某航空發動機放氣活門故障分析

彭黎原，周 晨

（1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.湖北航達科技有限公司，湖北武漢 430040）

0 引言

飛機的發明和航空業的發展對世界政治、軍事、經濟技術以至于人們的生活方式有著重要的影響。航空發動機作為為飛機提供動力、推動航空器前進的裝置，是飛機性能、可靠性和成本的決定性因素。航空發動機系統的發展對于國民經濟的發展和國防事業的進步有著極其重要的意義[1]。放氣活門是為某航空發動機空氣系統配套的產品。在發動機起動過程中，引氣活門關閉，放氣活門打開，多余空氣從發動機尾巴噴管排出，避免可能出現的壓氣機喘振現象。

在隨發動機地面試驗過程中，某放氣活門出現了大量漏氣的故障。下面將結合分解檢查、理論計算及試驗驗證等措施，查明放氣活門故障的原因，并最終排除了該故障。

1 結構與工作原理

某航空發動機進氣道氣流通過離心壓氣機壓縮空氣，壓氣機出口接2 個管道分支（圖1）：一個分支接放氣活門，將氣流引到發動機尾噴管后排出；另一個分支接引氣活門，根據飛機指令，引氣活門出口氣流輸送到飛機主發動機起動系統或飛機環境控制系統。

放氣活門主要由電磁閥、活塞、活塞環、殼體、彈簧、引氣管和閘板組成，其工作原理如下。

（1）放氣活門打開狀態：電磁閥斷電，鋼球頂住放氣活門引氣管出口，氣流不能進入關閉腔，活塞在打開腔氣流（壓縮空氣）的作用下，帶動閘板克服彈簧力向上運動，活門打開。

（2）放氣活門關閉狀態有2 種情況：①電磁閥通電，吸引鋼球上移，氣流由活門引氣管通過電磁閥進入活塞上腔，即活門關閉腔，活塞在關閉腔氣流和彈簧力的共同作用下，克服打開腔壓力，帶動閘板下移，將活門關閉；②發動機不工作，放氣活門打開腔和關閉腔均無氣流，活門在彈簧力的作用下處于關閉位置?；钊h工作原理：電磁閥通電，氣流由關閉腔進入活塞環槽處，使活塞環膨脹，起到密封作用，此時，關閉腔的氣流不會由排氣孔排放掉（圖2）。

圖1 供氣原理

2 故障與分析

2.1 故障現象

某次地面試驗，發現發動機引氣壓力過低，檢查發現放氣活門排氣孔處有大量氣體泄漏。換裝產品后，故障消失。

圖2 放氣活門工作原理

2.2 初步排查

（1）外觀檢查：①故障件從發動機拆卸下來后，觀察活門閘板處于關閉位置，無異常；②分解檢查：活塞環貼合活塞環槽，活塞環槽處較臟，存在油液，其他零件無異常。檢查結果：①活門閘板位置正常；②活塞環槽處存在油液污染。

（2）功能性能檢查。流量計可以檢查管路和放氣活門漏氣情況，觀察窗可以觀察到放氣活門打開關閉情況（圖3）：①產品絕緣電阻、電磁閥電阻合格；②活門供氣測試（放氣活門進氣口供一定氣壓，反復通斷氣多次），能正常打開、關閉；③活門工作測試（放氣活門進氣口供一定氣壓，活門打開后，電磁閥通電），無法正常關閉，排氣孔有大量氣體泄漏，其他部位無泄漏；④清洗活塞環槽與活塞環后，重新組裝進行步驟③中的活門工作測試，工作正常。

檢查結果：①放氣活門工作測試中，無法正常關閉，排氣孔有大量氣體泄漏；②清洗活塞環槽與活塞環后重試，故障消失。

根據故障情況和放氣活門外觀、功能性能檢查結果，初步分析由于油液污染活塞環，導致密封失效，放氣活門大量漏氣，進而引起活門無法關閉。

圖3 性能試驗原理

2.3 機理分析

2.3.1 理論計算

（1）計算彈簧力。當活門只通氣，電磁閥不通電時，活門打開。打開腔壓力F1=F2+G1+G2+G3=P1×S1。其中，F2為彈簧彈力；G1、G2、G3分別為活塞重力、彈簧重力、閘板重力；P1為活門開始打開時的壓力；S1為打開腔截面積。

