滑油密封兼容性對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的影響分析

嚴(yán)國(guó)鑫 皮 駿 /

(1. 深圳市潤(rùn)貝化工有限公司，廣東深圳 518108； 2. 中國(guó)民航大學(xué) 中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的密封件具有防止漏油、緩沖減振的作用，是保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)受損和阻止滑油泄漏的重要部件，若密封件受到滑油的腐蝕和膨脹將會(huì)使密封失效，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)受到污染和漏油，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)和使用壽命。

隨著航空燃?xì)鉁u輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)拆換間隔平均時(shí)間(Mean Time Between Removal，簡(jiǎn)稱(chēng)MTBR)可達(dá)10 000 h～15 000 h，最長(zhǎng)的在翼時(shí)間為CFM56-7B創(chuàng)造的50 000 h。隨著推重比的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度EGT也在增大，超過(guò)1 000 ℃的EGT影響了滑油系統(tǒng)的溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)溫度的增加和MTBR的增長(zhǎng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)密封部件提出了更高的長(zhǎng)時(shí)間抗高溫要求，對(duì)滑油也提出了更強(qiáng)的密封兼容性要求。

1 航空滑油性能

1963年，美國(guó)海軍制定了第一版合成型滑油標(biāo)準(zhǔn)MIL-L-23699。為了彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)油-STD(Standard Grade)在JT8D發(fā)動(dòng)機(jī)高溫區(qū)域積碳和氧化問(wèn)題的不足，在1997年，美海軍將滑油標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)為MIL-PRF-23699F，添加了新滑油分類(lèi)高溫油-HTS(High Thermal Stability Grade)，以解決發(fā)動(dòng)機(jī)高溫區(qū)域滑油積碳和氧化問(wèn)題。2000年，美國(guó)汽車(chē)工程協(xié)會(huì)在MIL-PRF-23699F標(biāo)準(zhǔn)之上，制定了更為嚴(yán)格的SAE-AS-5780標(biāo)準(zhǔn)，加入了高性能油-HPC(High Performance Class)的分類(lèi)。航空滑油分類(lèi)詳見(jiàn)表1。

表1 航空滑油分類(lèi)

一般，滑油性能指標(biāo)分為密封件兼容性、氧化穩(wěn)定性、沉淀物控制、低溫流動(dòng)性、氣相煉焦和抗磨損性能，標(biāo)準(zhǔn)油-STD/SPC、高溫油-HTS、高性能油-HPC三種滑油性能差異如圖1所示。

從圖1可知，標(biāo)準(zhǔn)油在密封兼容性、抗磨損性能和低溫流動(dòng)性上優(yōu)于高溫油，而高溫油在沉淀物控制、氣相煉焦和氧化穩(wěn)定性方面比標(biāo)準(zhǔn)油更佳，高性能油是SAE-AS-5780劃分的最新滑油分類(lèi)，各項(xiàng)性能均衡，是未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的方向。

圖1 滑油性能差異

2013年，美國(guó)汽車(chē)工程協(xié)會(huì)又出版了SAE-AS-5780B，加入了長(zhǎng)時(shí)間彈性體相容性測(cè)試，即將航空滑油長(zhǎng)時(shí)間下滑油對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的密封件的腐蝕提出了更高的要求，來(lái)符合未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)更佳的可靠性和在翼壽命。

2 密封兼容性分析

將航空發(fā)動(dòng)機(jī)密封件Viton A浸泡在標(biāo)準(zhǔn)油、高溫油和高性能油中，設(shè)置不同溫度，得到的結(jié)果如圖2所示。當(dāng)溫度為100 ℃，可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)低溫區(qū)域，三種潤(rùn)滑油中的Viton A無(wú)太大差別；當(dāng)溫度為120 ℃，高溫油下的密封件在200 h以后出現(xiàn)過(guò)度膨脹和軟化現(xiàn)象；當(dāng)溫度繼續(xù)升至140 ℃，且在超過(guò)1 800 h以后，高溫油下的密封件不僅過(guò)度膨脹，還出現(xiàn)硬度回落現(xiàn)象，說(shuō)明密封件出現(xiàn)降解；當(dāng)升至160 ℃，高溫油下的密封件出現(xiàn)溶解現(xiàn)象，硬度為零，密封件完全失效。

a) 100 ℃ 膨脹和硬度對(duì)比

b) 120 ℃ 膨脹和硬度對(duì)比

c) 140 ℃ 膨脹和硬度對(duì)比

d) 160 ℃ 膨脹和硬度對(duì)比

3 CFM56-5B/-7B故障實(shí)例

3.1 故障背景

CFM56-5B/-7B發(fā)動(dòng)機(jī)因高滑油消耗率，共發(fā)生了數(shù)十起非計(jì)劃拆除、空停事件，事件的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)大量漏滑油，且在濾網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)了3號(hào)軸承前封嚴(yán)內(nèi)的碎片。

