某發動機滑油消耗量大故障影響因素分析

武曉龍， 姜甲玉， 張桐

（1.海軍駐沈陽地區發動機專業軍事代表室，沈陽 110000；2.海裝沈陽局，沈陽 110000 3.沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，沈陽110043）

0 引言

某發動機批生產以來，試車中多次出現滑油消耗量大故障。這一問題嚴重影響了發動機正常生產與交付。

影響發動機滑油消耗量的因素很多，且故障機理較為復雜，既有機件本身性能問題，也有機件相互之間的匹配性及系統之間的協調性問題。要解決該問題，需對滑油系統結構、原理進行分析研究，找出其故障原因和影響因素，以制定有效的排障和預防措施，保證發動機工作安全可靠。

1 滑油系統結構特點

某發動機滑油系統為封閉式反向循環系統，由供油、回油、通氣、密封增壓4個子系統組成。具有以下主要特點：

1）按發動機總體布局，設有5個主軸軸承，分為3個軸承腔：前軸承腔（主要由№1支點軸承、低壓轉速測量裝置組成），中軸承腔（主要由№2、3支點軸承、中央傳動裝置組成），后軸承腔（主要由№4、5支點軸承組成）。中、后軸承腔經高壓轉子的空氣導管與低壓渦輪軸之間的間隙相通。

2）支點采用軸承腔和密封增壓腔兩腔設計結構。

3）每個軸承腔均有轉動密封裝置，№1支點后、№2支點前、№3支點后和№5支點后采用接觸式石墨密封，由于高、低壓轉子反轉，№4支點前的高、低壓渦輪之間采用了非接觸式篦齒封嚴結構。

4）系統采用2處（3個離心通風器）通風，一是低壓腔（前軸承腔、發動機和飛機附件機匣）通風，由離心通風器完成；二是高壓腔（中、后軸承腔）通風，由前、后軸心通風器完成。

5）采用機外組合供、回油泵，一級為供油泵；四級回油泵為前、中、后軸承腔和附件機匣回油泵。

6）前軸承腔引用低壓風扇后的空氣封嚴；中軸承腔引用高壓壓氣機三級后空氣封嚴；后軸承腔№4支點前采用非接觸式篦齒封嚴，引用高壓二、三級空氣同時封嚴，№5支點后引用高壓壓氣機二級后空氣封嚴。

2 滑油消耗量大故障現象

廠內試車中出現滑油消耗量大故障的發動機在試車和分解檢查過程中，普遍存在以下情況：

1）發動機試車過程中各個階段試車程序不同，評定滑油消耗量數值差異較大。大狀態工作時間比例大的試車程序評定滑油消耗量偏大，小狀態工作時間比例大的試車程序評定滑油消耗量偏小。發動機停車5～10 min后，噴口有少量白煙冒出。

2）渦輪后機匣下方支板上有油跡，低壓渦輪下方積油。

3）在起動不成功的情況下，少量滑油從后通風管沿尾錐流下。

4）低渦轉子二級盤后盤面有滑油結焦痕跡。

5）低渦轉子№4支點封嚴結構第二、三道蜂窩處有油跡，№4支點盤心封嚴環內壁上有較多片狀滑油結焦物。

6）后蓋組件安裝邊前結合面非結合部位有結焦和積炭痕跡，通風管外壁有積炭。

7）高壓壓氣機一、二級盤腔內有少量積油，鼓筒上甩油孔附近一、二級葉片上有油跡。

8）空氣導管內壁有較多滑油結焦物。

3 滑油系統綜合分析

滑油消耗量是發動機一項重要的性能指標，由于在發動機工作時，離心通風器不可能將油氣中的滑油全部分離出來，部分滑油會隨氣體排出，同時，各軸承處的封嚴裝置也不可能將滑油完全封住，因此滑油將有消耗。正常情況下，某發動機滑油消耗量（規定）不大于0.8 L/h。根據發動機滑油系統結構及工作原理，一般情況下，滑油消耗量大通常有以下幾種原因：

