某渦軸發動機停車冒煙故障分析

彭富霞 滕官宏偉

摘要：介紹了某渦軸發動機停車冒煙故障，通過建立故障樹，對停車冒煙原因進行逐層剖析，結合分解檢查和試驗手段，展開了詳細的分析，最終查明故障原因，并采取了相應排故措施。經過試驗驗證，故障得到排除。

關鍵詞：渦軸發動機；冒煙；碳石墨密封裝置

Keywords：turboshaft engine；smoking；graphite seal

1 故障現象

某渦軸發動機在停車過程中，尾噴管出現大量冒煙現象。在燃氣發生器轉子轉速（Ng轉速）下降至15%～20%左右時，發動機尾噴管開始冒煙并逐漸增多，彌漫整個試車間，給發動機研制和試驗造成了困擾，影響發動機使用和試車安全。正常情況下，發動機停車過程中不會出現冒煙現象，當有燃油或滑油泄漏至流道中時，才會引起發動機冒煙現象。

2 建立故障樹

以發動機停車冒煙為頂事件，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，通過對發動機進行分解檢查、測試、試驗等研究分析，確認故障原因。

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）。

對發動機進行分解檢查，對供、回油油路、供油噴嘴等零組件進行密封性及流量流向試驗檢查，均符合設計要求，可排除底事件X2（供油過量）、X5（回油路堵塞）；對管路連接處進行設計復查，并在分解后進行管路連接專項密封試驗，未見滲漏油現象，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、后零組件進行觀察分析，發現故障發動機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

發動機分解檢查過程中，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一步升高，當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，對回油管路進行改制，增大管徑，重新布置加工管型，增強回油管收油能力，避免停車后管路中余油回流至軸承腔。在某臺份發動機上進行了對比試驗驗證，停車冒煙現象沒有得到改善。發動機分解檢查后，對管路和軸承腔中的余油進行收集，約60ml，與軸承腔容量進行對比，未超過碳石墨密封主密封面。因此認為，軸承腔的積油不是導致停車冒煙的原因，可排除底事件X6（滑油泵回油能力不足）。

3.3 封嚴壓力測試

隨著發動機狀態的變化，各腔壓力也隨之變化，當軸承腔外與腔內的壓差不能滿足碳石墨密封裝置的封嚴要求時，可能導致滑油泄漏。在發動機停車過程中，各腔壓力均快速下降，下降速度不盡相同，當壓差出現逆向，則可能導致滑油泄漏。

為了保證軸承腔的密封效果，發動機設計要求慢車以上轉速時封嚴壓差≥3kPa。對B、C腔工作過程中的腔壓進行測量，結果表明，發動機慢車以上工作轉速時，B、C腔封嚴壓力均滿足設計要求；停車過程中，由于氣流作用，軸承腔外封嚴腔壓力隨轉速快速下降，軸承腔腔內壓力相對恒定，封嚴壓差減小，但與同類無故障發動機數據基本一致。故可排除底事件X10（封嚴壓差不足）。

3.4 碳石墨密封裝置失效原因查找

根據上述分析，判斷B腔、C腔碳石墨密封裝置失效是導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件為石墨密封環，由三段分瓣環搭接組成，在其外徑溝槽中設置周向拉伸彈簧，保證密封環與轉動體之間的接觸，形成主密封面；在卡圈與密封環之間設置軸向壓縮彈簧，保證密封環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，工作時密封環與轉動體間隙內的流體產生動壓浮升力，密封環浮起，密封環與轉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，同時阻止高壓側氣體向低壓側泄漏。

在發動機軸承腔中，軸承和軸上元件的滾動及密封跑道倒角的驅動力可激起強烈的油氣渦旋，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的凸邊以外，并遠離石墨密封環，在倒角和密封殼體內凸邊的近倒角側設計1個環槽，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徑表面上設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作用，利用旋轉的慣性，使拋到螺旋槽中的油滴返回到油腔；為了提高慢車或風車轉速下的攪風作用，在倒角的邊緣外徑表面上，設計了深度為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構示意圖如圖2所示。通過對B、C腔碳石墨密封裝置的結構分析，發現該發動機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，且在凸邊的近倒角側沒有設計環槽，未能截斷由倒角形成的沖擊油膜。粗牙反螺紋的設計是為了在攪風作用下收集密封轉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處滲漏，而該發動機的粗牙反螺紋位于轉動體的外側，無法起到收集并驅趕油滴的作用。

綜上所述，碳石墨密封裝置失效的原因為：

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

b.碳密封殼體凸邊近倒角側未設計環槽。

4 故障機理分析

通過對故障現象分析、發動機分解檢查、軸承腔積油測量及封嚴壓力測試等，判定停車冒煙是由B腔、C碳石墨密封裝置失效導致的，故障機理如下：

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動體與碳密封殼體相對位置設計不合理，以及碳密封殼體凸邊近倒角側未設計環槽，無法達到消除減緩油氣渦旋的作用，導致在發動機停車過程中外部封嚴壓力不斷減小時滑油泄漏。滑油通過B腔、C腔碳石墨密封裝置泄漏，經彈支表面向下方滲漏，一部分經隔板組件與彈支之間的通氣槽進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入流道，在流道的高溫燃氣作用下滑油碳化，因此發動機出現冒煙現象。

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行改進設計，確保裝配倒角延伸在殼體凸邊以內；

2）在殼體凸邊近倒角側設計卸油槽，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驗證試車，發動機停車過程中無冒煙現象，故障得以排除。

參考文獻

[1]王偉，趙宗堅，張振生.單環圓周密封裝置設計和應用研究[J].航空發動機，2009，35（4）：6-10