某改進型發(fā)動機軸承腔漏油故障分析

李旺 曾廣樂 張蕊

摘 要：為了解決某改進型航空發(fā)動機臺架試車過程中出現(xiàn)的軸承腔漏油問題，文章通過對比分析，并對通風系統(tǒng)中支撐環(huán)這一關(guān)鍵結(jié)構(gòu)開展流體動力學仿真研究，查找出造成通風不暢引起軸承腔漏油的根本性原因，提出了兩點改進措施。根據(jù)改進方案，建立通風系統(tǒng)仿真模型，計算及驗證結(jié)果表明改進措施可行，能夠有效降低軸承腔腔壓，解決漏油問題。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機;通風系統(tǒng);軸承腔漏油;數(shù)值模擬;故障分析

中圖分類號：V232.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0094-02

0 引言

某改進型發(fā)動機在臺架試車過程中，尾部有少量青煙冒出。分解發(fā)動機后，檢查發(fā)現(xiàn)燃氣渦輪軸承腔（B腔）前后均存在不同程度的滑油泄漏跡象。

通過分析試車數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機壓氣機軸承腔（A腔）與燃氣渦輪軸承腔（B腔）腔壓偏高，造成A腔與B腔的封嚴壓差偏低。因此，發(fā)動機在轉(zhuǎn)速下拉過程中，易導致滑油從軸承腔往外泄漏。表1為該改進型發(fā)動機試車數(shù)據(jù)與某型發(fā)動機試車數(shù)據(jù)對比。

表1中：PA-A腔腔壓，PA前—A腔前封嚴壓力，PA后—A腔后封嚴壓力，PB-B腔腔壓，PB前—B腔前封嚴壓力，PB后—B腔后封嚴壓力，各壓力值均為絕壓，下同。

1發(fā)動機通風系統(tǒng)工作原理介紹

通風系統(tǒng)是發(fā)動機滑油系統(tǒng)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(nèi)滑油（油氣）外泄具有重要作用[1]。通風系統(tǒng)常見形式有：節(jié)流式通風系統(tǒng)、自由式通風系統(tǒng)和軸心式通風系統(tǒng)[2]。

如圖1所示，該改進型發(fā)動機通風系統(tǒng)為軸心式通風系統(tǒng)，油氣分離過程和系統(tǒng)的通風均融于部件結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 故障原因分析

經(jīng)過結(jié)構(gòu)對比分析，造成A、B腔通風不暢，滑油泄漏的主要原因為以下兩個方面。

2.1 測扭基準軸支撐環(huán)通氣面積過小

該改進型發(fā)動機的測扭基準軸與動力渦輪軸之間設(shè)置了一個支撐環(huán)，支撐環(huán)為爪型結(jié)構(gòu)，中間鏤空，模型如圖2所示。內(nèi)孔及外環(huán)通過點焊連接到基準軸和動力渦輪軸，起固定基準軸的作用。

在通風流程中，支撐環(huán)位于A、B腔通風路下游，如圖3所示。經(jīng)計算，支撐環(huán)阻擋有效通氣面積約87%;同時，支撐環(huán)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大的風阻。

為了定量地分析支撐環(huán)的存在對通風系統(tǒng)的影響，研究采用計算流體動力學仿真（CFD）方法模擬不同通風量下的流阻損失特性。取圖3中虛線框所示計算區(qū)域作為研究對象。流體計算湍流模型采用Realizable k-e湍流模型。邊界條件及計算工況見表2。

根據(jù)建立的仿真計算模型，分別計算出帶支撐環(huán)與不帶支撐環(huán)情況下的流量與通風阻力特性數(shù)據(jù)，計算結(jié)果如圖4所示。

由此得出，在不帶支撐環(huán)的情況下，該段流路的通風流阻相對較小，基本可忽略不計;而支撐環(huán)的存在，很大程度上增加了系統(tǒng)通風阻力，且通風量與通風流阻成二次方關(guān)系。

2.2尾部引射不足

油氣進入C腔后蓋板后進一步進行油氣分離，分離后的氣從發(fā)動機尾部由尾噴管內(nèi)高速燃氣引射排出，某改進型發(fā)動機與某型發(fā)動機尾部引射對比如圖5所示。

該改進型發(fā)動機在試車過程中，C腔蓋板腔壓最高達到8177Pa，而某型發(fā)動機C腔蓋板腔壓為（-500～500）Pa。對比可知，該改進型發(fā)動機尾部引射不足，使通風系統(tǒng)出口背壓過高，導致系統(tǒng)腔壓整體偏高。

3改進方案及驗證

3.1改進方案

針對該發(fā)動機軸承腔漏油的故障，提出改進方案如下：

（1）支撐環(huán)右移。通過對動力渦輪軸進行改制，將支撐環(huán)右移，油氣不經(jīng)過該支撐環(huán)直接進入到基準軸內(nèi)孔，以減小通風過程中由支撐環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的局部損失。

（2）增大尾部引射。換裝某型發(fā)動機尾噴管內(nèi)環(huán)，降低排氣尾錐內(nèi)的壓力，提高尾噴管的對通風系統(tǒng)排氣的引射能力。

3.2計算仿真

根據(jù)實際情況，針對該改進型發(fā)動機地面條件、穩(wěn)定工況下改進前、后的通風系統(tǒng)進行計算仿真[3]。

如圖6所示，建立滑油通風系統(tǒng)整體仿真分析模型。該模型為非閉合系統(tǒng)，確定邊界條件、各元件結(jié)構(gòu)及特性參數(shù)后，即可進行特定工況下的計算仿真。

發(fā)動機在地面標準天最大狀態(tài)時通風系統(tǒng)計算邊界條件見表3。

在給定的工況下，經(jīng)過計算獲得了該發(fā)動機通風系統(tǒng)中改進前、后A腔、B腔的腔壓值，見表4。

3.3試驗驗證

改進前、后，該發(fā)動機在ng=45000r/min設(shè)計點時的A腔、B腔的腔壓試車數(shù)據(jù)見表5，試驗后發(fā)動機分解檢查未見明顯滑油泄漏痕跡。

由表4與表5中試車數(shù)據(jù)與計算仿真數(shù)據(jù)對比中可以看出：腔壓計算誤差不大，滿足計算精度要求;通過改進，A腔與B腔腔壓明顯降低，改進效果明顯。

4 結(jié)論

針對某改進型發(fā)動機臺架試車過程中出現(xiàn)的軸承腔漏油問題，文章對滑油通風系統(tǒng)支撐環(huán)結(jié)構(gòu)進行流體動力學仿真計算分析，并與某型發(fā)動機試車數(shù)據(jù)對比，查找出故障出現(xiàn)的根本原因，提出了兩點改進措施。通過驗證，改進后的方案能夠明顯降低軸承腔腔壓，有效解決發(fā)動機軸承腔滑油泄漏問題，為后續(xù)型號研制工作積累了寶貴經(jīng)驗。

參考文獻

[1] 馬枚.航空發(fā)動機軸心通風系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)演變及分析[J].燃氣渦輪與研究，1994（4）：23-30.

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

[3] 路彬，劉振俠，呂亞國，等.航空發(fā)動機滑油通風系統(tǒng)性能計算仿真[J].航空計算技術(shù)，2011，41（4）：32-35.