代入數值后，計算得出彈簧彈力F2=25.2 N。

（2）計算關閉腔壓力。為方便計算，先假定關閉腔氣壓均勻。

活門進口供壓345 kPa，電磁閥通電，活塞環正常密封時，閘板關閉需滿足F3+F2+G1+G2+G3＞F1。其中，F3為關閉腔壓力，F3=P2×S2；P2為活門開始閉合時的壓力；S2為閉合腔截面積。

代入數值后，計算得出關閉腔氣壓P2＞148.77 kPa。

上述計算表明，進口供壓345 kPa，電磁閥通電時，如果因為漏氣等原因導致關閉腔壓力≤148.77 kPa，活門將無法關閉。

（3）尺寸鏈分析。由設計尺寸計算得到零件之間的配合間隙（圖4）。活塞環徑向方向，活塞環Ⅰ、活塞環槽之間的配合間隙0.575～0.775 mm，活塞環Ⅲ和活塞環槽之間的配合間隙為0.025～0.225 mm。放氣活門受航向振動時，由于零件之間存在間隙，使活塞環徑向振動，如果活塞環彈性模量小，容易向內收縮。

活塞環軸向方向，活塞環與活塞環槽之間的配合間隙為-0.01～0.21 mm。如果有油污等進入，由于油和污染物的阻礙，使活塞環向內收縮后無法正常脹開，使殼體與活塞環之間存在間隙。當間隙過大時，會造成活塞環與殼體密封失效，關閉腔的氣體泄漏，活門無法關閉。

2.3.2 污染來源

活門打開過程中，關閉腔的氣體需要通過閥組件上的氣孔，經由橫槽排氣。由于氣孔垂直向上，當放氣活門安裝位置的上方有油管泄露，油污滴落，會沿橫槽滲入活門內腔，污染活塞腔、活塞環等（圖5）。

從故障產品分解檢查的情況來看，活塞環緊貼活塞環槽處，活塞環有油污，且活塞環槽處較臟。清洗活塞環和環槽后，產品工作正常。因此，由于污染導致活塞環收縮后無法正常膨脹是造成放氣活門漏氣、無法關閉的原因。

圖4 零件配合間隙示意

圖5 油液污染示意

3 改進措施

3.1 結構改進

將電磁閥閥組件上的橫槽改成通氣孔（通孔），通氣孔15°傾斜向上（圖6）。改進后，電磁閥通過通氣孔排氣，當油液等污染物從上方滴落到閥體后，無法滲入活門內腔。

圖6 改進前后閥組件對比

3.2 更改活塞環材料

原活塞環材料為樹脂材料，其具有高耐磨性，塑性較好，但易變形。改選電化石墨類材料制作的活塞環，其彈性模量更大，具有高自潤滑性和低熱膨脹系數的特點，不易收縮變形，能實現良好密封。

4 故障復現與措施驗證

4.1 故障復現

在試驗室模擬活塞環緊貼活塞環槽后無法脹開的狀態。將功能性能復測正常后的放氣活門活塞環收縮至緊貼活塞環槽內壁，僅在活塞環缺口處涂抹少量（避免影響活塞環厚度尺寸）環氧樹脂使其粘接。組裝后進行試驗，試驗結果：進氣口供壓，活門正常打開，電磁閥通電，活門無法關閉、排氣孔大量漏氣。

4.2 措施驗證

對改進后的放氣活門按某標準進行流體污染試驗，試驗流體選航空煤油，試驗后檢查功能性能正常；分解產品，檢查活門內腔，無油液污染跡象。試驗表明，改進閥組件結構可有效防止外來油液污染活門內部。

改進后的放氣活門順利通過壽命試驗、振動試驗和整機匹配試驗（一定考核時間段內沒有發生該故障），驗證制定的措施和方法有效，可以防止此類問題再次發生。

5 結論

經過故障機理分析、部件分解檢查，明確了放氣活門漏氣故障的原因為活塞環材料彈性不足和電磁閥防污染結構設計不合理。針對該故障采取了有效的改進措施，通過流體污染試驗、部件試驗以及外場試飛驗證表明措施有效。

該故障為設計類故障，從故障排解過程總結，設計人員設計航空產品時，需要充分考慮產品的安裝使用環境，避免外來因素導致產品失效；同時，在材料選型上，要考慮材料的抗污染能力。該故障分析過程可為同類型產品的研制提供借鑒。