配合間隙為0.025～0.225 mm。放氣活門受航向振動時，由于零件之間存在間隙，使活塞環(huán)徑向振動，如果活塞環(huán)彈性模量小，容易向內(nèi)收縮。

活塞環(huán)軸向方向，活塞環(huán)與活塞環(huán)槽之間的配合間隙為-0.01～0.21 mm。如果有油污等進(jìn)入，由于油和污染物的阻礙，使活塞環(huán)向內(nèi)收縮后無法正常脹開，使殼體與活塞環(huán)之間存在間隙。當(dāng)間隙過大時，會造成活塞環(huán)與殼體密封失效，關(guān)閉腔的氣體泄漏，活門無法關(guān)閉。

2.3.2 污染來源

活門打開過程中，關(guān)閉腔的氣體需要通過閥組件上的氣孔，經(jīng)由橫槽排氣。由于氣孔垂直向上，當(dāng)放氣活門安裝位置的上方有油管泄露，油污滴落，會沿橫槽滲入活門內(nèi)腔，污染活塞腔、活塞環(huán)等（圖5）。

從故障產(chǎn)品分解檢查的情況來看，活塞環(huán)緊貼活塞環(huán)槽處，活塞環(huán)有油污，且活塞環(huán)槽處較臟。清洗活塞環(huán)和環(huán)槽后，產(chǎn)品工作正常。因此，由于污染導(dǎo)致活塞環(huán)收縮后無法正常膨脹是造成放氣活門漏氣、無法關(guān)閉的原因。

圖4 零件配合間隙示意

圖5 油液污染示意

3 改進(jìn)措施

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

將電磁閥閥組件上的橫槽改成通氣孔（通孔），通氣孔15°傾斜向上（圖6）。改進(jìn)后，電磁閥通過通氣孔排氣，當(dāng)油液等污染物從上方滴落到閥體后，無法滲入活門內(nèi)腔。

圖6 改進(jìn)前后閥組件對比

3.2 更改活塞環(huán)材料

原活塞環(huán)材料為樹脂材料，其具有高耐磨性，塑性較好，但易變形。改選電化石墨類材料制作的活塞環(huán)，其彈性模量更大，具有高自潤滑性和低熱膨脹系數(shù)的特點，不易收縮變形，能實現(xiàn)良好密封。

4 故障復(fù)現(xiàn)與措施驗證

4.1 故障復(fù)現(xiàn)

在試驗室模擬活塞環(huán)緊貼活塞環(huán)槽后無法脹開的狀態(tài)。將功能性能復(fù)測正常后的放氣活門活塞環(huán)收縮至緊貼活塞環(huán)槽內(nèi)壁，僅在活塞環(huán)缺口處涂抹少量（避免影響活塞環(huán)厚度尺寸）環(huán)氧樹脂使其粘接。組裝后進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果：進(jìn)氣口供壓，活門正常打開，電磁閥通電，活門無法關(guān)閉、排氣孔大量漏氣。

4.2 措施驗證

對改進(jìn)后的放氣活門按某標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行流體污染試驗，試驗流體選航空煤油，試驗后檢查功能性能正常；分解產(chǎn)品，檢查活門內(nèi)腔，無油液污染跡象。試驗表明，改進(jìn)閥組件結(jié)構(gòu)可有效防止外來油液污染活門內(nèi)部。

改進(jìn)后的放氣活門順利通過壽命試驗、振動試驗和整機(jī)匹配試驗（一定考核時間段內(nèi)沒有發(fā)生該故障），驗證制定的措施和方法有效，可以防止此類問題再次發(fā)生。

5 結(jié)論

經(jīng)過故障機(jī)理分析、部件分解檢查，明確了放氣活門漏氣故障的原因為活塞環(huán)材料彈性不足和電磁閥防污染結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。針對該故障采取了有效的改進(jìn)措施，通過流體污染試驗、部件試驗以及外場試飛驗證表明措施有效。

該故障為設(shè)計類故障，從故障排解過程總結(jié)，設(shè)計人員設(shè)計航空產(chǎn)品時，需要充分考慮產(chǎn)品的安裝使用環(huán)境，避免外來因素導(dǎo)致產(chǎn)品失效；同時，在材料選型上，要考慮材料的抗污染能力。該故障分析過程可為同類型產(chǎn)品的研制提供借鑒。