某發(fā)動機(jī)滑油消耗量大故障影響因素分析

武曉龍， 姜甲玉， 張桐

（1.海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽 110000；2.海裝沈陽局，沈陽 110000 3.沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽110043）

0 引言

某發(fā)動機(jī)批生產(chǎn)以來，試車中多次出現(xiàn)滑油消耗量大故障。這一問題嚴(yán)重影響了發(fā)動機(jī)正常生產(chǎn)與交付。

影響發(fā)動機(jī)滑油消耗量的因素很多，且故障機(jī)理較為復(fù)雜，既有機(jī)件本身性能問題，也有機(jī)件相互之間的匹配性及系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性問題。要解決該問題，需對滑油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行分析研究，找出其故障原因和影響因素，以制定有效的排障和預(yù)防措施，保證發(fā)動機(jī)工作安全可靠。

1 滑油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)為封閉式反向循環(huán)系統(tǒng)，由供油、回油、通氣、密封增壓4個(gè)子系統(tǒng)組成。具有以下主要特點(diǎn)：

1）按發(fā)動機(jī)總體布局，設(shè)有5個(gè)主軸軸承，分為3個(gè)軸承腔：前軸承腔（主要由№1支點(diǎn)軸承、低壓轉(zhuǎn)速測量裝置組成），中軸承腔（主要由№2、3支點(diǎn)軸承、中央傳動裝置組成），后軸承腔（主要由№4、5支點(diǎn)軸承組成）。中、后軸承腔經(jīng)高壓轉(zhuǎn)子的空氣導(dǎo)管與低壓渦輪軸之間的間隙相通。

2）支點(diǎn)采用軸承腔和密封增壓腔兩腔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

3）每個(gè)軸承腔均有轉(zhuǎn)動密封裝置，№1支點(diǎn)后、№2支點(diǎn)前、№3支點(diǎn)后和№5支點(diǎn)后采用接觸式石墨密封，由于高、低壓轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，№4支點(diǎn)前的高、低壓渦輪之間采用了非接觸式篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)。

4）系統(tǒng)采用2處（3個(gè)離心通風(fēng)器）通風(fēng)，一是低壓腔（前軸承腔、發(fā)動機(jī)和飛機(jī)附件機(jī)匣）通風(fēng)，由離心通風(fēng)器完成；二是高壓腔（中、后軸承腔）通風(fēng)，由前、后軸心通風(fēng)器完成。

5）采用機(jī)外組合供、回油泵，一級為供油泵；四級回油泵為前、中、后軸承腔和附件機(jī)匣回油泵。

6）前軸承腔引用低壓風(fēng)扇后的空氣封嚴(yán)；中軸承腔引用高壓壓氣機(jī)三級后空氣封嚴(yán)；后軸承腔№4支點(diǎn)前采用非接觸式篦齒封嚴(yán)，引用高壓二、三級空氣同時(shí)封嚴(yán)，№5支點(diǎn)后引用高壓壓氣機(jī)二級后空氣封嚴(yán)。

2 滑油消耗量大故障現(xiàn)象

廠內(nèi)試車中出現(xiàn)滑油消耗量大故障的發(fā)動機(jī)在試車和分解檢查過程中，普遍存在以下情況：

1）發(fā)動機(jī)試車過程中各個(gè)階段試車程序不同，評定滑油消耗量數(shù)值差異較大。大狀態(tài)工作時(shí)間比例大的試車程序評定滑油消耗量偏大，小狀態(tài)工作時(shí)間比例大的試車程序評定滑油消耗量偏小。發(fā)動機(jī)停車5～10 min后，噴口有少量白煙冒出。

2）渦輪后機(jī)匣下方支板上有油跡，低壓渦輪下方積油。

3）在起動不成功的情況下，少量滑油從后通風(fēng)管沿尾錐流下。

4）低渦轉(zhuǎn)子二級盤后盤面有滑油結(jié)焦痕跡。

5）低渦轉(zhuǎn)子№4支點(diǎn)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)第二、三道蜂窩處有油跡，№4支點(diǎn)盤心封嚴(yán)環(huán)內(nèi)壁上有較多片狀滑油結(jié)焦物。

