某渦軸發(fā)動機(jī)停車冒煙故障分析

彭富霞 滕官宏偉

摘要：介紹了某渦軸發(fā)動機(jī)停車冒煙故障，通過建立故障樹，對停車冒煙原因進(jìn)行逐層剖析，結(jié)合分解檢查和試驗手段，展開了詳細(xì)的分析，最終查明故障原因，并采取了相應(yīng)排故措施。經(jīng)過試驗驗證，故障得到排除。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動機(jī)；冒煙；碳石墨密封裝置

Keywords：turboshaft engine；smoking；graphite seal

1 故障現(xiàn)象

某渦軸發(fā)動機(jī)在停車過程中，尾噴管出現(xiàn)大量冒煙現(xiàn)象。在燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（Ng轉(zhuǎn)速）下降至15%～20%左右時，發(fā)動機(jī)尾噴管開始冒煙并逐漸增多，彌漫整個試車間，給發(fā)動機(jī)研制和試驗造成了困擾，影響發(fā)動機(jī)使用和試車安全。正常情況下，發(fā)動機(jī)停車過程中不會出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，當(dāng)有燃油或滑油泄漏至流道中時，才會引起發(fā)動機(jī)冒煙現(xiàn)象。

2 建立故障樹

以發(fā)動機(jī)停車冒煙為頂事件，建立故障樹，如圖1所示。從燃油泄漏、A腔滑油泄漏、B腔滑油泄漏、C腔滑油泄漏四個方面查找故障原因，通過對發(fā)動機(jī)進(jìn)行分解檢查、測試、試驗等研究分析，確認(rèn)故障原因。

3 故障排查

3.1 分解檢查情況

觀察停車冒煙為白色煙霧，可排除底事件X1（燃油泄漏）。

對發(fā)動機(jī)進(jìn)行分解檢查，對供、回油油路、供油噴嘴等零組件進(jìn)行密封性及流量流向試驗檢查，均符合設(shè)計要求，可排除底事件X2（供油過量）、X5（回油路堵塞）；對管路連接處進(jìn)行設(shè)計復(fù)查，并在分解后進(jìn)行管路連接專項密封試驗，未見滲漏油現(xiàn)象，可排除底事件X9（B腔管路連接處密封失效）、X13（C腔管路連接處密封失效）。

對分解后各軸承腔前、后零組件進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)動機(jī)B腔后、C腔前部位多個零件有明顯積炭，A腔前、后零件無明顯積炭，由此可排除底事件X3（A腔碳石墨密封裝置失效）、X4（A腔篦齒密封失效）、X8（B腔篦齒密封失效）、X12（C腔后蓋板處密封失效）。

通過以上分析，仍有4個底事件X6（滑油泵回油能力不足）、X7（B腔碳石墨密封裝置失效）、X10（封嚴(yán)壓差不足）、X11（C腔碳石墨密封裝置失效）不能排除。

3.2 軸承腔積油測量

發(fā)動機(jī)分解檢查過程中，拆卸B、C腔回油管時，管路和軸承腔中有過多滑油流出。通過分析，軸承腔積油的原因是停車過程中B、C軸承腔的滑油泵回油能力不足，導(dǎo)致積油較多，再加上管路中的余油回流，使軸承腔滑油液面進(jìn)一步升高，當(dāng)滑油液面超過碳石墨密封面時，可能造成滑油泄漏。

為了減少軸承腔的積油，對回油管路進(jìn)行改制，增大管徑，重新布置加工管型，增強(qiáng)回油管收油能力，避免停車后管路中余油回流至軸承腔。在某臺份發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了對比試驗驗證，停車冒煙現(xiàn)象沒有得到改善。發(fā)動機(jī)分解檢查后，對管路和軸承腔中的余油進(jìn)行收集，約60ml，與軸承腔容量進(jìn)行對比，未超過碳石墨密封主密封面。因此認(rèn)為，軸承腔的積油不是導(dǎo)致停車冒煙的原因，可排除底事件X6（滑油泵回油能力不足）。

3.3 封嚴(yán)壓力測試

隨著發(fā)動機(jī)狀態(tài)的變化，各腔壓力也隨之變化，當(dāng)軸承腔外與腔內(nèi)的壓差不能滿足碳石墨密封裝置的封嚴(yán)要求時，可能導(dǎo)致滑油泄漏。在發(fā)動機(jī)停車過程中，各腔壓力均快速下降，下降速度不盡相同，當(dāng)壓差出現(xiàn)逆向，則可能導(dǎo)致滑油泄漏。

為了保證軸承腔的密封效果，發(fā)動機(jī)設(shè)計要求慢車以上轉(zhuǎn)速時封嚴(yán)壓差≥3kPa。對B、C腔工作過程中的腔壓進(jìn)行測量，結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)慢車以上工作轉(zhuǎn)速時，B、C腔封嚴(yán)壓力均滿足設(shè)計要求；停車過程中，由于氣流作用，軸承腔外封嚴(yán)腔壓力隨轉(zhuǎn)速快速下降，軸承腔腔內(nèi)壓力相對恒定，封嚴(yán)壓差減小，但與同類無故障發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)基本一致。故可排除底事件X10（封嚴(yán)壓差不足）。

