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PW1100發(fā)動(dòng)機(jī)3號(hào)軸承封嚴(yán)失效模式以及改進(jìn)介紹

2018-07-26

姜柏松
（南方航空深圳分公司飛機(jī)維修廠技術(shù)培訓(xùn)室）

　　摘　要：普惠發(fā)動(dòng)機(jī)公司的Z新型發(fā)動(dòng)機(jī)PW1100自投入運(yùn)行以來，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計(jì)和客戶的要求，但新型發(fā)動(dòng)機(jī)初始設(shè)計(jì)缺陷也嚴(yán)重的困擾著用戶和普惠。

　　其中Z突出的是3號(hào)軸承封嚴(yán)的磨損問題，已造成全球數(shù)十起的發(fā)動(dòng)機(jī)非計(jì)劃更換。本文從設(shè)計(jì)上分析了軸承封嚴(yán)磨損的原因，同時(shí)，也從原理上分析了廠家改進(jìn)方案的機(jī)理。

　　一、PW1100G-JM發(fā)動(dòng)機(jī)簡介

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

　　傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪、低壓壓氣機(jī)和風(fēng)扇共用低壓軸，低壓壓氣機(jī)和風(fēng)扇由低壓渦輪驅(qū)動(dòng)，以同一轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)榈蛪簻u輪、低壓壓氣機(jī)和風(fēng)扇尺寸相差較大，為了使風(fēng)扇工作在效率較高的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪不得不工作在低于Z優(yōu)轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速上。

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

　　引入驅(qū)動(dòng)齒輪可提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低燃油消耗、空氣污染和噪音；同時(shí)，大幅度降低運(yùn)行成本和對(duì)環(huán)境的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，PW1100發(fā)動(dòng)機(jī)油耗比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)降低15%以上，污染物排放和噪音比CAEP 6標(biāo)準(zhǔn)低50%。

　　二、PW1100發(fā)動(dòng)機(jī)的3號(hào)軸承封嚴(yán)缺陷

　　A320neo/PW1100自2016年1月初始運(yùn)行，已經(jīng)交付了54架飛機(jī)。PW1100發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中的性能表現(xiàn)完全滿足了設(shè)計(jì)目標(biāo)和客戶要求。

　　同時(shí)，相比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，由于PW1100發(fā)動(dòng)機(jī)采用了較多的設(shè)計(jì)革新，各個(gè)系統(tǒng)還不完善。在初始運(yùn)行一年半的時(shí)間里，PW1100發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出了一系列初始設(shè)計(jì)缺陷，有的初始缺陷對(duì)飛機(jī)正常運(yùn)行產(chǎn)生了較大的影響（延誤，非計(jì)劃換發(fā)等）。

　　其中Z顯著的是3號(hào)軸承封嚴(yán)的缺陷，由于此缺陷導(dǎo)致的非計(jì)劃更換發(fā)動(dòng)機(jī)占到了總非計(jì)劃更換發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量的70%以上。

3號(hào)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(cè)到金屬屑超標(biāo)，按照排故程序，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)6個(gè)磁堵，3號(hào)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(chǎng)換發(fā)。

　　導(dǎo)致磁堵上大量金屬屑的原因是3號(hào)軸承腔封嚴(yán)的不正常磨損。

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

 　　正常情況下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)靜止時(shí)，碳封嚴(yán)和封嚴(yán)盤接觸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于封嚴(yán)氣膜的作用，碳封嚴(yán)抬升。因此，碳封嚴(yán)和封嚴(yán)盤只在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段有短暫的接觸摩擦，磨損是很小的。但在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)氣膜阻尼有時(shí)會(huì)被突破，碳封嚴(yán)和封嚴(yán)盤直接接觸接觸。

　　這種短時(shí)的“觸碰”會(huì)導(dǎo)致碳封嚴(yán)早期的機(jī)械磨損，以及碳封嚴(yán)底座和封嚴(yán)盤的接觸。這種金屬對(duì)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(cè)系統(tǒng)捕獲后產(chǎn)生警告，Z終導(dǎo)致非計(jì)劃換發(fā)。

　　所以，碳封嚴(yán)磨損的根本原因是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，碳封嚴(yán)突破了氣膜的阻尼，和封嚴(yán)盤有直接接觸。

　　四、3號(hào)軸承碳封嚴(yán)磨損缺陷的改進(jìn)措施

　　針對(duì)封嚴(yán)氣膜不穩(wěn)定，容易被“突破”的問題，普惠公司從封嚴(yán)本體設(shè)計(jì)和產(chǎn)生氣膜的封嚴(yán)空氣氣路兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，來解決封嚴(yán)磨損的問題。
　　1.封嚴(yán)本體設(shè)計(jì)改進(jìn)（改進(jìn)1/PHASE 1）
　　廠家重新設(shè)計(jì)碳封嚴(yán)組件，降低碳封嚴(yán)的彈簧負(fù)載，以增加抬升（阻尼）氣膜的厚度。同時(shí)，對(duì)高壓軸也進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，去掉碳封嚴(yán)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(yán)時(shí)的累計(jì)誤差。碳封嚴(yán)本體設(shè)計(jì)的改進(jìn)只能在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)場(chǎng)分解時(shí)才能執(zhí)行。

　　2.封嚴(yán)空氣氣路的改進(jìn)（改進(jìn)1A/PHASE 1A）

　　經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，證實(shí)有三種類型的碳封嚴(yán)重復(fù)“觸碰”：