6）后蓋組件安裝邊前結(jié)合面非結(jié)合部位有結(jié)焦和積炭痕跡，通風(fēng)管外壁有積炭。

7）高壓壓氣機(jī)一、二級盤腔內(nèi)有少量積油，鼓筒上甩油孔附近一、二級葉片上有油跡。

8）空氣導(dǎo)管內(nèi)壁有較多滑油結(jié)焦物。

3 滑油系統(tǒng)綜合分析

滑油消耗量是發(fā)動機(jī)一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，由于在發(fā)動機(jī)工作時(shí)，離心通風(fēng)器不可能將油氣中的滑油全部分離出來，部分滑油會隨氣體排出，同時(shí)，各軸承處的封嚴(yán)裝置也不可能將滑油完全封住，因此滑油將有消耗。正常情況下，某發(fā)動機(jī)滑油消耗量（規(guī)定）不大于0.8 L/h。根據(jù)發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理，一般情況下，滑油消耗量大通常有以下幾種原因：

1）發(fā)動機(jī)外部漏油，包括潤滑系統(tǒng)附件和外部供回油管路漏油。

2）發(fā)動機(jī)內(nèi)部漏油，由于密封增壓系統(tǒng)失效，通過密封裝置漏油。

3）通風(fēng)系統(tǒng)油氣分離效率低，滑油蒸氣通過通風(fēng)系統(tǒng)排出造成消耗，另外，通風(fēng)流量的大小也是影響滑油消耗量的重要因素。通風(fēng)量大，滑油消耗量就大。

4）滑油回油泵效率低，供、回油能力不匹配，導(dǎo)致滑油存積在軸承腔內(nèi)回不到滑油箱而影響滑油消耗量。

結(jié)合發(fā)動機(jī)故障現(xiàn)象，復(fù)查了不同批次發(fā)動機(jī)在滑油消耗量方面存在的差異，對分解過程中發(fā)現(xiàn)的異常和可能造成滑油消耗量大的因素進(jìn)行分析研究及清理排查。根據(jù)發(fā)動機(jī)試車后分解檢查情況看，與滑油消耗量大故障相關(guān)的噴口冒白煙、低壓渦輪下方積油、空氣導(dǎo)管內(nèi)壁有滑油結(jié)焦物等故障現(xiàn)象主要集中反映在后軸承腔，這可能是由于篦齒封嚴(yán)間隙匹配不佳，高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下泄入軸承腔的封嚴(yán)氣體過多導(dǎo)致油氣排出過多，且低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下封嚴(yán)壓力不足造成少量滑油泄漏。

對此有針對性地開展了整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，將某發(fā)動機(jī)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子、低壓渦輪轉(zhuǎn)子組件、渦輪后機(jī)匣等渦輪部件全部串給滑油消耗量合格的某臺發(fā)動機(jī)，進(jìn)行試驗(yàn)試車，結(jié)果表明串過渦輪部件后，其滑油消耗量大幅度超標(biāo)。初步分析認(rèn)為渦輪部件、轉(zhuǎn)靜子的配合關(guān)系對滑油消耗量影響較大。

4 統(tǒng)計(jì)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

根據(jù)對滑油系統(tǒng)分析，并結(jié)合發(fā)動機(jī)在試車和分解檢查過程中存在的與滑油消耗量大故障相關(guān)現(xiàn)象主要集中反映在后軸承腔的情況，在排除發(fā)動機(jī)外部漏油的可能性后，針對后軸承腔的供回油比、№5支點(diǎn)石墨密封裝置、各封嚴(yán)間隙的匹配關(guān)系、轉(zhuǎn)靜子的配合關(guān)系等方面進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析及驗(yàn)證性試驗(yàn)工作。

4.1 分析、驗(yàn)證后腔供回油比對滑油消耗量的影響

在臺架試車中，檢查后軸承腔存油量為1L左右，存油量較多，分析認(rèn)為在發(fā)動機(jī)停車后滑油有可能從腔內(nèi)溢出，導(dǎo)致滑油消耗量大。為分析這一問題，對不同批次發(fā)動機(jī)后腔供、回油情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對比分析，并通過調(diào)整后腔供油量及減小后腔存油量進(jìn)行了試車，驗(yàn)證改變后腔供回油比對消耗量的影響。

