GTCP85—129H渦輪軸承腔壓力大故障原因淺析

許興德

摘要：為了減少GTCP85-129H APU在使用和維修過程中因渦輪軸承腔壓力大故障導致的返廠和返臺，對幾起故障案例進行機理分析，發現渦輪軸承腔壓力大與APU的故檢、修理、裝配、運輸和使用都有緊密聯系，由此建議在APU的維修、運輸和使用過程中采取相應的預防性措施來降低故障率。

關鍵詞：APU；渦輪軸承腔；封嚴組件；氣塞

1 概述

GTCP85-129H型APU是配備在波音737-300/400/500飛機上的輔助動力裝置，主要作用是向飛機空調、客艙增壓系統以及在起動主發時提供引氣，并在空中向飛機供電。GTCP85-129H的渦輪軸承腔壓力是不可調節的。手冊要求，該型APU翻新后渦輪軸承腔壓力應為0～-25inHgG，修后渦輪軸承腔壓力應為+4～-25inHgG[1]。自該型APU開始修理以來，渦輪軸承腔壓力高一直是其面臨的重復性高、發生數量多、排除難度大的故障。渦輪軸承腔壓力大到一定程度就會出現尾噴管冒白煙的情況。

本文在不考慮滑油泵等外部附件因素影響的情況，對APU本體零件因素引起的渦輪軸承腔壓力大進行探討。

2 案例介紹

1） P-100926裝配后試車時渦輪軸承腔壓力為+21inHgG，并且出現尾噴冒白煙情況。返臺后更換渦輪軸承前后封嚴，再試車，軸承腔壓力仍然達到+17.5inHgG左右。更換二級葉輪后試車，軸承腔壓力穩定在+llinHgG以內，再次更換渦輪軸承前封嚴，試車合格。

2） P-100892裝配后試車，起動后運轉過程中渦輪軸承腔壓力從2inHgG開始升高，升至+lOinHgG時發動機集氣腔周圍出現大量白煙，停車。返臺換新渦輪軸承前后封嚴，重新裝配后再次試車，故障消失，試車順利。

3） P-100555試車時集氣腔及尾噴管冒白煙，尾噴部位漏滑油，渦輪軸承腔壓力為+3 linHgG。更換渦輪軸承前后封嚴，故障排除。

4） P-100930裝配后試車，渦輪軸承腔負壓力，起動達到額定轉速后，出現氣流聲音異常，隨后渦輪軸承腔壓力從3inHgG瞬間變為大的正壓，出現大量白煙。更換二級葉輪和多個附件，故障依舊，更換燃油噴嘴后故障消除。

5） P-100449裝配后試車，渦輪軸承腔壓力大于+lOinHgG，更換二級葉輪、間隔圈和渦輪軸承前后封嚴，重新試車，渦輪軸承腔壓力緩慢上升至+lOinHgG。再次分解，發現二級葉輪軸頸不夠光潔，渦輪軸承座襯套孔表面有劃痕。更換二級葉輪，對渦輪軸承座襯套孔表面拋光，裝配后試車，一次性合格。

6） P-100798裝配后試車，起動過程中大量冒白煙。分解后發現二級葉輪軸頸和渦輪軸承前封嚴殼體嚴重損壞。經仔細檢查，發現是新品封嚴自身裝配錯位不合格所致。更換二級葉輪和封嚴，裝配后試車，合格。

3 案例分析

從上述的6起渦輪軸承腔壓力大冒白煙故障案例來看，初始故障件可分為三類：第一類是渦輪軸承腔的封嚴，第二類是第二級壓氣機葉輪，第三類為燃油系統附件。

第一類包括P-100892、P-100555和P-100798，這三臺APU的渦輪軸承封嚴是初始故障件。P-100892和P-100555的封嚴自身質量沒有問題，而是由于運輸過程中沒有對APU采取很好的防振、減振等保護措施，損壞了渦輪軸承的碳封嚴環所致。P-100798則是渦輪軸承封嚴自身質量有問題（支撐組件與殼體錯位），導致整個封嚴組件裝配到APU軸承座上后，其碳封嚴環的中心大大偏離了轉動組件的轉動中心。而APU裝配時由于認為是庫房領出的新品而沒有對其進行仔細檢查，導致返臺故障，而且損壞了第二級壓氣機葉輪軸。