　　1）封嚴(yán)空氣轉(zhuǎn)換導(dǎo)致；
　　2）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量導(dǎo)致；
　　3）封嚴(yán)空氣溫度導(dǎo)致。

　　廠家解決以上問題的辦法是對(duì)軸承封嚴(yán)空氣系統(tǒng)管路進(jìn)行文氏管改裝，同時(shí)在翼升級(jí)EEC（發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制盒）軟件至版本FCS4.0b。

　　軸承腔封嚴(yán)空氣來源自發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引氣，低轉(zhuǎn)速時(shí)來自高壓壓氣機(jī)3級(jí)引氣，高轉(zhuǎn)速時(shí)來自低壓壓氣機(jī)出口（2.5級(jí)）引氣，封嚴(yán)空氣源的轉(zhuǎn)換由EEC根據(jù)封嚴(yán)空氣的壓力等參數(shù)進(jìn)行控制。由于2.5級(jí)引氣和高壓3級(jí)引氣在壓力和溫度上相差過大，導(dǎo)致在封嚴(yán)空氣轉(zhuǎn)換過程中容易出現(xiàn)上述三種類型的碳封嚴(yán)磨損。

　　因此，廠家重新設(shè)計(jì)了封嚴(yán)空氣的管路，將高壓3級(jí)的引氣管有原來的直管設(shè)計(jì)改成了中部有節(jié)流效果的文氏管設(shè)計(jì)。以降低高壓3級(jí)封嚴(yán)空氣的壓力和溫度，減少和2.5級(jí)引氣之間的差異，使得封嚴(yán)空氣源在轉(zhuǎn)換時(shí)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡。

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

　　飛行數(shù)據(jù)驗(yàn)證文氏管改裝和EEC軟件FCS4.0b對(duì)軸承封嚴(yán)磨損的改進(jìn)效果：

　　1）對(duì)封嚴(yán)空氣轉(zhuǎn)換導(dǎo)致磨損的改進(jìn)效果

　　飛行驗(yàn)證數(shù)據(jù)顯示，文氏管改裝前，封嚴(yán)空氣轉(zhuǎn)換時(shí)，由于氣源（2.5級(jí)引氣和高壓3級(jí)引氣）間壓力下降過大，導(dǎo)致阻尼氣膜無法保持，發(fā)生觸碰現(xiàn)象。文氏管的引進(jìn)，使得封嚴(yán)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(dǎo)致的封嚴(yán)磨損。

 　　2）對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量導(dǎo)致磨損的改進(jìn)效果
　　當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速改變時(shí)或者高轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，這時(shí)如果軸承的阻尼較小，將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)較大，這樣軸承封嚴(yán)和封嚴(yán)盤在轉(zhuǎn)子動(dòng)量和振動(dòng)的作用下發(fā)生觸碰，導(dǎo)致封嚴(yán)磨損。廠家升級(jí)EEC軟件至FCS4.0b版本，改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下軸承的阻尼計(jì)劃。當(dāng)轉(zhuǎn)子動(dòng)量較大時(shí)，EEC控制增加軸承的阻尼，減小轉(zhuǎn)子的振動(dòng)，來消除軸承封嚴(yán)的磨損。

　　3）對(duì)封嚴(yán)空氣溫度導(dǎo)致磨損的改進(jìn)效果
　　封嚴(yán)空氣溫度過高，將會(huì)導(dǎo)致封嚴(yán)氣膜兩側(cè)的碳封嚴(yán)和封嚴(yán)盤膨脹，膨脹到一定程度會(huì)發(fā)生接觸，導(dǎo)致封嚴(yán)磨損。引進(jìn)文氏管，降低封嚴(yán)空氣的溫度；同時(shí)，升級(jí)EEC，把封嚴(yán)空氣溫度作為一個(gè)限制參數(shù)，當(dāng)高壓引氣溫度過高時(shí)，不轉(zhuǎn)換至高壓高溫氣源作為封嚴(yán)空氣，來消除高溫膨脹導(dǎo)致的封嚴(yán)磨損。

　　五、結(jié)束語

　　任何一款新型發(fā)動(dòng)機(jī)的初始運(yùn)行階段，都會(huì)碰到在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和測(cè)試階段無法模擬出的設(shè)計(jì)缺陷，特別是采用了新的技術(shù)革新。如果對(duì)初始設(shè)計(jì)缺陷能較快較好的解決，不但可以推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)公司的Z新產(chǎn)品，設(shè)計(jì)性能優(yōu)越，同時(shí)也面對(duì)著初始設(shè)計(jì)缺陷的挑戰(zhàn)。目前來看，3號(hào)軸承封嚴(yán)是PW1100發(fā)動(dòng)機(jī)Z亟待解決的問題，普惠公司已經(jīng)發(fā)布了針對(duì)性的改進(jìn)方案。

　　從飛行驗(yàn)證數(shù)據(jù)來看，很好的解決了3號(hào)軸承封嚴(yán)磨損問題。但正如前所述，驗(yàn)證飛行不能完全模擬實(shí)際使用狀態(tài)。隨著改進(jìn)措施的推進(jìn)，飛機(jī)的實(shí)際運(yùn)行將在實(shí)踐中檢驗(yàn)廠家改進(jìn)方案的有效性。

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

（來源：Sunline適航與維修）