4.1.1 后腔供、回油情況統(tǒng)計(jì)分析

理論分析認(rèn)為，通過減小滑油供回油比可相對提高回油能力，有利于滑油消耗量，通過對不同批次發(fā)動機(jī)后腔供、回油情況進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，無論是滑油消耗量大（不合格）還是消耗量小（合格）的發(fā)動機(jī)，其后腔噴嘴供油量、回油流量值基本相同，均符合設(shè)計(jì)要求。從這一結(jié)果看，目前發(fā)動機(jī)試車中滑油消耗量大故障與后腔噴嘴供油量和回油流量值沒有直接關(guān)系。

4.1.2 調(diào)整后腔供油量驗(yàn)證試車

在滑油系統(tǒng)后腔供油路上裝有節(jié)流嘴，后腔供油量由該節(jié)流嘴限定，裝配前對該流量在試驗(yàn)器上進(jìn)行檢查，不符合要求時(shí)可通過對孔進(jìn)行修磨使其合格。

為驗(yàn)證改變后腔供油量對滑油消耗量的影響程度，通過更換4種不同內(nèi)孔尺寸供油節(jié)流嘴，在一定流量范圍內(nèi)調(diào)整后腔供油量，在2臺發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證試車，其滑油消耗量無變化。臺架試車結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)改變后腔供油路上的節(jié)流嘴內(nèi)孔尺寸，調(diào)整后腔供油量，對滑油消耗量沒有明顯影響。

4.1.3 減小后腔存油量對比驗(yàn)證試車

發(fā)動機(jī)在分解過程中，多次發(fā)現(xiàn)低渦二級盤后盤面有滑油結(jié)焦痕跡，且表現(xiàn)為滑油從盤心流向盤緣。分析認(rèn)為，造成這種現(xiàn)象的原因可能是在停車過程中，后軸承腔的供回油能力失去平衡，回油能力不足，后腔積油較多，停車后滑油從回油管路回流，后腔油面進(jìn)一步升高，超過了№5支點(diǎn)石墨及№4支點(diǎn)封嚴(yán)篦齒，造成滑油泄漏。為減少后腔存油量，在后腔回油管路上設(shè)計(jì)安裝收油箱試驗(yàn)件，在某發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了無收油箱和安裝收油箱試驗(yàn)件對比驗(yàn)證試車。從4次試車評定滑油消耗量的結(jié)果來看，無收油箱和安裝收油箱試驗(yàn)件的滑油消耗量基本一致，安裝收油箱試驗(yàn)件對滑油消耗量沒有改善，從試車后的放油情況看，安裝收油箱試驗(yàn)件沒有減少后腔存油量。上述改變后腔供油量和減小后腔存油量等，都是圍繞后腔供回油比開展的工作，統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)改變后腔供回油比，滑油消耗量沒有明顯變化。后腔滑油供回油比不是導(dǎo)致目前出現(xiàn)的滑油消耗量大故障的因素。

4.2 №5支點(diǎn)石墨密封裝置對滑油消耗量的影響

№5支點(diǎn)后為接觸式圓周石墨密封裝置，主要由石墨環(huán)、石墨環(huán)座、彈簧和卡環(huán)等組成。周向彈簧圍繞在石墨環(huán)外，其彈力使石墨向軸心方向壓緊，達(dá)到圓周方向密封作用；軸向裝有波形壓縮彈簧組件，彈力作用在石墨環(huán)端面上起輔助密封作用。工作中如周向彈簧的拉力和軸向波形彈簧的彈力減小，將引起滑油泄漏量增大。為此對各批次周向彈簧的拉力進(jìn)行了復(fù)查，并對波形彈簧采用不同焊接工藝進(jìn)行了石墨密封組件泄漏量對比試驗(yàn)及驗(yàn)證試車。

從針對№5支點(diǎn)石墨密封裝置進(jìn)行的檢查和試驗(yàn)、試車結(jié)果可以看出，批生產(chǎn)中所裝配的№5支點(diǎn)石墨密封裝置能夠滿足其封嚴(yán)要求，與目前出現(xiàn)的滑油消耗量大故障沒有直接關(guān)系。

4.3 篦齒測量及統(tǒng)計(jì)分析

后軸承腔№4支點(diǎn)封嚴(yán)采用非接觸式篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，高渦后軸頸上6道篦齒尺寸是影響后軸承腔密封的關(guān)鍵因素。圍繞6道篦齒對新品機(jī)件及工廠試車后機(jī)件篦齒尺寸、裝配間隙（數(shù)據(jù)略），進(jìn)行了大量的測量及驗(yàn)證性復(fù)測工作。

