主頁 > 軸承知識(shí)

PW1100發(fā)動機3號軸承封嚴失效模式以及改進介紹

2018-07-26

姜柏松
（南方航空深圳分公司飛機維修廠技術培訓室）

　　摘　要：普惠發(fā)動機公司的Z新型發(fā)動機PW1100自投入運行以來，雖然發(fā)動機的各項指標都達到設計和客戶的要求，但新型發(fā)動機初始設計缺陷也嚴重的困擾著用戶和普惠。

　　其中Z突出的是3號軸承封嚴的磨損問題，已造成全球數(shù)十起的發(fā)動機非計劃更換。本文從設計上分析了軸承封嚴磨損的原因，同時，也從原理上分析了廠家改進方案的機理。

　　一、PW1100G-JM發(fā)動機簡介

　　PW1100G-JM發(fā)動機（簡稱PW1100）是普惠公司研發(fā)的新一代發(fā)動機，也稱為齒輪傳動風扇發(fā)動機（Geared Turbofan Engine, GTF）。PW1100發(fā)動機是空中客車A320neo系列飛機的選裝動力，是具有超高涵道比、低速齒輪驅(qū)動風扇的軸流、雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機。

　　傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機的低壓渦輪、低壓壓氣機和風扇共用低壓軸，低壓壓氣機和風扇由低壓渦輪驅(qū)動，以同一轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。因為低壓渦輪、低壓壓氣機和風扇尺寸相差較大，為了使風扇工作在效率較高的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)發(fā)動機的低壓壓氣機和低壓渦輪不得不工作在低于Z優(yōu)轉(zhuǎn)速的風扇轉(zhuǎn)速上。

　　PW1100發(fā)動機Z大的技術革新是在低壓壓氣機和風扇之間加了一個驅(qū)動齒輪組件，使低壓壓氣機和風扇工作在不同的轉(zhuǎn)速。這樣使風扇和低壓壓氣機、低壓渦輪都工作在各自效率較高的轉(zhuǎn)速。

　　引入驅(qū)動齒輪可提升發(fā)動機性能，降低燃油消耗、空氣污染和噪音；同時，大幅度降低運行成本和對環(huán)境的影響。據(jù)統(tǒng)計，PW1100發(fā)動機油耗比傳統(tǒng)發(fā)動機降低15%以上，污染物排放和噪音比CAEP 6標準低50%。

　　二、PW1100發(fā)動機的3號軸承封嚴缺陷

　　A320neo/PW1100自2016年1月初始運行，已經(jīng)交付了54架飛機。PW1100發(fā)動機在實際運行中的性能表現(xiàn)完全滿足了設計目標和客戶要求。

　　同時，相比傳統(tǒng)發(fā)動機，由于PW1100發(fā)動機采用了較多的設計革新，各個系統(tǒng)還不完善。在初始運行一年半的時間里，PW1100發(fā)動機表現(xiàn)出了一系列初始設計缺陷，有的初始缺陷對飛機正常運行產(chǎn)生了較大的影響（延誤，非計劃換發(fā)等）。

　　其中Z顯著的是3號軸承封嚴的缺陷，由于此缺陷導致的非計劃更換發(fā)動機占到了總非計劃更換發(fā)動機數(shù)量的70%以上。

3號軸承缺陷的典型表現(xiàn)是觸發(fā)ECAM警告：ENG X OIL CHIP DETECTED，故障信息：OIL DEBRIS OVERLIMIT DETECTD BY OD。警告提示探測到金屬屑超標，按照排故程序，檢查發(fā)動機6個磁堵，3號軸承腔磁堵和角齒輪箱磁堵上有大量金屬屑和黑色油泥，需要緊急停場換發(fā)。

　　導致磁堵上大量金屬屑的原因是3號軸承腔封嚴的不正常磨損。

　　三、3號軸承腔封嚴缺陷分析
　　3號軸承是支撐高壓轉(zhuǎn)子前端的球軸承，位于3號軸承腔內(nèi)。3號軸承腔的封嚴采用的是抬升式碳封嚴設計（lift-off Seal），起到對3號軸承潤滑滑油的封嚴功能。抬升式封嚴設計降低了高轉(zhuǎn)速時的封嚴磨損。在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，在封嚴盤的溝槽（Grooves）內(nèi)產(chǎn)生空氣壓力，使碳封嚴和封嚴盤分離，碳封嚴和封嚴盤之間有薄薄的一層氣膜，從而減少了碳封嚴的磨損。

 　　正常情況下，當發(fā)動機靜止時，碳封嚴和封嚴盤接觸。當發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，由于封嚴氣膜的作用，碳封嚴抬升。因此，碳封嚴和封嚴盤只在發(fā)動機起動階段有短暫的接觸摩擦，磨損是很小的。但在實際的發(fā)動機運轉(zhuǎn)測試中，發(fā)現(xiàn)氣膜阻尼有時會被突破，碳封嚴和封嚴盤直接接觸接觸。

　　這種短時的“觸碰”會導致碳封嚴早期的機械磨損，以及碳封嚴底座和封嚴盤的接觸。這種金屬對金屬的磨損產(chǎn)生大量的金屬顆粒，金屬顆粒被金屬屑探測系統(tǒng)捕獲后產(chǎn)生警告，Z終導致非計劃換發(fā)。

　　所以，碳封嚴磨損的根本原因是發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，碳封嚴突破了氣膜的阻尼，和封嚴盤有直接接觸。

