某涡轴发动机停车冒烟故障分析

彭富霞 滕官宏伟

摘要：介绍了某涡轴发动机停车冒烟故障，通过建立故障树，对停车冒烟原因进行逐层剖析，结合分解检查和试验手段，展开了详细的分析，最终查明故障原因，并采取了相应排故措施。经过试验验证，故障得到排除。

关键词：涡轴发动机；冒烟；碳石墨密封装置

Keywords：turboshaft engine；smoking；graphite seal

1 故障现象

某涡轴发动机在停车过程中，尾喷管出现大量冒烟现象。在燃气发生器转子转速（Ng转速）下降至15%～20%左右时，发动机尾喷管开始冒烟并逐渐增多，弥漫整个试车间，给发动机研制和试验造成了困扰，影响发动机使用和试车安全。正常情况下，发动机停车过程中不会出现冒烟现象，当有燃油或滑油泄漏至流道中时，才会引起发动机冒烟现象。

2 建立故障树

以发动机停车冒烟为顶事件，建立故障树，如图1所示。从燃油泄漏、A腔滑油泄漏、B腔滑油泄漏、C腔滑油泄漏四个方面查找故障原因，通过对发动机进行分解检查、测试、试验等研究分析，确认故障原因。

3 故障排查

3.1 分解检查情况

观察停车冒烟为白色烟雾，可排除底事件X1（燃油泄漏）。

对发动机进行分解检查，对供、回油油路、供油喷嘴等零组件进行密封性及流量流向试验检查，均符合设计要求，可排除底事件X2（供油过量）、X5（回油路堵塞）；对管路连接处进行设计复查，并在分解后进行管路连接专项密封试验，未见渗漏油现象，可排除底事件X9（B腔管路连接处密封失效）、X13（C腔管路连接处密封失效）。

对分解后各轴承腔前、后零组件进行观察分析，发现故障发动机B腔后、C腔前部位多個零件有明显积炭，A腔前、后零件无明显积炭，由此可排除底事件X3（A腔碳石墨密封装置失效）、X4（A腔篦齿密封失效）、X8（B腔篦齿密封失效）、X12（C腔后盖板处密封失效）。

通过以上分析，仍有4个底事件X6（滑油泵回油能力不足）、X7（B腔碳石墨密封装置失效）、X10（封严压差不足）、X11（C腔碳石墨密封装置失效）不能排除。

3.2 轴承腔积油测量

发动机分解检查过程中，拆卸B、C腔回油管时，管路和轴承腔中有过多滑油流出。通过分析，轴承腔积油的原因是停车过程中B、C轴承腔的滑油泵回油能力不足，导致积油较多，再加上管路中的余油回流，使轴承腔滑油液面进一步升高，当滑油液面超过碳石墨密封面时，可能造成滑油泄漏。

为了减少轴承腔的积油，对回油管路进行改制，增大管径，重新布置加工管型，增强回油管收油能力，避免停车后管路中余油回流至轴承腔。在某台份发动机上进行了对比试验验证，停车冒烟现象没有得到改善。发动机分解检查后，对管路和轴承腔中的余油进行收集，约60ml，与轴承腔容量进行对比，未超过碳石墨密封主密封面。因此认为，轴承腔的积油不是导致停车冒烟的原因，可排除底事件X6（滑油泵回油能力不足）。

3.3 封严压力测试

随着发动机状态的变化，各腔压力也随之变化，当轴承腔外与腔内的压差不能满足碳石墨密封装置的封严要求时，可能导致滑油泄漏。在发动机停车过程中，各腔压力均快速下降，下降速度不尽相同，当压差出现逆向，则可能导致滑油泄漏。

为了保证轴承腔的密封效果，发动机设计要求慢车以上转速时封严压差≥3kPa。对B、C腔工作过程中的腔压进行测量，结果表明，发动机慢车以上工作转速时，B、C腔封严压力均满足设计要求；停车过程中，由于气流作用，轴承腔外封严腔压力随转速快速下降，轴承腔腔内压力相对恒定，封严压差减小，但与同类无故障发动机数据基本一致。故可排除底事件X10（封严压差不足）。

