某型發(fā)動機(jī)放氣活門密封性能不合格故障研究

徐曉東 徐曉明

摘要：通過分析放氣活門密封性不合格故障產(chǎn)生的原因，探索排除放氣活門密封不合格故障的方法，改進(jìn)設(shè)計(jì)密封圈結(jié)構(gòu)，保證了發(fā)動機(jī)的工作可靠性。

關(guān)鍵詞：密封圈；故障排除；活門密封性

Keywords：seal ring；troubleshooting；valve tightness

0 引言

某型渦扇發(fā)動機(jī)修理中發(fā)現(xiàn)，安裝在壓氣機(jī)三級、五級處的放氣活門有近35%密封性能不合格，達(dá)不到技術(shù)條件及工藝規(guī)定的密封時(shí)間要求。活門密封性能對發(fā)動機(jī)工作有重要影響。發(fā)動機(jī)工作時(shí)，如果放氣活門漏氣，壓氣機(jī)功率將降低，增壓比下降；若渦輪功率不變，則壓氣機(jī)功率小于渦輪功率，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速將上升；發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)為保持轉(zhuǎn)速不變，會減少供油量，造成發(fā)動機(jī)推力下降；為了使推力合格，需調(diào)整供油，使供油量增加，推力將升高，渦輪后燃?xì)鉁囟纫搽S之升高；如果放氣活門漏氣嚴(yán)重，在不降低推力的條件下需不斷增加供油量，則渦輪后的燃?xì)鉁囟葧粩嗌撸瑴囟瘸^一定程度將導(dǎo)致渦輪葉片和導(dǎo)向器葉片燒蝕。

因此，開展放氣活門密封性研究，保證放氣活門在工作中密封可靠、性能穩(wěn)定，對提高該型發(fā)動機(jī)全壽命周期的可靠性有著重大的實(shí)際意義。

1 放氣活門的主要功能和技術(shù)指標(biāo)

1.1 系統(tǒng)組成

為了保證發(fā)動機(jī)在小狀態(tài)時(shí)穩(wěn)定工作，在壓氣機(jī)三級、五級處，各設(shè)置兩個放氣活門。

如圖1所示，放氣活門由彈簧、頂蓋、支架蓋子、彈性墊、壓環(huán)、支承彈簧、封氣圈、墊圈及軸用彈性擋圈等組成。頂蓋上有一個空心尾桿和帶凸緣的配合面，空心尾桿端部為壓氣機(jī)來氣導(dǎo)管安裝座。

1.2 主要功能

為保證該型發(fā)動機(jī)在小狀態(tài)時(shí)穩(wěn)定工作，阻止集氣室中的空氣漏入發(fā)動機(jī)外涵，將彈性封嚴(yán)圈壓到頂蓋圓筒的內(nèi)表面上，在頂蓋底部與蓋子之間形成一個封閉式密封腔。發(fā)動機(jī)不工作時(shí)或工作轉(zhuǎn)速較小時(shí)，放氣活門打開，彈簧使頂蓋打開，集氣室腔與外涵氣道相通。

在發(fā)動機(jī)沒有運(yùn)轉(zhuǎn)或以低狀態(tài)工作時(shí)，放氣活門處于打開位置，由頂在頂蓋底面的彈簧的彈力使頂蓋脫離集氣室并頂?shù)綐O限位置，集氣室打開，集氣室腔與外涵流道相通；當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到規(guī)定轉(zhuǎn)速時(shí)，由燃油調(diào)節(jié)器中控制放氣活門的機(jī)構(gòu)打開壓氣機(jī)九級后至蓋子空心尾部的空氣通道，空氣通過頂蓋尾部中的孔進(jìn)入蓋子與頂蓋底部之間的密封腔，腔壓升高，并克制彈簧力將頂蓋壓至與集氣室安裝邊相接觸，關(guān)閉放氣活門堵住集氣室空氣進(jìn)入外涵的通路；當(dāng)發(fā)動機(jī)由高狀態(tài)過渡到低狀態(tài)時(shí)，從密封腔出來的空氣被排入外涵流道，頂蓋被彈簧壓出，放氣活門打開。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

放氣活門的密封試驗(yàn)（氣瓶壓力從294kPa下降至245kPa時(shí)）時(shí)間應(yīng)不低于150s，保證放氣活門密封性能可靠，工作穩(wěn)定正常。

2 影響放氣活門密封性能的原因分析

密封的功能是防止泄漏，造成泄漏的原因主要有兩方面：一是密封面上有間隙；二是密封面的兩端有壓力差。消除或減少任一因素都可以阻止或減小泄漏。

從放氣活門結(jié)構(gòu)圖可以看出，對放氣活門密封性能起主要作用的零件是頂蓋、壓環(huán)、支承彈簧，起關(guān)鍵作用的零件是封氣圈 。放氣活門工作過程中，通過封氣圈內(nèi)圈與支架蓋子帶止動邊的配合面之間的密封，以及封氣圈外圈壓到頂蓋圓筒內(nèi)表面上，在頂蓋底部與蓋子之間形成的一個封閉式密封腔，來保證放氣活門的密封性能。