CFM56軸承腔采用篦齒空氣封嚴(yán)形式[1]，從高壓壓氣機(jī)引出的增壓空氣給軸承腔冷卻的同時(shí)還起到滑油封嚴(yán)作用[2]，防止滑油泄漏，如圖3所示。

圖3 CFM56軸承分布結(jié)構(gòu)

3.2 故障機(jī)理

3號(hào)軸承座前封嚴(yán)內(nèi)含有一種特氟龍材料(PTFE)[3]，當(dāng)PTFE的粘結(jié)膠被滑油腐蝕產(chǎn)生碎片甚至脫落，脫落后的碎片進(jìn)入前集油槽，導(dǎo)致前集油槽的空氣壓力升高，空氣回流至1號(hào)前封嚴(yán)和3號(hào)后封嚴(yán)齒間隙，篦齒封嚴(yán)失效，最終導(dǎo)致前集油槽大量漏油。篦齒封嚴(yán)漏油原理如圖4所示。

圖4 篦齒封嚴(yán)失效漏油原理

3.3 故障分析

圖5 3號(hào)軸承前封嚴(yán)PTFE脫落

圖6 平均滑油消耗量變化曲線(xiàn)

某航空公司CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)3號(hào)軸承前封嚴(yán)脫落的PTFE實(shí)物如圖5所示，從圖中可以看出，PTFE已脫離軸承結(jié)構(gòu)。圖6為CFM發(fā)動(dòng)機(jī)12個(gè)月滑油平均消耗曲線(xiàn)，紅線(xiàn)為故障發(fā)動(dòng)機(jī)滑油消耗曲線(xiàn)，藍(lán)線(xiàn)為正常滑油消耗曲線(xiàn)，發(fā)生此故障后，平均油耗增至0.4 UKqt/h，必須進(jìn)場(chǎng)換發(fā)處理。經(jīng)GE統(tǒng)計(jì)，使用高溫油的CFM56-5B/-7B發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生此故障的循環(huán)數(shù)低至6 000[4]，而使用標(biāo)準(zhǔn)油的CFM56-5B/-7B發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生此故障的循環(huán)數(shù)遠(yuǎn)高于6 000。從前述知，對(duì)于特定的粘結(jié)膠和橡膠彈性體，高溫油加快腐蝕是導(dǎo)致此CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)3號(hào)軸承前封嚴(yán)脫膠的重要原因之一。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)II型合成滑油標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)驗(yàn)、CFM56-5B/-7B發(fā)動(dòng)機(jī)3號(hào)軸承前封嚴(yán)脫膠故障的分析，得到了以下一些結(jié)論：

1)II型合成滑油劃分的標(biāo)準(zhǔn)油在密封兼容性、低溫流動(dòng)性和抗磨損性能上比高溫油好，高溫油在抗積碳、氣相煉焦和抗氧化性上比標(biāo)準(zhǔn)油要出色，高性能油各項(xiàng)性能均衡，總體性能比標(biāo)準(zhǔn)油和高溫油都要優(yōu)秀。

2)航空發(fā)動(dòng)機(jī)密封件的滑油測(cè)試中，密封件在高溫油中在超過(guò)120 ℃、1 800 h后出現(xiàn)過(guò)度膨脹和軟化，說(shuō)明了標(biāo)準(zhǔn)油和高性能油在密封兼容性上優(yōu)于高溫油。

3)CFM56-5B/-7B發(fā)動(dòng)機(jī)的3號(hào)軸承前封嚴(yán)內(nèi)的PTFE脫落跟發(fā)動(dòng)機(jī)使用的高溫油有關(guān)系。

參考文獻(xiàn):

[1] 劉長(zhǎng)福，鄧明. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析[M]. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006：232-284.

[2] 許春生. 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)[M]. 北京:兵器工業(yè)出版社， 2006：109-110.

[3] FAA. Aviation Maintenance Technician Handbook-Powerplant, Volume 2[M]. Aviation Supplies & Academics， 2012.

[4] CFM. CFM56-5B/-7B-No.3 forward stationary seal PTFE disbond [R]. US and French:CFM International，2016.