姜柏松
（南方航空深圳分公司飛機維修廠技術培訓室）

　　摘　要：普惠發動機公司的Z新型發動機PW1100自投入運行以來，雖然發動機的各項指標都達到設計和客戶的要求，但新型發動機初始設計缺陷也嚴重的困擾著用戶和普惠。

　　其中Z突出的是3號軸承封嚴的磨損問題，已造成全球數十起的發動機非計劃更換。本文從設計上分析了軸承封嚴磨損的原因，同時，也從原理上分析了廠家改進方案的機理。

　　一、PW1100G-JM發動機簡介

　　PW1100G-JM發動機（簡稱PW1100）是普惠公司研發的新一代發動機，也稱為齒輪傳動風扇發動機（Geared Turbofan Engine, GTF）。PW1100發動機是空中客車A320neo系列飛機的選裝動力，是具有超高涵道比、低速齒輪驅動風扇的軸流、雙轉子渦扇發動機。

　　傳統渦扇發動機的低壓渦輪、低壓壓氣機和風扇共用低壓軸，低壓壓氣機和風扇由低壓渦輪驅動，以同一轉速運轉。因為低壓渦輪、低壓壓氣機和風扇尺寸相差較大，為了使風扇工作在效率較高的轉速，傳統發動機的低壓壓氣機和低壓渦輪不得不工作在低于Z優轉速的風扇轉速上。

　　PW1100發動機Z大的技術革新是在低壓壓氣機和風扇之間加了一個驅動齒輪組件，使低壓壓氣機和風扇工作在不同的轉速。這樣使風扇和低壓壓氣機、低壓渦輪都工作在各自效率較高的轉速。

　　引入驅動齒輪可提升發動機性能，降低燃油消耗、空氣污染和噪音；同時，大幅度降低運行成本和對環境的影響。據統計，PW1100發動機油耗比傳統發動機降低15%以上，污染物排放和噪音比CAEP 6標準低50%。

　　二、PW1100發動機的3號軸承封嚴缺陷

　　A320neo/PW1100自2016年1月初始運行，已經交付了54架飛機。PW1100發動機在實際運行中的性能表現完全滿足了設計目標和客戶要求。

　　同時，相比傳統發動機，由于PW1100發動機采用了較多的設計革新，各個系統還不完善。在初始運行一年半的時間里，PW1100發動機表現出了一系列初始設計缺陷，有的初始缺陷對飛機正常運行產生了較大的影響（延誤，非計劃換發等）。

　　其中Z顯著的是3號軸承封嚴的缺陷，由于此缺陷導致的非計劃更換發動機占到了總非計劃更換發動機數量的70%以上。

3號軸承缺陷的典型表現是觸發ECAM警告：ENG X OIL CHIP DETECTED，故障信息：OIL DEBRIS OVERLIMIT DETECTD BY OD。警告提示探測到金屬屑超標，按照排故程序，檢查發動機6個磁堵，3號軸承腔磁堵和角齒輪箱磁堵上有大量金屬屑和黑色油泥，需要緊急停場換發。

　　導致磁堵上大量金屬屑的原因是3號軸承腔封嚴的不正常磨損。

　　三、3號軸承腔封嚴缺陷分析
　　3號軸承是支撐高壓轉子前端的球軸承，位于3號軸承腔內。3號軸承腔的封嚴采用的是抬升式碳封嚴設計（lift-off Seal），起到對3號軸承潤滑滑油的封嚴功能。抬升式封嚴設計降低了高轉速時的封嚴磨損。在轉子高速旋轉時，在封嚴盤的溝槽（Grooves）內產生空氣壓力，使碳封嚴和封嚴盤分離，碳封嚴和封嚴盤之間有薄薄的一層氣膜，從而減少了碳封嚴的磨損。

 　　正常情況下，當發動機靜止時，碳封嚴和封嚴盤接觸。當發動機運轉時，由于封嚴氣膜的作用，碳封嚴抬升。因此，碳封嚴和封嚴盤只在發動機起動階段有短暫的接觸摩擦，磨損是很小的。但在實際的發動機運轉測試中，發現氣膜阻尼有時會被突破，碳封嚴和封嚴盤直接接觸接觸。

　　這種短時的“觸碰”會導致碳封嚴早期的機械磨損，以及碳封嚴底座和封嚴盤的接觸。這種金屬對金屬的磨損產生大量的金屬顆粒，金屬顆粒被金屬屑探測系統捕獲后產生警告，Z終導致非計劃換發。