在封氣圈與蓋子、頂蓋所組成的密封副中，客觀上存在微量間隙，空氣會通過間隙造成泄漏，而封氣圈依靠彈性墊、壓環(huán)的軸向壓緊力和支承彈簧的支承力來控制密封副之間的間隙，如將空隙控制在一定范圍內(nèi)，可使封嚴(yán)裝置的漏氣量較少，密封時(shí)間延長。

因此，要保證放氣活門的密封性，關(guān)鍵取決于封氣圈與頂蓋內(nèi)腔的配合以及封嚴(yán)裝置的裝配質(zhì)量。

3 排除放氣活門密封不合格的方法

根據(jù)分析得出的影響放氣活門密封性能不合格的主要原因，進(jìn)行了支架蓋子、頂蓋與封氣圈相關(guān)配合型面檢查以及壓環(huán)、支承彈簧、彈性墊剛性及彈性檢查，對封氣圈進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對封氣圈的加工工藝增加了環(huán)境控制要求及切削加工參數(shù)控制要求。通過40件封氣圈的反復(fù)裝機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，裝機(jī)試驗(yàn)合格率達(dá)100%。

3.1 蓋子、頂蓋與封氣圈相關(guān)配合型面檢查

放氣活門工作時(shí)，封氣圈與蓋子帶止動邊的配合面之間相對靜止，封氣圈與頂蓋圓筒內(nèi)表面存在相對運(yùn)動，工作一個壽命期后，蓋子、頂蓋相關(guān)配合面若發(fā)生變形，會直接影響放氣活門的密封性。對其進(jìn)行尺寸公差及形位公差計(jì)量，若發(fā)現(xiàn)不合格，需進(jìn)行修理或更換新品。

3.2 壓環(huán)、支承彈簧、彈性墊剛性及彈性檢查

對起壓緊支承作用的壓環(huán)、支承彈簧、彈性墊等零件進(jìn)行計(jì)量分析，檢測壓環(huán)、支承彈簧、彈性墊是否合格。通過二十多臺次的計(jì)量檢測，壓環(huán)、彈性墊基本無變形，均在合格范圍內(nèi)，但反復(fù)的試驗(yàn)驗(yàn)證對密封性能有一定影響。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，密封性能不合格的放氣活門通過更換支承彈簧后性能合格。因此，修理時(shí)需對支承彈簧進(jìn)行檢查，如變形較為嚴(yán)重，應(yīng)更換新品，二次修理時(shí)可通過故檢來判斷是否需要更換。

3.3 封氣圈的改進(jìn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)分析，起關(guān)鍵密封作用的是封氣圈，材料為SFBN聚四氟乙烯，該材料具有耐熱性、耐化學(xué)腐蝕性、耐候性，介電性能優(yōu)異，摩擦系數(shù)小，不易粘，不易燃，缺點(diǎn)是易蠕變，機(jī)械性能較低，剛性差，熱膨脹大。該材料在航空、航天中作為耐高溫及耐腐蝕襯墊、密封墊使用。通過對比分析和計(jì)算模擬，確定影響密封性能的主要因素為頂蓋內(nèi)腔與封氣圈配合型面接觸環(huán)帶寬度的尺寸，另外，成品零件材料的厚度、外形尺寸、加工精度等對其密封性能影響較大。當(dāng)封氣圈外徑尺寸ΦA(chǔ)不變，縮小α角，則頂蓋內(nèi)腔與封氣圈配合型面的接觸環(huán)帶寬度將隨之變大。通過多次改進(jìn)設(shè)計(jì)（見圖2），當(dāng)α角由10°調(diào)整為6°時(shí)，頂蓋內(nèi)腔與封氣圈配合型面接觸環(huán)帶寬度由2.8mm左右增加到4.8mm左右（見圖3），相應(yīng)減小β角和調(diào)整ΦA(chǔ) 、ΦB、ΦC、ΦD，封氣圈壁厚尺寸不變以保證其柔韌性和強(qiáng)度。經(jīng)分組加工、分組進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證考核，最終達(dá)到了較為理想的密封效果。

經(jīng)過以上分析，進(jìn)行針對性研究及改進(jìn)，將改進(jìn)后的封氣圈裝配在放氣活門上，按工藝要求進(jìn)行廠內(nèi)試驗(yàn)，即按放氣活門技術(shù)條件規(guī)定的密封試驗(yàn)要求時(shí)間（氣瓶壓力從294kPa下降至245kPa）應(yīng)不低于150s，檢查其密封性能情況。為保證檢查的準(zhǔn)確性和可靠性，將檢查時(shí)間延長為200s，合格率達(dá)到100%。

4 結(jié)論

改進(jìn)后產(chǎn)品性能在廠內(nèi)試驗(yàn)器和工廠試車中已得到驗(yàn)證，滿足任務(wù)中明確的技術(shù)指標(biāo)。2019年6月以來，廠內(nèi)修理的20多臺發(fā)動機(jī)再未發(fā)生放氣活門密封不合格故障，充分驗(yàn)證了該項(xiàng)研究的有效性，解決了密封性不合格難題，達(dá)到了研究改進(jìn)的目標(biāo)。