從試車后篦齒尺寸的變化情況看，未超出設(shè)計(jì)文件中規(guī)定的試車后允許減小的磨損要求，篦齒的磨損量應(yīng)屬于正常磨損范圍。從№4支點(diǎn)封嚴(yán)篦齒磨損情況可以看出，后期生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)試車后篦齒磨損量基本小于前期生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)。分析認(rèn)為，由于后期工廠試車程序的調(diào)整，改變了發(fā)動機(jī)磨合狀態(tài)，№4支點(diǎn)封嚴(yán)篦齒的磨損情況也明顯好轉(zhuǎn)，這一變化影響到№4支點(diǎn)封嚴(yán)空氣壓力和后軸承腔壓力，對后期發(fā)動機(jī)滑油消耗量大故障的明顯改善起到了重要的作用。

4.4 后腔封嚴(yán)間隙對滑油消耗量影響分析及驗(yàn)證

由于該發(fā)動機(jī)高、低壓轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，其后軸承腔№4支點(diǎn)前采用非接觸式篦齒封嚴(yán)，引用高壓二、三級空氣同時(shí)封嚴(yán)，№5支點(diǎn)后引用高壓壓氣機(jī)二級后空氣封嚴(yán)，其結(jié)構(gòu)見圖1。

高壓二級空氣通過渦輪后機(jī)匣支板內(nèi)導(dǎo)管，進(jìn)入到第三道二齒外腔及№5支點(diǎn)石墨密封裝置外腔，分別對№4、5支點(diǎn)進(jìn)行封嚴(yán)。對№4支點(diǎn)進(jìn)行封嚴(yán)的空氣一部分通過第三道二齒及第四道六齒進(jìn)入到后軸承腔內(nèi)，另一部分通過第二道三齒泄漏到外腔，與經(jīng)過三道弓形齒進(jìn)入的五級冷卻空氣及三級空氣摻混后，進(jìn)入到后封嚴(yán)齒前腔內(nèi)。圖1中所示的各處篦齒間隙對封嚴(yán)壓力及后軸承腔壓力都有影響。若各處封嚴(yán)間隙匹配不好，可能會導(dǎo)致后軸承腔壓力偏高，軸心通風(fēng)流量增大，造成滑油消耗量增大。

4.4.1 計(jì)算分析

理論分析及計(jì)算表明，各處間隙尺寸及相互間的匹配關(guān)系對滑油消耗量均有直接的影響，尤其第四道六齒與№4封嚴(yán)環(huán)銀銅涂層之間的間隙，是空氣系統(tǒng)向滑油腔泄漏空氣較敏感的位置。表1中列出了分別以0.05 mm、0.2 mm及0.6 mm作為工作間隙，計(jì)算出的空氣泄漏量、軸承腔壓力和軸心通風(fēng)排氣量結(jié)果。

表1 按照六齒不同間隙計(jì)算

從表1可以看出，上述3項(xiàng)數(shù)值均隨間隙增大而有不同程度的升高，表明隨著工作間隙的增大，封嚴(yán)空氣向軸承腔內(nèi)泄漏量增多，致使軸承腔壓力升高，并導(dǎo)致軸心通風(fēng)排氣量增大，帶出的滑油增多，從而導(dǎo)致滑油消耗量增大。

4.4.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

依據(jù)上述結(jié)論，在排障工作中，采取了對№4支點(diǎn)封嚴(yán)環(huán)銀銅涂層進(jìn)行重新噴涂、加大渦輪后機(jī)匣外封嚴(yán)環(huán)蜂窩內(nèi)徑尺寸等措施，以降低軸承腔壓力，減少軸心通風(fēng)排氣量，從而達(dá)到降低滑油消耗量的目的，并且已通過數(shù)臺發(fā)動機(jī)驗(yàn)證了排障方案的有效性。