1）發動機外部漏油，包括潤滑系統附件和外部供回油管路漏油。

2）發動機內部漏油，由于密封增壓系統失效，通過密封裝置漏油。

3）通風系統油氣分離效率低，滑油蒸氣通過通風系統排出造成消耗，另外，通風流量的大小也是影響滑油消耗量的重要因素。通風量大，滑油消耗量就大。

4）滑油回油泵效率低，供、回油能力不匹配，導致滑油存積在軸承腔內回不到滑油箱而影響滑油消耗量。

結合發動機故障現象，復查了不同批次發動機在滑油消耗量方面存在的差異，對分解過程中發現的異常和可能造成滑油消耗量大的因素進行分析研究及清理排查。根據發動機試車后分解檢查情況看，與滑油消耗量大故障相關的噴口冒白煙、低壓渦輪下方積油、空氣導管內壁有滑油結焦物等故障現象主要集中反映在后軸承腔，這可能是由于篦齒封嚴間隙匹配不佳，高轉速狀態下泄入軸承腔的封嚴氣體過多導致油氣排出過多，且低轉速狀態下封嚴壓力不足造成少量滑油泄漏。

對此有針對性地開展了整機試驗驗證，將某發動機的高壓渦輪轉子、低壓渦輪轉子組件、渦輪后機匣等渦輪部件全部串給滑油消耗量合格的某臺發動機，進行試驗試車，結果表明串過渦輪部件后，其滑油消耗量大幅度超標。初步分析認為渦輪部件、轉靜子的配合關系對滑油消耗量影響較大。

4 統計分析與試驗驗證及結果

根據對滑油系統分析，并結合發動機在試車和分解檢查過程中存在的與滑油消耗量大故障相關現象主要集中反映在后軸承腔的情況，在排除發動機外部漏油的可能性后，針對后軸承腔的供回油比、№5支點石墨密封裝置、各封嚴間隙的匹配關系、轉靜子的配合關系等方面進行了統計分析及驗證性試驗工作。

4.1 分析、驗證后腔供回油比對滑油消耗量的影響

在臺架試車中，檢查后軸承腔存油量為1L左右，存油量較多，分析認為在發動機停車后滑油有可能從腔內溢出，導致滑油消耗量大。為分析這一問題，對不同批次發動機后腔供、回油情況進行了統計對比分析，并通過調整后腔供油量及減小后腔存油量進行了試車，驗證改變后腔供回油比對消耗量的影響。

4.1.1 后腔供、回油情況統計分析

理論分析認為，通過減小滑油供回油比可相對提高回油能力，有利于滑油消耗量，通過對不同批次發動機后腔供、回油情況進行的統計結果表明，無論是滑油消耗量大（不合格）還是消耗量小（合格）的發動機，其后腔噴嘴供油量、回油流量值基本相同，均符合設計要求。從這一結果看，目前發動機試車中滑油消耗量大故障與后腔噴嘴供油量和回油流量值沒有直接關系。

4.1.2 調整后腔供油量驗證試車

在滑油系統后腔供油路上裝有節流嘴，后腔供油量由該節流嘴限定，裝配前對該流量在試驗器上進行檢查，不符合要求時可通過對孔進行修磨使其合格。

為驗證改變后腔供油量對滑油消耗量的影響程度，通過更換4種不同內孔尺寸供油節流嘴，在一定流量范圍內調整后腔供油量，在2臺發動機上進行了驗證試車，其滑油消耗量無變化。臺架試車結果表明在一定范圍內改變后腔供油路上的節流嘴內孔尺寸，調整后腔供油量，對滑油消耗量沒有明顯影響。

