淺談PW1100G發動機3號軸承封嚴早期磨損問題

■ 武漢英/北京飛機維修工程有限公司

0 引言

PW1100G是普惠公司研制的新型渦輪風扇發動機，該型發動機在低壓壓氣機和風扇之間引入了驅動齒輪系統，使風扇和低壓系統能分別在最優轉速下工作，低壓轉速和高壓轉速均得到極大提高。然而，在實現發動機效率提升、燃油消耗降低、氮氧化物排放減少和噪聲降低等目標的同時，驅動齒輪系統以及較高的低壓和高壓轉速也帶來了一系列問題，其中3號軸承碳封嚴早期磨損是該型發動機使用過程中的典型故障，也是目前造成該型發動機非計劃下發的主要原因之一。

1 3號軸承封嚴結構及磨損原因介紹

PW1100G發動機轉子支撐方案如圖1所示，其中3號軸承為球型軸承，位于高壓轉子前部，用于支撐高壓軸。3號軸承封嚴分為前封嚴組件和后封嚴組件，每個封嚴組件由封嚴平板、碳封嚴、封嚴座和彈簧組成，具體結構如圖2所示。當發動機運轉時，封嚴平板隨轉子組件高速運轉，與固定在封嚴座上的碳封嚴緊密接觸，阻止腔內滑油漏出。

由于PW1100G發動機高壓軸轉速大幅提高（大約是其他同級別發動機高壓軸轉速的1.5倍），導致封嚴組件的機械穩定性變差，封嚴平板與碳封嚴接觸面溫度變高，磨損速度加快，易出現碳封嚴早期磨損情況。

2 廠家改進措施

為減少3號軸承碳封嚴磨損，廠家的初始封嚴構型采用的是抬升封嚴（lift-off seal），即封嚴平板上存在溝槽，發動機運轉時，溝槽內產生空氣壓力，在碳封嚴和封嚴平板間形成氣膜，一方面起到封嚴作用，另一方面減少封嚴平板與碳封嚴的摩擦，提高碳封嚴使用壽命。但實際使用過程中發現，該封嚴氣膜阻尼會被碳封嚴突破，導致碳封嚴與封嚴平板不斷觸碰，造成碳封嚴早期磨損。后續廠家采用了降低碳封嚴彈簧負載、增加抬升（阻尼）氣膜厚度、改進封嚴空氣氣路等措施，雖然取得了一定效果，但并未徹底解決碳封嚴早期磨損問題。

圖1 PW1100G發動機轉子支撐方案

圖2 3號軸承前后封嚴組件結構圖

之后，為解決3號軸承碳封嚴早期磨損問題，廠家將3號軸承碳封嚴構型改為傳統干面封嚴（dry face seal），改裝后的封嚴仍然存在早期磨損問題（使用2000h內的發動機，干面封嚴更容易磨損），隨后廠家除改進3號軸承碳封嚴的制造工藝和裝配工藝、提高封嚴平板和碳封嚴表面的光潔度外，還采用了升級EEC軟件、增大3號軸承滑油量供給、降低滑油溫度（軟件升級后滑油溫度降低70°F）等措施，使3號軸承封嚴磨損問題得到一定程度的改善，但仍未徹底解決此問題。

預計廠家后續將實施的改進措施如圖3所示。

1）增大碳封嚴與封嚴平板的接觸面積，同時使封嚴平板變薄以增大散熱，降低碳封嚴與封嚴平板間的溫度。

2）增加彈簧載荷以及罩環強度，以增加碳封嚴的機械穩定性。

3 在翼監控措施

針對3號軸承封嚴早期磨損問題，除從設計制造方面尋求解決辦法外，還需在日常運行中制定可行的在翼監控措施，對磨損量提前預警，減少非計劃下發。目前，針對3號軸承碳封嚴磨損可采用的監控方法如下。

1）滑油濾壓差監控

普惠公司發動機健康監控系統（ADEM/EHM）可對滑油濾壓差進行監控，當滑油濾壓差達到7時，系統報警。除需對滑油濾進行檢查和更換外，考慮到3號軸承碳封嚴存在早期磨損問題，在更換滑油濾的同時，可對3號軸承碳封嚴進行孔探檢查，確認其是否存在磨損情況。

2）滑油碎屑監控

PW1100G發動機有滑油金屬碎屑電子監控系統（ODM），ODM安裝在滑油回油總管末端和滑油箱入口之間，當金屬碎屑流過傳感器時，ODM可通過電磁場來探測滑油回路中含鐵金屬和非含鐵金屬碎屑的尺寸和數量（碳顆粒除外），并根據碎屑尺寸、數量產生相對應的信號，超過預設值時則在駕駛艙觸發警告“ENG 1/2 OIL CHIP DETECTED”，從而達到實時監控發動機滑油系統狀態的目的。由于ODM監控的是整個滑油系統的金屬碎屑，當ODM報警時，除需排除誤報警外，還需通過磁堵檢查、化驗和孔探等多種方法來判斷是否存在3號軸承封嚴磨損情況。

另外，正常情況下，封嚴平板與碳封嚴產生接觸磨損（見圖4）。當3號軸承碳封嚴頭部全部磨損后，封嚴平板與封嚴座接觸后產生金屬碎屑，觸發ODM警告信息。但在少數情況下，由于封嚴平板外徑小于封嚴座外徑，當碳封嚴頭部全部磨損后封嚴平板進入封嚴座卻不產生金屬碎屑，無法觸發ODM報警，這種情況下會發生碳封嚴嚴重磨損而造成滑油滲漏。為避免這種情況，廠家通過改裝增大了封嚴平板的外徑（見圖5），一旦碳封嚴頭部全部磨損，可確保封嚴平板與封嚴座接觸產生碎屑，觸發ODM報警信息。

圖3 3號軸承封嚴硬件改進措施

圖4 碳封嚴磨損圖

圖5 增大封嚴平板外徑

4 結束語

目前PW1100G發動機3號軸承封嚴組件仍在不斷改進過程中，通過后續改進措施和在翼監控措施將有望提高3號軸承封嚴組件的可靠性，減少非計劃拆換，使該型發動機有更好的用戶體驗。