某型发动机放气活门密封性能不合格故障研究

徐晓东 徐晓明

摘要：通过分析放气活门密封性不合格故障产生的原因，探索排除放气活门密封不合格故障的方法，改进设计密封圈结构，保证了发动机的工作可靠性。

关键词：密封圈；故障排除；活门密封性

Keywords：seal ring；troubleshooting；valve tightness

0 引言

某型涡扇发动机修理中发现，安装在压气机三级、五级处的放气活门有近35%密封性能不合格，达不到技术条件及工艺规定的密封时间要求。活门密封性能对发动机工作有重要影响。发动机工作时，如果放气活门漏气，压气机功率将降低，增压比下降；若涡轮功率不变，则压气机功率小于涡轮功率，发动机转速将上升；发动机控制系统为保持转速不变，会减少供油量，造成发动机推力下降；为了使推力合格，需调整供油，使供油量增加，推力将升高，涡轮后燃气温度也随之升高；如果放气活门漏气严重，在不降低推力的条件下需不断增加供油量，则涡轮后的燃气温度会不断升高，温度超过一定程度将导致涡轮叶片和导向器叶片烧蚀。

因此，开展放气活门密封性研究，保证放气活门在工作中密封可靠、性能稳定，对提高该型发动机全寿命周期的可靠性有着重大的实际意义。

1 放气活门的主要功能和技术指标

1.1 系统组成

为了保证发动机在小状态时稳定工作，在压气机三级、五级处，各设置两个放气活门。

如图1所示，放气活门由弹簧、顶盖、支架盖子、弹性垫、压环、支承弹簧、封气圈、垫圈及轴用弹性挡圈等组成。顶盖上有一个空心尾杆和带凸缘的配合面，空心尾杆端部为压气机来气导管安装座。

1.2 主要功能

为保证该型发动机在小状态时稳定工作，阻止集气室中的空气漏入发动机外涵，将弹性封严圈压到顶盖圆筒的内表面上，在顶盖底部与盖子之间形成一个封闭式密封腔。发动机不工作时或工作转速较小时，放气活门打开，弹簧使顶盖打开，集气室腔与外涵气道相通。

在发动机没有运转或以低状态工作时，放气活门处于打开位置，由顶在顶盖底面的弹簧的弹力使顶盖脱离集气室并顶到极限位置，集气室打开，集气室腔与外涵流道相通；当发动机运转到规定转速时，由燃油调节器中控制放气活门的机构打开压气机九级后至盖子空心尾部的空气通道，空气通过顶盖尾部中的孔进入盖子与顶盖底部之间的密封腔，腔压升高，并克制弹簧力将顶盖压至与集气室安装边相接触，关闭放气活门堵住集气室空气进入外涵的通路；当发动机由高状态过渡到低状态时，从密封腔出来的空气被排入外涵流道，顶盖被弹簧压出，放气活门打开。

1.3 主要技术指标

放气活门的密封试验（气瓶压力从294kPa下降至245kPa时）时间应不低于150s，保证放气活门密封性能可靠，工作稳定正常。

2 影响放气活门密封性能的原因分析

密封的功能是防止泄漏，造成泄漏的原因主要有两方面：一是密封面上有间隙；二是密封面的两端有压力差。消除或减少任一因素都可以阻止或减小泄漏。

从放气活门结构图可以看出，对放气活门密封性能起主要作用的零件是顶盖、压环、支承弹簧，起关键作用的零件是封气圈 。放气活门工作过程中，通过封气圈内圈与支架盖子带止动边的配合面之间的密封，以及封气圈外圈压到顶盖圆筒内表面上，在顶盖底部与盖子之间形成的一个封闭式密封腔，来保证放气活门的密封性能。

在封气圈与盖子、顶盖所组成的密封副中，客观上存在微量间隙，空气会通过间隙造成泄漏，而封气圈依靠弹性垫、压环的轴向压紧力和支承弹簧的支承力来控制密封副之间的间隙，如将空隙控制在一定范围内，可使封严装置的漏气量较少，密封时间延长。

因此，要保证放气活门的密封性，关键取决于封气圈与顶盖内腔的配合以及封严装置的装配质量。

3 排除放气活门密封不合格的方法

根据分析得出的影响放气活门密封性能不合格的主要原因，进行了支架盖子、顶盖与封气圈相关配合型面检查以及压环、支承弹簧、弹性垫刚性及弹性检查，对封气圈进行了改进设计，并对封气圈的加工工艺增加了环境控制要求及切削加工参数控制要求。通过40件封气圈的反复装机试验验证，装机试验合格率达100%。

3.1 盖子、顶盖与封气圈相关配合型面检查

放气活门工作时，封气圈与盖子带止动边的配合面之间相对静止，封气圈与顶盖圆筒内表面存在相對运动，工作一个寿命期后，盖子、顶盖相关配合面若发生变形，会直接影响放气活门的密封性。对其进行尺寸公差及形位公差计量，若发现不合格，需进行修理或更换新品。

3.2 压环、支承弹簧、弹性垫刚性及弹性检查

对起压紧支承作用的压环、支承弹簧、弹性垫等零件进行计量分析，检测压环、支承弹簧、弹性垫是否合格。通过二十多台次的计量检测，压环、弹性垫基本无变形，均在合格范围内，但反复的试验验证对密封性能有一定影响。试验中发现，密封性能不合格的放气活门通过更换支承弹簧后性能合格。因此，修理时需对支承弹簧进行检查，如变形较为严重，应更换新品，二次修理时可通过故检来判断是否需要更换。

3.3 封气圈的改进设计及试验验证

经反复试验分析，起关键密封作用的是封气圈，材料为SFBN聚四氟乙烯，该材料具有耐热性、耐化学腐蚀性、耐候性，介电性能优异，摩擦系数小，不易粘，不易燃，缺点是易蠕变，机械性能较低，刚性差，热膨胀大。该材料在航空、航天中作为耐高温及耐腐蚀衬垫、密封垫使用。通过对比分析和计算模拟，确定影响密封性能的主要因素为顶盖内腔与封气圈配合型面接触环带宽度的尺寸，另外，成品零件材料的厚度、外形尺寸、加工精度等对其密封性能影响较大。当封气圈外径尺寸ΦA不变，缩小α角，则顶盖内腔与封气圈配合型面的接触环带宽度将随之变大。通过多次改进设计（见图2），当α角由10°调整为6°时，顶盖内腔与封气圈配合型面接触环带宽度由2.8mm左右增加到4.8mm左右（见图3），相应减小β角和调整ΦA 、ΦB、ΦC、ΦD，封气圈壁厚尺寸不变以保证其柔韧性和强度。经分组加工、分组进行试验验证考核，最终达到了较为理想的密封效果。

经过以上分析，进行针对性研究及改进，将改进后的封气圈装配在放气活门上，按工艺要求进行厂内试验，即按放气活门技术条件规定的密封试验要求时间（气瓶压力从294kPa下降至245kPa）应不低于150s，检查其密封性能情况。为保证检查的准确性和可靠性，将检查时间延长为200s，合格率达到100%。

4 结论

改进后产品性能在厂内试验器和工厂试车中已得到验证，满足任务中明确的技术指标。2019年6月以来，厂内修理的20多台发动机再未发生放气活门密封不合格故障，充分验证了该项研究的有效性，解决了密封性不合格难题，达到了研究改进的目标。