渦輪軸發動機潤滑系統循環不暢的故障分析

龐 昊 ，龐寶仁

(1. 四川亞美動力技術有限公司技術部，四川成都610041; 2. 營口職業技術學院人事處，遼寧營口115000)

0 引言

某渦輪軸發動機經飛行使用一段時間后發現故障，返回發動機原生產制造廠(OEM)修理，更換了高壓渦輪盤及部分軸承.修理后以單元體形式運送回國，未總裝，在用戶庫房封存三年左右后進行了外場裝配.對此發動機進行了單元體組裝、配套附件總裝，并對總裝后的發動機進行了在翼試車.調試過程中發現潤滑系統循環不暢故障，本文對故障原因進行分析，制定排除故障方案，確定解決故障措施，以保證總裝工作安全有序，確保飛行安全.

1 發動機的潤滑系統構成及工作原理

如圖1所示，該型號渦輪軸發動機潤滑系統由滑油箱、滑油濾、滑油泵、冷卻單元、離心通氣裝置及顯示裝置等組成.其中，滑油泵組件包括一個壓力泵及兩個回油泵，滑油濾其組成為過濾元件、旁通活門(閥門)、預關閉壓力開關和一個堵塞指示燈[1].

在滑油濾的出口位置設置一個單向活門(閥門)，以阻止潤滑油在發動機關閉時回流至發動機內部，冷卻器使用循環空氣來冷卻在發動機內循環的潤滑油.

此渦輪軸發動機的潤滑系統可分為進油、回油和通氣三個通道.當渦輪軸發動機工作時，滑油供油泵將潤滑油泵出，經滑油濾過濾后分成兩路，其中一路去前軸承，經滑油噴嘴潤滑前軸承，而另一路經單向活門(閥門)潤滑燃氣渦輪及動力渦輪后軸承和附件齒輪箱.潤滑系統停止工作后，潤滑油受重力作用回到發動機底部的油池中，隨即被兩個滑油回油泵經過回油濾網及冷卻元件抽回滑油箱.

2 裝機地面試車時的故障現象

將此發動機安裝至直升機后，首先進行兩次冷轉，觀察發動機潤滑油箱的油位有明顯下降，初步判斷潤滑系統工作正常.然后開車，當發動機狀態接近地面慢車時，座艙人員未觀察到潤滑系統的壓力顯示(其他數值一切正常)，同時機外人員發現潤滑油箱窗口的油位也基本無變化，為安全起見，試車機組立即停車檢查.

經過現場分析判斷，認定發動機工作基本正常，但潤滑系統可能存在局部循環不暢的現象，于是再次開車嘗試延長工作時間來改善此問題.然而，第二次啟動依然存在座艙無潤滑油壓力顯示和油箱油位無變化的現象，遂決定停止試車，進行故障分析和故障排除.

3 潤滑系統循環不暢故障的原因分析和故障排除

3.1 潤滑系統循環不暢故障的原因分析

(1)故障出現后，對整個組裝過程進行了回顧，查閱維護手冊與中修手冊，認真核對工作記錄單，確定總裝過程中無人為差錯，無漏裝錯裝，無其他異常現象.

(2)調閱飛行參數數據，分析潤滑系統各項參數.分析發現，整個系統中燃油壓力、滑油扭矩壓力顯示正常，但是潤滑系統壓力數值無顯示，而儀表工作正常.

(3)針對出現的潤滑系統管路不暢的問題，綜合分析故障現象及潤滑系統的特點，對可能存在的故障點、故障零件和部件進行分析.

①油泵、油濾組件故障.理論上，發動機第一次冷轉時，油箱內潤滑油有明顯減少，說明有潤滑油從油箱被抽入單元體內，根據座艙顯示無滑油壓力顯示而扭矩壓力正常顯示，基本可以斷定油泵工作正常；同時油濾旁通指示無異常，也說明油濾無堵塞，從油泵進入滑油濾的通路是暢通的.在拆分油泵、油濾的過程中，也未發現油泵油濾有異常和明顯故障[2].

②單向活門(閥門)不通.根據發動機機載多功能顯示儀(VEMD)上僅無滑油壓力顯示，結合維護手冊中潤滑系統的原理(如圖1中通往附件齒輪箱內部滑油管路的單向活門)分析得出，如果單向活門(閥門)故障或堵塞，來自油泵傳輸過去的潤滑油將無法被傳輸到達附件齒輪箱和M02單元體的油路中，這也會造成M02單元體無滑油供給.實踐中，維修人員拆除了M01單元體的低壓元件上的單向活門，目視檢查活門外觀良好，彈簧狀態正常，未發現活門有卡阻和明顯故障，所以判定單向活門無問題.

③潤滑系統氣塞.由于此渦輪軸發動機的單元體總裝前存放達三年之久，在排除前兩項故障模式之后，推斷潤滑系統管路中存在某個“堵點”.此“堵點”可能有兩種情況：其一，之前未排凈的滑油混合污物、雜質垢，變質成為油泥、油脂等黏性較大的物質堵塞滑油管道；其二，滑油系統中有未排放干凈的空氣，造成氣壓大于油壓，對滑油回路造成氣塞導致滑油循環不暢[3].