5 針對性排障措施

除上述主要排障措施外，針對試車中出現(xiàn)滑油消耗量大故障的發(fā)動機(jī)在試車和分解中發(fā)現(xiàn)的渦輪后機(jī)匣下方支板上有油跡，發(fā)動機(jī)停車后噴口冒白煙，低渦轉(zhuǎn)子二級盤后盤面有滑油結(jié)焦痕跡，高壓壓氣機(jī)一、二級盤腔內(nèi)有少量積油，空氣導(dǎo)管內(nèi)壁有較多滑油結(jié)焦物等現(xiàn)象，根據(jù)批生產(chǎn)中逐步積累的經(jīng)驗(yàn)，目前已將具有針對性的幾項(xiàng)排障措施貫徹到生產(chǎn)工藝中：

1）改善涂膠裝配工藝方法，提高低渦轉(zhuǎn)子“一把抓”結(jié)合面的涂膠質(zhì)量。

2）對№3支點(diǎn)封嚴(yán)外套重新噴涂涂層，內(nèi)徑尺寸縮小，以提高№3支點(diǎn)封嚴(yán)壓力，更好地保證滑油腔內(nèi)外壓差，減少滑油泄漏。

3）保證渦輪后蓋組件安裝邊結(jié)合面的粗糙度及平面著色檢查符合圖紙要求。裝配時(shí)，在此結(jié)合面涂高溫密封漆，進(jìn)一步確保密封性，以防止后腔滑油泄漏。

4）裝配時(shí)，在中央傳動齒輪箱安裝邊、№3支點(diǎn)石墨密封座、№3支點(diǎn)封嚴(yán)外套安裝邊結(jié)合面處涂高溫密封漆。

5）裝配中對№2支點(diǎn)石墨加強(qiáng)保護(hù)，避免在裝配過程中將№2支點(diǎn)石墨環(huán)撞壞掉塊，從而破壞石墨密封裝置的密封性，導(dǎo)致滑油腔泄漏。

6）調(diào)整試車程序，改善發(fā)動機(jī)磨合運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，以減小發(fā)動機(jī)篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的磨損。

6 結(jié)論

針對批生產(chǎn)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)的滑油消耗量大故障，進(jìn)行系統(tǒng)分析、測量統(tǒng)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證等大量研究工作，得出以下結(jié)論：

1）批生產(chǎn)發(fā)動機(jī)滑油消耗量大故障集中反映在后軸承腔，除分解檢查中發(fā)現(xiàn)的幾處漏油點(diǎn)外，其主要原因與后軸承腔封嚴(yán)氣路各處間隙的匹配關(guān)系、轉(zhuǎn)靜子的配合及后軸承腔壓力有關(guān)。

2）針對發(fā)動機(jī)在試車和分解中的故障現(xiàn)象采取了改善低渦轉(zhuǎn)子“一把抓”結(jié)合面的涂膠質(zhì)量；縮小№3支點(diǎn)封嚴(yán)外套內(nèi)孔尺寸，減小№3支點(diǎn)封嚴(yán)篦齒間隙；裝配時(shí)，在中央傳動齒輪箱、№3支點(diǎn)石墨密封座及№3支點(diǎn)封嚴(yán)外套的安裝邊結(jié)合面、后蓋組件結(jié)合面處涂高溫密封漆；調(diào)整試車程序等。上述措施對減小滑油消耗量、降低發(fā)動機(jī)故障率是有利的。

3）對后軸承腔封嚴(yán)篦齒尺寸的測量及驗(yàn)證性復(fù)測結(jié)果表明，工廠試車后篦齒尺寸未超出設(shè)計(jì)文件中規(guī)定的工廠試車后要求，篦齒的磨損量屬于正常磨損范圍。由于后期工廠試車程序的調(diào)整，改變了發(fā)動機(jī)磨合狀態(tài)，№4支點(diǎn)封嚴(yán)篦齒的磨損情況也明顯好轉(zhuǎn)，這一變化影響到№4支點(diǎn)封嚴(yán)和后軸承腔壓力，對后期發(fā)動機(jī)滑油消耗量大故障的明顯減少起到了重要的作用。

4）在發(fā)動機(jī)滑油消耗量大排障工作中，所采取的對№4支點(diǎn)封嚴(yán)環(huán)銀銅涂層重新噴涂、增大渦輪后機(jī)匣外封嚴(yán)環(huán)處間隙等措施，減少了封嚴(yán)空氣向后軸承腔的泄漏量，有效地降低了后軸承腔壓力，成功地排除了數(shù)臺發(fā)動機(jī)滑油消耗量大故障。