　　四、3號軸承碳封嚴磨損缺陷的改進措施

　　針對封嚴氣膜不穩(wěn)定，容易被“突破”的問題，普惠公司從封嚴本體設計和產(chǎn)生氣膜的封嚴空氣氣路兩個方面進行改進，來解決封嚴磨損的問題。
　　1.封嚴本體設計改進（改進1/PHASE 1）
　　廠家重新設計碳封嚴組件，降低碳封嚴的彈簧負載，以增加抬升（阻尼）氣膜的厚度。同時，對高壓軸也進行了重新設計，去掉碳封嚴和高壓軸之間的擋塊，以減少由于部件差異帶來的安裝碳封嚴時的累計誤差。碳封嚴本體設計的改進只能在發(fā)動機進場分解時才能執(zhí)行。

　　2.封嚴空氣氣路的改進（改進1A/PHASE 1A）

　　經(jīng)試驗測試，證實有三種類型的碳封嚴重復“觸碰”：

　　1）封嚴空氣轉(zhuǎn)換導致；
　　2）轉(zhuǎn)動慣量導致；
　　3）封嚴空氣溫度導致。

　　廠家解決以上問題的辦法是對軸承封嚴空氣系統(tǒng)管路進行文氏管改裝，同時在翼升級EEC（發(fā)動機電子控制盒）軟件至版本FCS4.0b。

　　軸承腔封嚴空氣來源自發(fā)動機壓氣機引氣，低轉(zhuǎn)速時來自高壓壓氣機3級引氣，高轉(zhuǎn)速時來自低壓壓氣機出口（2.5級）引氣，封嚴空氣源的轉(zhuǎn)換由EEC根據(jù)封嚴空氣的壓力等參數(shù)進行控制。由于2.5級引氣和高壓3級引氣在壓力和溫度上相差過大，導致在封嚴空氣轉(zhuǎn)換過程中容易出現(xiàn)上述三種類型的碳封嚴磨損。

　　因此，廠家重新設計了封嚴空氣的管路，將高壓3級的引氣管有原來的直管設計改成了中部有節(jié)流效果的文氏管設計。以降低高壓3級封嚴空氣的壓力和溫度，減少和2.5級引氣之間的差異，使得封嚴空氣源在轉(zhuǎn)換時實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。

　　同時，升級EEC軟件至FCS4.0b版本，也降低了封嚴空氣源的轉(zhuǎn)換循環(huán)次數(shù)，來降低封嚴磨損的可能性。文氏管改裝和EEC升級可在翼完成。

　　飛行數(shù)據(jù)驗證文氏管改裝和EEC軟件FCS4.0b對軸承封嚴磨損的改進效果：

　　1）對封嚴空氣轉(zhuǎn)換導致磨損的改進效果

　　飛行驗證數(shù)據(jù)顯示，文氏管改裝前，封嚴空氣轉(zhuǎn)換時，由于氣源（2.5級引氣和高壓3級引氣）間壓力下降過大，導致阻尼氣膜無法保持，發(fā)生觸碰現(xiàn)象。文氏管的引進，使得封嚴空氣源之間的壓力差距減小，氣源轉(zhuǎn)換平穩(wěn)，杜絕了氣源轉(zhuǎn)換導致的封嚴磨損。

 　　2）對轉(zhuǎn)動慣量導致磨損的改進效果
　　當發(fā)動機轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速改變時或者高轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)動慣量較大，這時如果軸承的阻尼較小，將會導致轉(zhuǎn)子振動較大，這樣軸承封嚴和封嚴盤在轉(zhuǎn)子動量和振動的作用下發(fā)生觸碰，導致封嚴磨損。廠家升級EEC軟件至FCS4.0b版本，改變發(fā)動機轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下軸承的阻尼計劃。當轉(zhuǎn)子動量較大時，EEC控制增加軸承的阻尼，減小轉(zhuǎn)子的振動，來消除軸承封嚴的磨損。

　　3）對封嚴空氣溫度導致磨損的改進效果
　　封嚴空氣溫度過高，將會導致封嚴氣膜兩側(cè)的碳封嚴和封嚴盤膨脹，膨脹到一定程度會發(fā)生接觸，導致封嚴磨損。引進文氏管，降低封嚴空氣的溫度；同時，升級EEC，把封嚴空氣溫度作為一個限制參數(shù)，當高壓引氣溫度過高時，不轉(zhuǎn)換至高壓高溫氣源作為封嚴空氣，來消除高溫膨脹導致的封嚴磨損。

　　五、結(jié)束語

　　任何一款新型發(fā)動機的初始運行階段，都會碰到在發(fā)動機設計和測試階段無法模擬出的設計缺陷，特別是采用了新的技術革新。如果對初始設計缺陷能較快較好的解決，不但可以推進發(fā)動機的快速成熟，也能提升客戶的信心，贏得客戶的信賴。

　　PW1100作為普惠發(fā)動機公司的Z新產(chǎn)品，設計性能優(yōu)越，同時也面對著初始設計缺陷的挑戰(zhàn)。目前來看，3號軸承封嚴是PW1100發(fā)動機Z亟待解決的問題，普惠公司已經(jīng)發(fā)布了針對性的改進方案。

　　從飛行驗證數(shù)據(jù)來看，很好的解決了3號軸承封嚴磨損問題。但正如前所述，驗證飛行不能完全模擬實際使用狀態(tài)。隨著改進措施的推進，飛機的實際運行將在實踐中檢驗廠家改進方案的有效性。

　　同時，普惠公司應更加具有前瞻性，在觀察改進效果期間，繼續(xù)探索軸承封嚴的后續(xù)提升方案。

（來源：Sunline適航與維修）