第二類包括P -100926和P-100449，這兩臺APU的第二級壓氣機葉輪是初始故障件，由于壓氣機葉輪軸上與封嚴環配合的軸頸表面粗糙，造成碳封嚴環內徑工作面在轉子轉動時迅速被磨損，導致封嚴失效。這類故障件的特點是零件缺陷特征不明顯，對于經驗不足的故檢人員來說，往往看不出與碳封嚴配合的第二級葉輪軸表面是否足夠光潔。因此，發生這種故障在這種機型修理逐漸走向成熟的過程中是不可避免的。

第三類為P-100930，燃油附件噴嘴是初始故障件。由于噴嘴噴霧不均，與空氣混合后燃燒不均勻，使渦輪盤軸組件產生軸向串動和徑向振動，渦輪封嚴的軸向和徑向工作面的封嚴功能被頻繁破壞而封不住油和氣，同時伴隨有類似喘振的聲音。這種情況下碳封嚴只是暫時失效而并未受到損傷，當串動和振動消除后，封嚴恢復正常。

4 故障形成機理

4.1 渦輪軸承腔的構造及封嚴的作用

渦輪軸承腔的構造如圖1所示，由渦輪軸承座、渦輪軸承前封嚴、渦輪軸承后封嚴、第二級葉輪后端軸頸、渦輪軸承間隔套構成的一個封閉空間。

高壓滑油區域：高壓滑油進油管經軸承座下部中心小孔，再經過軸承座殼體內襯套的小孔進入周向環形槽，從周向環形槽經過襯套上與槽對正的徑向孔進入襯套與滑動軸承之間，滑動軸承外徑上也有一個周向環形槽，槽內有徑向小孔，高壓滑油沿徑向小孔進入滑動軸承與渦輪軸承間隔套之間，渦輪軸承間隔套支撐著渦輪軸并隨其一起轉動。

滑油回油區域：高壓滑油進入軸承座襯套與滑動軸承間的周向環形槽后，一部分滑油從滑動軸承徑向孔進入滑動軸承與渦輪軸間隔套之間，另一部分則沿滑動軸承外徑與襯套之間的間隙流動，潤滑了襯套和滑動軸承外徑后沿軸向流到軸承的兩端（軸承兩端與回油腔相通）成為回油。潤滑了渦輪軸間隔套外徑和滑動軸承內徑后的滑油也沿軸向流到軸承兩端成為回油。

渦輪軸承前封嚴的作用是防止滑動軸承前端的回油在進入回油腔后沿第二級壓氣機葉輪軸進入第二級壓氣機腔，同時也防止二級壓氣機壓縮空氣沿渦輪軸進入滑油回油腔。渦輪軸承后封嚴的作用是防止滑動軸承后端的回油沿軸承間隔套進入渦輪腔。整個回油腔是通過軸承座殼體內腔連成一體的，回油腔在發動機正常工作情況下，由于滑油泵組件的回油泵的抽吸作用而處于負壓或低正壓狀態。

4.2 渦輪軸承封嚴的構造和工作原理

渦輪軸承封嚴組件的組成如圖2所示，包括螺釘、支撐組件、彈性墊、墊圈、封嚴環組件和殼體[2]。

封嚴組件的核心零件是封嚴環，它的內環由碳材料制作而成，其前面和內徑表面是很光潔的碳質面，前面碳表面與殼體內光潔的圓環面相接觸，靠彈性墊將其壓緊。在受到一定程度的徑向力的情況下，可以在殼體內的360°范圍作小行程的徑向移動，保證轉動組件因振動等原因向封嚴環施加徑向力時不損壞碳封嚴。光潔的圓環面接觸也阻止了潤滑后的滑油沿配合面流出軸承腔外。與封嚴環組件孔配合的是光潔而高速轉動的軸，碳質內環自身有良好的潤滑性，其與轉動軸之間的間隙很小，且處于相對高速的轉動中，這樣就阻止了潤滑后的滑油沿軸與內環間的間隙向外流動。因此，這種渦輪封嚴有側面和內徑面兩個工作面。