4.1.3 減小后腔存油量對比驗證試車

發動機在分解過程中，多次發現低渦二級盤后盤面有滑油結焦痕跡，且表現為滑油從盤心流向盤緣。分析認為，造成這種現象的原因可能是在停車過程中，后軸承腔的供回油能力失去平衡，回油能力不足，后腔積油較多，停車后滑油從回油管路回流，后腔油面進一步升高，超過了№5支點石墨及№4支點封嚴篦齒，造成滑油泄漏。為減少后腔存油量，在后腔回油管路上設計安裝收油箱試驗件，在某發動機上進行了無收油箱和安裝收油箱試驗件對比驗證試車。從4次試車評定滑油消耗量的結果來看，無收油箱和安裝收油箱試驗件的滑油消耗量基本一致，安裝收油箱試驗件對滑油消耗量沒有改善，從試車后的放油情況看，安裝收油箱試驗件沒有減少后腔存油量。上述改變后腔供油量和減小后腔存油量等，都是圍繞后腔供回油比開展的工作，統計、試驗結果表明，在一定范圍內改變后腔供回油比，滑油消耗量沒有明顯變化。后腔滑油供回油比不是導致目前出現的滑油消耗量大故障的因素。

4.2 №5支點石墨密封裝置對滑油消耗量的影響

№5支點后為接觸式圓周石墨密封裝置，主要由石墨環、石墨環座、彈簧和卡環等組成。周向彈簧圍繞在石墨環外，其彈力使石墨向軸心方向壓緊，達到圓周方向密封作用；軸向裝有波形壓縮彈簧組件，彈力作用在石墨環端面上起輔助密封作用。工作中如周向彈簧的拉力和軸向波形彈簧的彈力減小，將引起滑油泄漏量增大。為此對各批次周向彈簧的拉力進行了復查，并對波形彈簧采用不同焊接工藝進行了石墨密封組件泄漏量對比試驗及驗證試車。

從針對№5支點石墨密封裝置進行的檢查和試驗、試車結果可以看出，批生產中所裝配的№5支點石墨密封裝置能夠滿足其封嚴要求，與目前出現的滑油消耗量大故障沒有直接關系。

4.3 篦齒測量及統計分析

后軸承腔№4支點封嚴采用非接觸式篦齒封嚴結構，高渦后軸頸上6道篦齒尺寸是影響后軸承腔密封的關鍵因素。圍繞6道篦齒對新品機件及工廠試車后機件篦齒尺寸、裝配間隙（數據略），進行了大量的測量及驗證性復測工作。

從試車后篦齒尺寸的變化情況看，未超出設計文件中規定的試車后允許減小的磨損要求，篦齒的磨損量應屬于正常磨損范圍。從№4支點封嚴篦齒磨損情況可以看出，后期生產的發動機試車后篦齒磨損量基本小于前期生產的發動機。分析認為，由于后期工廠試車程序的調整，改變了發動機磨合狀態，№4支點封嚴篦齒的磨損情況也明顯好轉，這一變化影響到№4支點封嚴空氣壓力和后軸承腔壓力，對后期發動機滑油消耗量大故障的明顯改善起到了重要的作用。

4.4 后腔封嚴間隙對滑油消耗量影響分析及驗證

由于該發動機高、低壓轉子反轉，其后軸承腔№4支點前采用非接觸式篦齒封嚴，引用高壓二、三級空氣同時封嚴，№5支點后引用高壓壓氣機二級后空氣封嚴，其結構見圖1。

高壓二級空氣通過渦輪后機匣支板內導管，進入到第三道二齒外腔及№5支點石墨密封裝置外腔，分別對№4、5支點進行封嚴。對№4支點進行封嚴的空氣一部分通過第三道二齒及第四道六齒進入到后軸承腔內，另一部分通過第二道三齒泄漏到外腔，與經過三道弓形齒進入的五級冷卻空氣及三級空氣摻混后，進入到后封嚴齒前腔內。圖1中所示的各處篦齒間隙對封嚴壓力及后軸承腔壓力都有影響。若各處封嚴間隙匹配不好，可能會導致后軸承腔壓力偏高，軸心通風流量增大，造成滑油消耗量增大。

4.4.1 計算分析

理論分析及計算表明，各處間隙尺寸及相互間的匹配關系對滑油消耗量均有直接的影響，尤其第四道六齒與№4封嚴環銀銅涂層之間的間隙，是空氣系統向滑油腔泄漏空氣較敏感的位置。表1中列出了分別以0.05 mm、0.2 mm及0.6 mm作為工作間隙，計算出的空氣泄漏量、軸承腔壓力和軸心通風排氣量結果。

