某型發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管冒煙問題分析

(中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所,湖南株洲 412002)

1 問題描述

2019年6月，某型發(fā)動(dòng)機(jī)配裝飛機(jī)在外場(chǎng)進(jìn)行地面開車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管有濃煙冒出。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)B腔回油濾積碳嚴(yán)重。問題發(fā)生時(shí)，該發(fā)動(dòng)機(jī)已累計(jì)工作600余小時(shí)。

圖1 B腔回油濾積碳

圖2 中心拉桿積碳

2 廠內(nèi)整機(jī)檢查和驗(yàn)證試車情況

2.1 整機(jī)檢查

發(fā)動(dòng)機(jī)返廠后，整機(jī)分解前檢查滑油泵各級(jí)回油濾網(wǎng)，除B腔回油濾網(wǎng)上收集大量片狀積碳（見圖1）外，其余濾網(wǎng)均無異常；整機(jī)狀態(tài)下檢查B腔、C腔外觀無漏油痕跡。

2.2 驗(yàn)證試車

發(fā)動(dòng)機(jī)返廠后，未排放滑油箱內(nèi)的滑油，仍使用外場(chǎng)帶回的滑油進(jìn)行驗(yàn)證試車，試車前清除B腔回油濾網(wǎng)積碳。整個(gè)試車過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，無尾噴管冒煙現(xiàn)象，滑油消耗量在限制值范圍內(nèi)。

3 分解檢查情況

3.1 分解檢查

分解檢查發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪軸承座無異常，外表面無積碳現(xiàn)象，檢查動(dòng)力渦輪軸承座無異常，外表面無積碳現(xiàn)象。

燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子表面無油跡。

檢查中心拉桿，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部有積碳，部分呈片狀起皮狀態(tài)，如圖2所示。

3.2 計(jì)量檢查

對(duì)動(dòng)力渦輪軸承座、燃?xì)鉁u輪軸承座等相關(guān)零件進(jìn)行尺寸精密計(jì)量，結(jié)果無異常。

3.3 理化分析

對(duì)收集到的積碳進(jìn)行了理化分析。收集物呈黑色，表面光亮，尺寸約1mm×1mm至4mm×4mm不等，形狀不規(guī)則，經(jīng)紅外光譜、能譜、碳硫分析，收集物主要成分為碳，為酯類油的碳化物。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)及中心拉桿內(nèi)通風(fēng)簡(jiǎn)介

4.1 通風(fēng)系統(tǒng)工作原理

通風(fēng)系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于維持軸承腔的封嚴(yán)壓差，保證封嚴(yán)裝置正常工作，防止腔內(nèi)滑油（油氣）外泄具有重要作用[1]。通風(fēng)系統(tǒng)常見形式有：節(jié)流式通風(fēng)系統(tǒng)、自由式通風(fēng)系統(tǒng)和軸心式通風(fēng)系統(tǒng)[2]。

圖3 通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

如圖3所示，該型發(fā)動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)為軸心式通風(fēng)系統(tǒng)，油氣分離過程和系統(tǒng)的通風(fēng)均融于部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

各腔室的通風(fēng)如下：

A腔的油氣進(jìn)入動(dòng)力渦輪軸和測(cè)扭基準(zhǔn)軸間的環(huán)形槽，油被分離回到油池，分離后的油氣向后流動(dòng)，經(jīng)動(dòng)力后蓋板上的孔排出。

B腔的油氣進(jìn)入中心拉桿和動(dòng)力渦輪軸間的環(huán)形槽，油被分離回到油池，油氣向前流動(dòng)至A腔，參與A腔的通風(fēng)。

C腔的油氣通過測(cè)扭基準(zhǔn)軸和通氣管間的通道進(jìn)入基準(zhǔn)軸內(nèi)孔，油分離后通過毛細(xì)孔至C腔，殘留的油沉積在蓋板，被回油泵抽回，油氣從發(fā)動(dòng)機(jī)尾部排出。

滑油箱和附件機(jī)匣腔的油氣進(jìn)入A腔，參與A腔通風(fēng)。

4.2 中心拉桿內(nèi)通風(fēng)簡(jiǎn)介

發(fā)動(dòng)機(jī)中心拉桿內(nèi)通風(fēng)設(shè)計(jì)示意圖見圖4，B腔油氣進(jìn)入動(dòng)力渦輪軸和中心拉桿形成的環(huán)形通道，在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下進(jìn)行油氣分離，油氣中含有的滑油通過甩油凸臺(tái)分離后匯集在中心拉桿對(duì)應(yīng)位置的環(huán)形槽中，然后通過中心拉桿上4-Φ4mm的小孔進(jìn)入燃?xì)鉁u輪盤軸頸上對(duì)應(yīng)的環(huán)形槽中，再通過與環(huán)形槽相連的4個(gè)排油槽回到B軸承腔。回到B軸承腔的滑油被甩到軸承腔壁面上，最后匯集到軸承腔下方通過回油管路回到滑油箱進(jìn)行滑油循環(huán)。中心拉桿內(nèi)環(huán)進(jìn)口處的螺紋除了在安裝時(shí)施加預(yù)緊力外，另外一個(gè)作用是螺旋趕油，可將離心力作用下甩到中心拉桿內(nèi)環(huán)進(jìn)口處內(nèi)壁上的滑油驅(qū)趕回B軸承腔。