　　所以，碳封嚴磨損的根本原因是發動機運轉時，碳封嚴突破了氣膜的阻尼，和封嚴盤有直接接觸。

　　四、3號軸承碳封嚴磨損缺陷的改進措施

　　針對封嚴氣膜不穩定，容易被“突破”的問題，普惠公司從封嚴本體設計和產生氣膜的封嚴空氣氣路兩個方面進行改進，來解決封嚴磨損的問題。
　　1.封嚴本體設計改進（改進1/PHASE 1）
　　廠家重新設計碳封嚴組件，降低碳封嚴的彈簧負載，以增加抬升（阻尼）氣膜的厚度。同時，對高壓軸也進行了重新設計，去掉碳封嚴和高壓軸之間的擋塊，以減少由于部件差異帶來的安裝碳封嚴時的累計誤差。碳封嚴本體設計的改進只能在發動機進場分解時才能執行。

　　2.封嚴空氣氣路的改進（改進1A/PHASE 1A）

　　經試驗測試，證實有三種類型的碳封嚴重復“觸碰”：

　　1）封嚴空氣轉換導致；
　　2）轉動慣量導致；
　　3）封嚴空氣溫度導致。

　　廠家解決以上問題的辦法是對軸承封嚴空氣系統管路進行文氏管改裝，同時在翼升級EEC（發動機電子控制盒）軟件至版本FCS4.0b。

　　軸承腔封嚴空氣來源自發動機壓氣機引氣，低轉速時來自高壓壓氣機3級引氣，高轉速時來自低壓壓氣機出口（2.5級）引氣，封嚴空氣源的轉換由EEC根據封嚴空氣的壓力等參數進行控制。由于2.5級引氣和高壓3級引氣在壓力和溫度上相差過大，導致在封嚴空氣轉換過程中容易出現上述三種類型的碳封嚴磨損。

　　因此，廠家重新設計了封嚴空氣的管路，將高壓3級的引氣管有原來的直管設計改成了中部有節流效果的文氏管設計。以降低高壓3級封嚴空氣的壓力和溫度，減少和2.5級引氣之間的差異，使得封嚴空氣源在轉換時實現平穩過渡。

　　同時，升級EEC軟件至FCS4.0b版本，也降低了封嚴空氣源的轉換循環次數，來降低封嚴磨損的可能性。文氏管改裝和EEC升級可在翼完成。

　　飛行數據驗證文氏管改裝和EEC軟件FCS4.0b對軸承封嚴磨損的改進效果：

　　1）對封嚴空氣轉換導致磨損的改進效果

　　飛行驗證數據顯示，文氏管改裝前，封嚴空氣轉換時，由于氣源（2.5級引氣和高壓3級引氣）間壓力下降過大，導致阻尼氣膜無法保持，發生觸碰現象。文氏管的引進，使得封嚴空氣源之間的壓力差距減小，氣源轉換平穩，杜絕了氣源轉換導致的封嚴磨損。

 　　2）對轉動慣量導致磨損的改進效果
　　當發動機轉子在轉速改變時或者高轉速時，轉動慣量較大，這時如果軸承的阻尼較小，將會導致轉子振動較大，這樣軸承封嚴和封嚴盤在轉子動量和振動的作用下發生觸碰，導致封嚴磨損。廠家升級EEC軟件至FCS4.0b版本，改變發動機轉子在不同轉速下軸承的阻尼計劃。當轉子動量較大時，EEC控制增加軸承的阻尼，減小轉子的振動，來消除軸承封嚴的磨損。

　　3）對封嚴空氣溫度導致磨損的改進效果
　　封嚴空氣溫度過高，將會導致封嚴氣膜兩側的碳封嚴和封嚴盤膨脹，膨脹到一定程度會發生接觸，導致封嚴磨損。引進文氏管，降低封嚴空氣的溫度；同時，升級EEC，把封嚴空氣溫度作為一個限制參數，當高壓引氣溫度過高時，不轉換至高壓高溫氣源作為封嚴空氣，來消除高溫膨脹導致的封嚴磨損。

　　五、結束語

　　任何一款新型發動機的初始運行階段，都會碰到在發動機設計和測試階段無法模擬出的設計缺陷，特別是采用了新的技術革新。如果對初始設計缺陷能較快較好的解決，不但可以推進發動機的快速成熟，也能提升客戶的信心，贏得客戶的信賴。

　　PW1100作為普惠發動機公司的Z新產品，設計性能優越，同時也面對著初始設計缺陷的挑戰。目前來看，3號軸承封嚴是PW1100發動機Z亟待解決的問題，普惠公司已經發布了針對性的改進方案。

　　從飛行驗證數據來看，很好的解決了3號軸承封嚴磨損問題。但正如前所述，驗證飛行不能完全模擬實際使用狀態。隨著改進措施的推進，飛機的實際運行將在實踐中檢驗廠家改進方案的有效性。

　　同時，普惠公司應更加具有前瞻性，在觀察改進效果期間，繼續探索軸承封嚴的后續提升方案。

（來源：Sunline適航與維修）