表1 按照六齒不同間隙計算

從表1可以看出，上述3項數值均隨間隙增大而有不同程度的升高，表明隨著工作間隙的增大，封嚴空氣向軸承腔內泄漏量增多，致使軸承腔壓力升高，并導致軸心通風排氣量增大，帶出的滑油增多，從而導致滑油消耗量增大。

4.4.2 驗證試驗

依據上述結論，在排障工作中，采取了對№4支點封嚴環銀銅涂層進行重新噴涂、加大渦輪后機匣外封嚴環蜂窩內徑尺寸等措施，以降低軸承腔壓力，減少軸心通風排氣量，從而達到降低滑油消耗量的目的，并且已通過數臺發動機驗證了排障方案的有效性。

5 針對性排障措施

除上述主要排障措施外，針對試車中出現滑油消耗量大故障的發動機在試車和分解中發現的渦輪后機匣下方支板上有油跡，發動機停車后噴口冒白煙，低渦轉子二級盤后盤面有滑油結焦痕跡，高壓壓氣機一、二級盤腔內有少量積油，空氣導管內壁有較多滑油結焦物等現象，根據批生產中逐步積累的經驗，目前已將具有針對性的幾項排障措施貫徹到生產工藝中：

1）改善涂膠裝配工藝方法，提高低渦轉子“一把抓”結合面的涂膠質量。

2）對№3支點封嚴外套重新噴涂涂層，內徑尺寸縮小，以提高№3支點封嚴壓力，更好地保證滑油腔內外壓差，減少滑油泄漏。

3）保證渦輪后蓋組件安裝邊結合面的粗糙度及平面著色檢查符合圖紙要求。裝配時，在此結合面涂高溫密封漆，進一步確保密封性，以防止后腔滑油泄漏。

4）裝配時，在中央傳動齒輪箱安裝邊、№3支點石墨密封座、№3支點封嚴外套安裝邊結合面處涂高溫密封漆。

5）裝配中對№2支點石墨加強保護，避免在裝配過程中將№2支點石墨環撞壞掉塊，從而破壞石墨密封裝置的密封性，導致滑油腔泄漏。

6）調整試車程序，改善發動機磨合運轉狀態，以減小發動機篦齒封嚴結構的磨損。

6 結論

針對批生產發動機出現的滑油消耗量大故障，進行系統分析、測量統計及試驗驗證等大量研究工作，得出以下結論：

1）批生產發動機滑油消耗量大故障集中反映在后軸承腔，除分解檢查中發現的幾處漏油點外，其主要原因與后軸承腔封嚴氣路各處間隙的匹配關系、轉靜子的配合及后軸承腔壓力有關。

2）針對發動機在試車和分解中的故障現象采取了改善低渦轉子“一把抓”結合面的涂膠質量；縮小№3支點封嚴外套內孔尺寸，減小№3支點封嚴篦齒間隙；裝配時，在中央傳動齒輪箱、№3支點石墨密封座及№3支點封嚴外套的安裝邊結合面、后蓋組件結合面處涂高溫密封漆；調整試車程序等。上述措施對減小滑油消耗量、降低發動機故障率是有利的。

3）對后軸承腔封嚴篦齒尺寸的測量及驗證性復測結果表明，工廠試車后篦齒尺寸未超出設計文件中規定的工廠試車后要求，篦齒的磨損量屬于正常磨損范圍。由于后期工廠試車程序的調整，改變了發動機磨合狀態，№4支點封嚴篦齒的磨損情況也明顯好轉，這一變化影響到№4支點封嚴和后軸承腔壓力，對后期發動機滑油消耗量大故障的明顯減少起到了重要的作用。

4）在發動機滑油消耗量大排障工作中，所采取的對№4支點封嚴環銀銅涂層重新噴涂、增大渦輪后機匣外封嚴環處間隙等措施，減少了封嚴空氣向后軸承腔的泄漏量，有效地降低了后軸承腔壓力，成功地排除了數臺發動機滑油消耗量大故障。