某改进型发动机轴承腔漏油故障分析

李旺 曾广乐 张蕊

摘 要：为了解决某改进型航空发动机台架试车过程中出现的轴承腔漏油问题，文章通过对比分析，并对通风系统中支撑环这一关键结构开展流体动力学仿真研究，查找出造成通风不畅引起轴承腔漏油的根本性原因，提出了两点改进措施。根据改进方案，建立通风系统仿真模型，计算及验证结果表明改进措施可行，能够有效降低轴承腔腔压，解决漏油问题。

关键词：发动机;通风系统;轴承腔漏油;数值模拟;故障分析

中图分类号：V232.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0094-02

0 引言

某改进型发动机在台架试车过程中，尾部有少量青烟冒出。分解发动机后，检查发现燃气涡轮轴承腔（B腔）前后均存在不同程度的滑油泄漏迹象。

通过分析试车数据，发现发动机压气机轴承腔（A腔）与燃气涡轮轴承腔（B腔）腔压偏高，造成A腔与B腔的封严压差偏低。因此，发动机在转速下拉过程中，易导致滑油从轴承腔往外泄漏。表1为该改进型发动机试车数据与某型发动机试车数据对比。

表1中：PA-A腔腔压，PA前—A腔前封严压力，PA后—A腔后封严压力，PB-B腔腔压，PB前—B腔前封严压力，PB后—B腔后封严压力，各压力值均为绝压，下同。

1发动机通风系统工作原理介绍

通风系统是发动机滑油系统的重要组成部分，对于维持轴承腔的封严压差，保证封严装置正常工作，防止腔内滑油（油气）外泄具有重要作用[1]。通风系统常见形式有：节流式通风系统、自由式通风系统和轴心式通风系统[2]。

如图1所示，该改进型发动机通风系统为轴心式通风系统，油气分离过程和系统的通风均融于部件结构设计。

2 故障原因分析

经过结构对比分析，造成A、B腔通风不畅，滑油泄漏的主要原因为以下两个方面。

2.1 测扭基准轴支撑环通气面积过小

该改进型发动机的测扭基准轴与动力涡轮轴之间设置了一个支撑环，支撑环为爪型结构，中间镂空，模型如图2所示。内孔及外环通过点焊连接到基准轴和动力涡轮轴，起固定基准轴的作用。

在通风流程中，支撑环位于A、B腔通风路下游，如图3所示。经计算，支撑环阻挡有效通气面积约87%;同时，支撑环高速旋转产生较大的风阻。

为了定量地分析支撑环的存在对通风系统的影响，研究采用计算流体动力学仿真（CFD）方法模拟不同通风量下的流阻损失特性。取图3中虚线框所示计算区域作为研究对象。流体计算湍流模型采用Realizable k-e湍流模型。边界条件及计算工况见表2。

根据建立的仿真计算模型，分别计算出带支撑环与不带支撑环情况下的流量与通风阻力特性数据，计算结果如图4所示。

由此得出，在不带支撑环的情况下，该段流路的通风流阻相对较小，基本可忽略不计;而支撑环的存在，很大程度上增加了系统通风阻力，且通风量与通风流阻成二次方关系。

2.2尾部引射不足

油气进入C腔后盖板后进一步进行油气分离，分离后的气从发动机尾部由尾喷管内高速燃气引射排出，某改进型发动机与某型发动机尾部引射对比如图5所示。

该改进型发动机在试车过程中，C腔盖板腔压最高达到8177Pa，而某型发动机C腔盖板腔压为（-500～500）Pa。对比可知，该改进型发动机尾部引射不足，使通风系统出口背压过高，导致系统腔压整体偏高。

3改进方案及验证

3.1改进方案

针对该发动机轴承腔漏油的故障，提出改进方案如下：

（1）支撑环右移。通过对动力涡轮轴进行改制，将支撑环右移，油气不经过该支撑环直接进入到基准轴内孔，以减小通风过程中由支撑环结构产生的局部损失。

（2）增大尾部引射。换装某型发动机尾喷管内环，降低排气尾锥内的压力，提高尾喷管的对通风系统排气的引射能力。

3.2计算仿真

根据实际情况，针对该改进型发动机地面条件、稳定工况下改进前、后的通风系统进行计算仿真[3]。

如图6所示，建立滑油通风系统整体仿真分析模型。该模型为非闭合系统，确定边界条件、各元件结构及特性参数后，即可进行特定工况下的计算仿真。

发动机在地面标准天最大状态时通风系统计算边界条件见表3。

在给定的工况下，经过计算获得了该发动机通风系统中改进前、后A腔、B腔的腔压值，见表4。

3.3试验验证

改进前、后，该发动机在ng=45000r/min设计点时的A腔、B腔的腔压试车数据见表5，试验后发动机分解检查未见明显滑油泄漏痕迹。

由表4与表5中试车数据与计算仿真数据对比中可以看出：腔压计算误差不大，满足计算精度要求;通过改进，A腔与B腔腔压明显降低，改进效果明显。

4 结论

针对某改进型发动机台架试车过程中出现的轴承腔漏油问题，文章对滑油通风系统支撑环结构进行流体动力学仿真计算分析，并与某型发动机试车数据对比，查找出故障出现的根本原因，提出了兩点改进措施。通过验证，改进后的方案能够明显降低轴承腔腔压，有效解决发动机轴承腔滑油泄漏问题，为后续型号研制工作积累了宝贵经验。

参考文献

[1] 马枚.航空发动机轴心通风系统的结构演变及分析[J].燃气涡轮与研究，1994（4）：23-30.

[2] 曾广乐.航空发动机滑油通风系统研究[D].南京：南京航空航天大学，2014.

[3] 路彬，刘振侠，吕亚国，等.航空发动机滑油通风系统性能计算仿真[J].航空计算技术，2011，41（4）：32-35.