4.3 高正壓的形成原理

正常情況下，高壓滑油潤滑渦輪軸承后匯集到軸承腔收油池，滑油泵組件的后軸承抽油泵將收油池的油抽回，并將其與來自齒輪箱的回油一起送到散熱器進行調溫，然后送回滑油箱。在渦輪軸封嚴狀態良好的情況下，由于泵的抽吸作用在渦輪軸承腔內形成負壓；如果封嚴狀態不夠好，則可能形成低正壓。

如果因為某種原因導致前渦輪封嚴的碳封嚴環工作面磨損甚至損壞，或者封嚴兩端的油氣平衡由于振動等原因被打破，第二級壓氣機高壓空氣（壓力≥41.89psi）會沿著前封嚴的封嚴環工作面進入回油腔，大量空氣進入回油中會使滑油泵組件的渦輪軸承回油泵進口處形成氣塞，導致回油抽吸效率大大降低甚至無法抽油，而潤滑軸承的高壓滑油還在源源不斷地進入，使渦輪軸承腔的封閉腔內充滿滑油。由于高壓滑油的壓力在90～lOOpsi之間，在回油泵因氣塞堵塞回油路的情況下，封閉的渦輪軸承回油腔內壓力會迅速上升。當回油腔內滑油壓力大于第二級壓氣機后的壓縮空氣壓力時，渦輪軸承腔回油腔內的滑油在腔內正壓力的作用下沿渦輪軸承前封嚴的封嚴環工作面進入第二級壓氣機葉輪后腔，或沿渦輪軸承后封嚴的封嚴環工作面進入渦輪腔。進入第二級壓氣機葉輪后腔的滑油隨壓縮空氣一部分跟隨空調引氣進入客艙，導致客艙中出現油煙味，另一部分進入燃燒室燃燒形成白煙；進入渦輪腔的滑油由于沒有被完全燃燒，形成黑煙。因此，如果僅是單純的輕微白煙且有油煙味，則是渦輪前封嚴損壞；如果是濃煙（白+黑），則可能是渦輪前封嚴嚴重損壞或前后渦輪封嚴都損壞。根據維修經驗，渦輪軸承腔正壓力大約達到+lOinHgG時可能會冒白煙。

5 結束語

渦輪軸承腔壓力大的原因是因為渦輪軸承封嚴的碳封嚴環工作面損傷，或是碳封嚴兩端油氣平衡因振動等原因被打破而造成的。渦輪軸承腔壓力大引起的故障危害性是比較大，多數情況下不是APU返廠就是返臺，造成的經濟損失大，耽誤時間長。為了減少此類故障的發生，在維修和使用過程中可以采取一些預防性措施：

1）加強對二級葉輪軸頸和軸承間隔圈外徑尺寸的測量和表面質量的檢查。

2）裝配前應對封嚴進行仔細檢查，檢查有無制造缺陷。在封嚴的拿、運、裝配過程中，不能裸手接觸碳封嚴工作面，不能與其他零件發生碰撞刮擦。

3）發動機的運輸、裝臺、裝箱過程中應注意防振和減振，以避免損壞碳封嚴環工作面。

4）做好轉動組件的平衡工作，避免APU在工作過程中因振動大而影響封嚴環工作面兩側的油氣平衡。

5）加強對噴嘴組件的清潔和檢查工作，縮短檢查間隔時間，一旦發現有積炭產生，應及時進行清潔、修理或更換。

參考文獻

[1] Honeywell. CMM49-25-45[2].

[2] Honeywell. CMM49-23-04[2].

民航局認定首批重點實驗室和工程技術研究中心

近日，民航局公布首批民航重點實驗室和民航工程技術研究中心認定名單，14家民航重點實驗室和工程技術研究中心通過認定。通過認定的14家實驗室和工程中心共涉及主建單位13個（其中行業內11個，行業外2個），包括10個重點實驗室，4個工程技術研究中心，共有11位院士擔任學術/技術委員會主任。此外，民航局擬從通過認定的實驗室和工程中心中遴選2～3家，于2018年開始啟動國家科技創新基地申報工作。