3.4 碳石墨密封装置失效原因查找

根据上述分析，判断B腔、C腔碳石墨密封装置失效是导致停车冒烟的主要原因。重点对B腔、C腔碳石墨密封装置进行研究分析，以查找失效原因。

1）密封原理

碳石墨密封装置主要密封构件为石墨密封环，由三段分瓣环搭接组成，在其外径沟槽中设置周向拉伸弹簧，保证密封环与转动体之间的接触，形成主密封面；在卡圈与密封环之间设置轴向压缩弹簧，保证密封环与碳密封壳体之间的接触，形成辅助密封面。初始密封依靠拉伸弹簧和压缩弹簧实现，工作时密封环与转动体间隙内的流体产生动压浮升力，密封环浮起，密封环与转动体之间的间隙被刚性流体膜隔开，可减小固体间的摩擦接触，同时阻止高压侧气体向低压侧泄漏。

在发动机轴承腔中，轴承和轴上元件的滚动及密封跑道倒角的驱动力可激起强烈的油气涡旋，引起局部压力增大，在封油压力不足时会造成滑油泄漏。为消除或减缓油气涡旋的影响，将装配倒角延伸到密封壳体内的凸边以外，并远离石墨密封环，在倒角和密封壳体内凸边的近倒角侧设计1个环槽，以此形成离心力场来截断由倒角形成的冲击油膜；还在碳密封壳体的内径表面上设计宽齿槽窄齿尖的粗牙反螺纹，借助密封跑道工作面的搅风作用，利用旋转的惯性，使抛到螺旋槽中的油滴返回到油腔；为了提高慢车或风车转速下的搅风作用，在倒角的边缘外径表面上，设计了深度为0.3～0.5mm、宽度为3～5mm的轴向甩油槽[1]。

2）失效原因排查

B、C腔碳石墨密封装置结构示意图如图2所示。通过对B、C腔碳石墨密封装置的结构分析，发现该发动机的碳石墨密封装置装配倒角延伸在碳密封壳体的凸边以内，且在凸边的近倒角侧没有设计环槽，未能截断由倒角形成的冲击油膜。粗牙反螺纹的设计是为了在搅风作用下收集密封转动体表面的油滴并利用惯性使其返回油腔，以避免滑油从密封环处渗漏，而该发动机的粗牙反螺纹位于转动体的外侧，无法起到收集并驱赶油滴的作用。

综上所述，碳石墨密封装置失效的原因为：

a.转动体与碳密封壳体相对位置设计不合理，包括装配倒角与密封壳体、粗牙反螺纹与转动体的相对位置设计不合理；

b.碳密封壳体凸边近倒角侧未设计环槽。

4 故障机理分析

通过对故障现象分析、发动机分解检查、轴承腔积油测量及封严压力测试等，判定停车冒烟是由B腔、C碳石墨密封装置失效导致的，故障机理如下：

在停车过程中轴承腔由油气涡旋引起的局部压力增大，由于B腔、C腔碳石墨密封装置转动体与碳密封壳体相对位置设计不合理，以及碳密封壳体凸边近倒角侧未设计环槽，无法达到消除减缓油气涡旋的作用，导致在发动机停车过程中外部封严压力不断减小时滑油泄漏。滑油通过B腔、C腔碳石墨密封装置泄漏，经弹支表面向下方渗漏，一部分经隔板组件与弹支之间的通气槽进入隔板与过渡段之间的腔室，另一部分顺着隔板组件外表面向下进入流道，在流道的高温燃气作用下滑油碳化，因此发动机出现冒烟现象。

5 排故及验证情况

针对故障原因，制定如下排故措施：

1）对B腔、C腔碳石墨密封壳体进行改进设计，确保装配倒角延伸在壳体凸边以内；

2）在壳体凸边近倒角侧设计卸油槽，以截断由倒角形成的冲击油膜。

将改制后的碳石墨密封装置装机验证试车，发动机停车过程中无冒烟现象，故障得以排除。

参考文献

[1]王伟，赵宗坚，张振生.单环圆周密封装置设计和应用研究[J].航空发动机，2009，35（4）：6-10