3.2 潤滑系統循環不暢故障的排除

(1)故障出現后，征調相同機型的正常發動機進行試車比較,包括冷運轉，地面慢車狀態，進行充分試驗和對比.首先，確定在起動中，發動機正常狀態下，從油箱外的滑油觀察窗觀察滑油油位變化發現，油位波動明顯，且潤滑油從上部油孔處回油成氣泡狀流下(如圖2所示)；而組裝的故障機油窗處觀察發現滑油液位基本無變化，現象有明顯區別.其次，開車前斷開后軸承滑油供油管接頭(如圖2所示)，并開車冷轉，發現正常機出油量很大、很明顯，故障機則流出很少量的滑油.需要說明的是，為對比滑油循環是否正常，可采用一個直觀有效的方法，即將一個容器連接到斷開的回油管斷口處，正常機在冷轉過程中流出了半瓶左右的滑油，而故障機只流出了瓶底多的滑油，兩機出油量有明顯差異.

(2)從飛機上拆下此渦輪軸發動機進行逐項分解排查.斷開發動機外部滑油管路進行檢查，各管道通暢無異常，卻發現M01齒輪箱單元體管路處油量比較充足，而M02單元體潤滑自由渦輪軸承及燃氣渦輪后軸承的管路里僅有少量潤滑油，且M02單元體底部回油管也基本無潤滑油，可確定滑油循環通路的堵塞位置在M01單元體后，M02單元體前.

(3)分解M01、M02單元體檢查，兩單元體連接法蘭和油路接口并無異常.為保險起見，拆分的各管路均進行清洗和通暢檢查，同時拆分油泵、油濾進行清洗檢測，排清發動機潤滑系統管路內部潤滑油與空氣，發現泵組件正常，無損傷及異常現象.

(4)在判斷無發動機硬件故障與排清發動機潤滑系統內部空氣與污物后，按相關的技術工藝要求再次組裝發動機，重新進行冷轉與試車.第一次冷轉，觀察油位變化較上次更加明顯，下降得更多一些.第二次冷轉，斷開后軸承滑油供油管接頭，滑油量明顯上升與正常發動機潤滑油量一致，證明潤滑油循環已經正常.點火開車后，成功地由慢車至大車狀態，運轉30 min發動機狀態正常，各參數符合規定.后又經一次開車驗證，發動機運轉無誤，表明故障徹底排除.

綜上，潤滑系統循環不暢是由于系統組件或管路中某處產生的氣塞造成的，潤滑系統產生氣塞故障是常見問題，一旦出現類似故障，嚴禁強行起動，更不要盲目開大車去“沖擊”堵點，這樣很容易造成發動機軸承和傳動零件無潤滑工作，導致“燒軸”和“卡死”現象發生，造成無法修復的損失.

4 潤滑系統產生氣塞的故障分析

(1)潤滑系統組件堵塞.此發動機為修理油封后出廠并長期封存放置，在存放期間，當油泵入口管路存在空氣時，油泵可能發生氣塞并導致油壓小于氣壓，無法泵油致使發動機滑油系統工作異常.

原理分析：在發動機首次冷轉時，滑油泵內部構件中基本無滑油存在，由于滑油箱位于發動機M01單元體底部，滑油泵需克服重力抽取滑油，并且該發動機滑油泵為齒輪擺線泵，供油油

壓不高(主滑油壓力200～500 kPa).如圖3所示，當油泵入口管路中封存一定量空氣并首次泵起動后，泵前空氣被泵從入口送到出口，P3升高，P2降低，前者推動泵出口的氣體由當量噴嘴排出(設流量為Q1)，之后使P1與P2之間形成壓差，使油箱內的油位沿管路上升補充入口管路被排出的部分體積(設補充流量為Q2)，而P3與P2之間也形成壓差，使泵后空氣通過油泵間隙向前泵回流(設回流流量為Q3)，設泵的理論流量為Q，則：

Q=Q1+Q3；Q1=Q2

當泵后阻力大于P3時，P3就無法推動泵出口的空氣排出，Q1=0，即Q=Q1=Q2=Q3=0，也就是說，泵的排量等于泵的回流量，滑油泵效率即為0，空氣在泵后堵塞，氣塞形成[4].

這也說明了發動機冷轉時，油箱油量明顯減少而后不變同時滑油系統壓力讀數為零的原因了.

(2)潤滑系統管路堵塞.由于此發動機存放靜置時間很長，發動機內部傳導介質僅為空氣，首次通油試車極易使得發動機管道內部潤滑油內外側出現壓力差，特別是當潤滑油在發動機下部，需克服重力被抽取上來，如果這時管路中存在一小截空氣或者從潤滑油內部析出空氣，遇到轉角處或截面減小處很有可能導致管路內部形成氣塞現象，造成局部內壓過大，中斷油路.

總之，當發動機長時間靜置不用，或者是發動機試車時遇到供油泵壓力不大、管路截面變化很大的情況，潤滑系統就容易產生氣塞現象.

5 結語

本文針對發動機潤滑系統循環不暢的一種氣塞故障模式，提出故障排查及解決的方法.通過試車驗證，該方法能夠快速、準確地處理外場實際機務工作中遇到的氣塞故障，為發動機潤滑系統外場故障分析與排查提供了新的思路和技術途徑.