圖4 中心拉桿通風(fēng)示意圖

圖5 中心拉桿改進(jìn)示意圖

5 冒煙原因分析

由于中心拉桿內(nèi)環(huán)面存在凹槽，在發(fā)動(dòng)機(jī)大狀態(tài)工作過程中，通風(fēng)系統(tǒng)的油氣在凹槽內(nèi)聚集，高溫條件下產(chǎn)生積碳，在積碳厚度、粘結(jié)力、壁面粗糙度、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等多種因素的復(fù)雜作用下，積碳偶發(fā)性脫落，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)和起動(dòng)階段，由于B腔回油泵的抽吸作用，碳?jí)K進(jìn)入B腔，隨滑油一起被抽到B腔回油濾網(wǎng)處聚集，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致回油不暢，引起滑油在B腔積聚后從封嚴(yán)裝置處泄漏至發(fā)動(dòng)機(jī)流道內(nèi)，導(dǎo)致尾噴管嚴(yán)重冒煙。

6 設(shè)計(jì)改進(jìn)及驗(yàn)證情況

6.1 改進(jìn)措施

為解決中心拉桿積碳問題，在該型發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)項(xiàng)目中進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化。采取了以下改進(jìn)措施：

6.1.1 防止中心拉桿內(nèi)表面積油

如圖5所示，去除中心拉桿在渦輪盤下方對(duì)應(yīng)的位置的凹的內(nèi)環(huán)面，保持中心拉桿內(nèi)表面平直無積油處。

6.1.2 增加B腔油氣分離裝置

如圖6所示，利用中心拉桿上的壓緊螺母和動(dòng)力渦輪軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)體內(nèi)環(huán)，在B腔內(nèi)部，中心拉桿與動(dòng)力渦輪軸形成的通道進(jìn)口處設(shè)置較高效的離心式油氣分離結(jié)構(gòu)，盡可能減少滑油進(jìn)入中心拉桿內(nèi)部。

（1）中心拉桿上的壓緊螺母上設(shè)置2排24×φ1mm的通氣孔，通氣孔底部分別設(shè)置鍋形收油槽，利用離心力進(jìn)行油氣初步分離；

（2）內(nèi)環(huán)上設(shè)置梯形螺紋，將油氣往油池方向驅(qū)趕，減少滑油進(jìn)入中心拉桿內(nèi)部。

與改進(jìn)前比較，B腔油氣設(shè)置了兩級(jí)分離裝置，并且加裝的油氣分離裝置分離效果更高，從定性上分析，改進(jìn)后的油氣分離效果應(yīng)遠(yuǎn)高于改進(jìn)前；另一方面，由于中心拉桿內(nèi)表面平直無積油處，可從根本上解決中心拉桿積碳的問題。

圖6 B腔油氣分離裝置示意圖

6.2 驗(yàn)證情況

落實(shí)改進(jìn)措施的該臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在廠內(nèi)試車情況良好，整個(gè)試車過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，無尾噴管冒煙現(xiàn)象，滑油消耗量在限制值范圍內(nèi)。

同時(shí)，中心拉桿積碳導(dǎo)致冒煙問題的改進(jìn)措施在該型發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)項(xiàng)目中進(jìn)行了貫徹，落實(shí)了改進(jìn)措施的發(fā)動(dòng)機(jī)在廠內(nèi)首翻期持久試車及外場(chǎng)使用中均未出現(xiàn)此類冒煙問題，使用情況良好。發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查情況較好，中心拉桿內(nèi)積碳僅為薄皮狀，極大的改善了積碳情況，問題得到有效解決。

7 結(jié)論

該發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中中心拉桿內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重積碳，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段，積碳脫落后被回油泵抽吸聚集在回油濾網(wǎng)上，其脫落原因與積碳厚度、粘結(jié)力、壁面粗糙度、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等多種因素有關(guān)。回油濾網(wǎng)堵塞后，導(dǎo)致B軸承腔回油不暢，從而引起B(yǎng)軸承腔積油，積聚的滑油從軸承腔封嚴(yán)處泄漏到主流道中導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管冒煙。

采取的防止中心拉桿內(nèi)表面積油、增加B腔油氣分離裝置等措施，可以有效改善中心拉桿內(nèi)積碳情況，解決尾噴管冒煙問題。