3.4 碳石墨密封裝置失效原因查找

根據(jù)上述分析，判斷B腔、C腔碳石墨密封裝置失效是導(dǎo)致停車冒煙的主要原因。重點對B腔、C腔碳石墨密封裝置進(jìn)行研究分析，以查找失效原因。

1）密封原理

碳石墨密封裝置主要密封構(gòu)件為石墨密封環(huán)，由三段分瓣環(huán)搭接組成，在其外徑溝槽中設(shè)置周向拉伸彈簧，保證密封環(huán)與轉(zhuǎn)動體之間的接觸，形成主密封面；在卡圈與密封環(huán)之間設(shè)置軸向壓縮彈簧，保證密封環(huán)與碳密封殼體之間的接觸，形成輔助密封面。初始密封依靠拉伸彈簧和壓縮彈簧實現(xiàn)，工作時密封環(huán)與轉(zhuǎn)動體間隙內(nèi)的流體產(chǎn)生動壓浮升力，密封環(huán)浮起，密封環(huán)與轉(zhuǎn)動體之間的間隙被剛性流體膜隔開，可減小固體間的摩擦接觸，同時阻止高壓側(cè)氣體向低壓側(cè)泄漏。

在發(fā)動機(jī)軸承腔中，軸承和軸上元件的滾動及密封跑道倒角的驅(qū)動力可激起強(qiáng)烈的油氣渦旋，引起局部壓力增大，在封油壓力不足時會造成滑油泄漏。為消除或減緩油氣渦旋的影響，將裝配倒角延伸到密封殼體內(nèi)的凸邊以外，并遠(yuǎn)離石墨密封環(huán)，在倒角和密封殼體內(nèi)凸邊的近倒角側(cè)設(shè)計1個環(huán)槽，以此形成離心力場來截斷由倒角形成的沖擊油膜；還在碳密封殼體的內(nèi)徑表面上設(shè)計寬齒槽窄齒尖的粗牙反螺紋，借助密封跑道工作面的攪風(fēng)作用，利用旋轉(zhuǎn)的慣性，使拋到螺旋槽中的油滴返回到油腔；為了提高慢車或風(fēng)車轉(zhuǎn)速下的攪風(fēng)作用，在倒角的邊緣外徑表面上，設(shè)計了深度為0.3～0.5mm、寬度為3～5mm的軸向甩油槽[1]。

2）失效原因排查

B、C腔碳石墨密封裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。通過對B、C腔碳石墨密封裝置的結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)該發(fā)動機(jī)的碳石墨密封裝置裝配倒角延伸在碳密封殼體的凸邊以內(nèi)，且在凸邊的近倒角側(cè)沒有設(shè)計環(huán)槽，未能截斷由倒角形成的沖擊油膜。粗牙反螺紋的設(shè)計是為了在攪風(fēng)作用下收集密封轉(zhuǎn)動體表面的油滴并利用慣性使其返回油腔，以避免滑油從密封環(huán)處滲漏，而該發(fā)動機(jī)的粗牙反螺紋位于轉(zhuǎn)動體的外側(cè)，無法起到收集并驅(qū)趕油滴的作用。

綜上所述，碳石墨密封裝置失效的原因為：

a.轉(zhuǎn)動體與碳密封殼體相對位置設(shè)計不合理，包括裝配倒角與密封殼體、粗牙反螺紋與轉(zhuǎn)動體的相對位置設(shè)計不合理；

b.碳密封殼體凸邊近倒角側(cè)未設(shè)計環(huán)槽。

4 故障機(jī)理分析

通過對故障現(xiàn)象分析、發(fā)動機(jī)分解檢查、軸承腔積油測量及封嚴(yán)壓力測試等，判定停車冒煙是由B腔、C碳石墨密封裝置失效導(dǎo)致的，故障機(jī)理如下：

在停車過程中軸承腔由油氣渦旋引起的局部壓力增大，由于B腔、C腔碳石墨密封裝置轉(zhuǎn)動體與碳密封殼體相對位置設(shè)計不合理，以及碳密封殼體凸邊近倒角側(cè)未設(shè)計環(huán)槽，無法達(dá)到消除減緩油氣渦旋的作用，導(dǎo)致在發(fā)動機(jī)停車過程中外部封嚴(yán)壓力不斷減小時滑油泄漏?；屯ㄟ^B腔、C腔碳石墨密封裝置泄漏，經(jīng)彈支表面向下方滲漏，一部分經(jīng)隔板組件與彈支之間的通氣槽進(jìn)入隔板與過渡段之間的腔室，另一部分順著隔板組件外表面向下進(jìn)入流道，在流道的高溫燃?xì)庾饔孟禄吞蓟?，因此發(fā)動機(jī)出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象。

5 排故及驗證情況

針對故障原因，制定如下排故措施：

1）對B腔、C腔碳石墨密封殼體進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，確保裝配倒角延伸在殼體凸邊以內(nèi)；

2）在殼體凸邊近倒角側(cè)設(shè)計卸油槽，以截斷由倒角形成的沖擊油膜。

將改制后的碳石墨密封裝置裝機(jī)驗證試車，發(fā)動機(jī)停車過程中無冒煙現(xiàn)象，故障得以排除。

參考文獻(xiàn)

[1]王偉，趙宗堅，張振生.單環(huán)圓周密封裝置設(shè)計和應(yīng)用研究[J].航空發(fā)動機(jī)，2009，35（4）：6-10