某型發動機尾噴管冒煙問題分析

李旺 曾廣樂 張蕊

摘 要：某型發動機在外場使用過程中出現了尾噴管嚴重冒煙問題，在整機檢查、驗證試車和分解檢查的基礎上，結合發動機通風系統原理進行了冒煙問題原因分析。確定原因為中心拉桿內部積碳脫落堵塞回油濾網，導致積聚的滑油從封嚴裝置泄漏至發動機流道內，引起尾噴管冒煙。針對問題原因，提出了兩個改進措施，經試驗及使用驗證，措施有效，冒煙問題得到解決。

關鍵詞：發動機;尾噴管冒煙;通風系統

1 問題描述

2019年6月，某型發動機配裝飛機在外場進行地面開車時，發動機尾噴管有濃煙冒出。現場檢查發現發動機B腔回油濾積碳嚴重。問題發生時，該發動機已累計工作600余小時。

2 廠內整機檢查和驗證試車情況

2.1整機檢查

發動機返廠后，整機分解前檢查滑油泵各級回油濾網，除B腔回油濾網上收集大量片狀積碳（見圖1）外，其余濾網均無異常;整機狀態下檢查B腔、C腔外觀無漏油痕跡。

2.2 驗證試車

發動機返廠后，未排放滑油箱內的滑油，仍使用外場帶回的滑油進行驗證試車，試車前清除B腔回油濾網積碳。整個試車過程中，發動機工作正常，無尾噴管冒煙現象，滑油消耗量在限制值范圍內。

3 分解檢查情況

3.1 分解檢查

分解檢查發動機燃氣渦輪軸承座無異常，外表面無積碳現象，檢查動力渦輪軸承座無異常，外表面無積碳現象。

燃氣渦輪轉子表面無油跡。

檢查中心拉桿，發現其內部有積碳，部分呈片狀起皮狀態，如圖2所示。

3.2 計量檢查

對動力渦輪軸承座、燃氣渦輪軸承座等相關零件進行尺寸精密計量，結果無異常。

3.3 理化分析

對收集到的積碳進行了理化分析。收集物呈黑色，表面光亮，尺寸約1mm×1mm至4mm×4mm不等，形狀不規則，經紅外光譜、能譜、碳硫分析，收集物主要成分為碳，為酯類油的碳化物。

4 發動機通風系統及中心拉桿內通風簡介

4.1 通風系統工作原理

通風系統是發動機滑油系統的重要組成部分，對于維持軸承腔的封嚴壓差，保證封嚴裝置正常工作，防止腔內滑油（油氣）外泄具有重要作用[1]。通風系統常見形式有：節流式通風系統、自由式通風系統和軸心式通風系統[2]。

如圖3所示，該型發動機通風系統為軸心式通風系統，油氣分離過程和系統的通風均融于部件結構設計。

各腔室的通風如下：

A腔的油氣進入動力渦輪軸和測扭基準軸間的環形槽，油被分離回到油池，分離后的油氣向后流動，經動力后蓋板上的孔排出。

B腔的油氣進入中心拉桿和動力渦輪軸間的環形槽，油被分離回到油池，油氣向前流動至A腔，參與A腔的通風。

C腔的油氣通過測扭基準軸和通氣管間的通道進入基準軸內孔，油分離后通過毛細孔至C腔，殘留的油沉積在蓋板，被回油泵抽回，油氣從發動機尾部排出。

滑油箱和附件機匣腔的油氣進入A腔，參與A腔通風。

4.2 中心拉桿內通風簡介

發動機中心拉桿內通風設計示意圖見圖4，B腔油氣進入動力渦輪軸和中心拉桿形成的環形通道，在旋轉離心力的作用下進行油氣分離，油氣中含有的滑油通過甩油凸臺分離后匯集在中心拉桿對應位置的環形槽中，然后通過中心拉桿上4-Φ4mm的小孔進入燃氣渦輪盤軸頸上對應的環形槽中，再通過與環形槽相連的4個排油槽回到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行滑油循環。中心拉桿內環進口處的螺紋除了在安裝時施加預緊力外，另外一個作用是螺旋趕油，可將離心力作用下甩到中心拉桿內環進口處內壁上的滑油驅趕回B軸承腔。

5 冒煙原因分析

由于中心拉桿內環面存在凹槽，在發動機大狀態工作過程中，通風系統的油氣在凹槽內聚集，高溫條件下產生積碳，在積碳厚度、粘結力、壁面粗糙度、發動機振動等多種因素的復雜作用下，積碳偶發性脫落，在發動機冷運轉和起動階段，由于B腔回油泵的抽吸作用，碳塊進入B腔，隨滑油一起被抽到B腔回油濾網處聚集，嚴重時會導致回油不暢，引起滑油在B腔積聚后從封嚴裝置處泄漏至發動機流道內，導致尾噴管嚴重冒煙。

6 設計改進及驗證情況

6.1 改進措施

為解決中心拉桿積碳問題，在該型發動機改進項目中進行了相應優化。采取了以下改進措施：

6.1.1 防止中心拉桿內表面積油

如圖5所示，去除中心拉桿在渦輪盤下方對應的位置的凹的內環面，保持中心拉桿內表面平直無積油處。

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力渦輪軸上的轉動體內環，在B腔內部，中心拉桿與動力渦輪軸形成的通道進口處設置較高效的離心式油氣分離結構，盡可能減少滑油進入中心拉桿內部。

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

（2）內環上設置梯形螺紋，將油氣往油池方向驅趕，減少滑油進入中心拉桿內部。

與改進前比較，B腔油氣設置了兩級分離裝置，并且加裝的油氣分離裝置分離效果更高，從定性上分析，改進后的油氣分離效果應遠高于改進前;另一方面，由于中心拉桿內表面平直無積油處，可從根本上解決中心拉桿積碳的問題。

6.2 驗證情況

落實改進措施的該臺發動機在廠內試車情況良好，整個試車過程中，發動機工作正常，無尾噴管冒煙現象，滑油消耗量在限制值范圍內。

同時，中心拉桿積碳導致冒煙問題的改進措施在該型發動機改進項目中進行了貫徹，落實了改進措施的發動機在廠內首翻期持久試車及外場使用中均未出現此類冒煙問題，使用情況良好。發動機分解檢查情況較好，中心拉桿內積碳僅為薄皮狀，極大的改善了積碳情況，問題得到有效解決。

7 結論

該發動機在工作中中心拉桿內產生嚴重積碳，發動機起動階段，積碳脫落后被回油泵抽吸聚集在回油濾網上，其脫落原因與積碳厚度、粘結力、壁面粗糙度、發動機振動等多種因素有關。回油濾網堵塞后，導致B軸承腔回油不暢，從而引起B軸承腔積油，積聚的滑油從軸承腔封嚴處泄漏到主流道中導致發動機尾噴管冒煙。

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

參考文獻

[1] 馬枚.航空發動機軸心通風系統的結構演變及分析[J].燃氣渦輪與研究，1994（4）：23-30.

[2] 曾廣樂.航空發動機滑油通風系統研究[D].南京：南京航空航天大學，2014.