薑柏鬆
（南方航空深圳分公司飛機維修廠技（jì）術培訓室（shì））
摘 要：普惠發（fā）動機公司（sī）的Z新型（xíng）發動機PW1100自投入運行以來，雖然發動機的各項指（zhǐ）標都達到設計和客戶的要（yào）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（yán）的（de）磨（mó）損問題，已造成全球數（shù）十起的發動機非計（jì）劃更換。本文從設計（jì）上分析了軸承封嚴（yán）磨損的原因，同時（shí），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（shì）普惠公司研發的新一代發動機，也稱為齒輪傳（chuán）動風扇發（fā）動機（Geared Turbofan Engine, GTF）。PW1100發（fā）動機是空中客車A320neo係列飛機的選裝動力，是具有超高（gāo）涵道比、低速齒（chǐ）輪驅動風扇的軸流、雙轉子渦扇發動機。
傳統渦扇發動（dòng）機的低壓渦輪、低壓壓氣機和風（fēng）扇共用（yòng）低（dī）壓軸，低壓壓氣機和風扇由低壓渦輪驅動，以同一轉速（sù）運（yùn）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（sù），傳統發（fā）動機的低壓（yā）壓氣機和低（dī）壓渦輪不得不工作在低（dī）於Z優轉速（sù）的風（fēng）扇轉速上（shàng）。
PW1100發動機Z大的技（jì）術革新是在低壓壓氣（qì）機和風扇之間（jiān）加了一（yī）個驅動齒（chǐ）輪組件，使低壓壓氣機和風扇工（gōng）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（zhuǎn）速。
引入驅動齒輪可提升發動機性能，降低（dī）燃油消耗、空氣汙染和噪音；同時，大（dà）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（shàng），汙染物（wù）排放和噪音比CAEP 6標準低50%。
二（èr）、PW1100發動機的3號軸承封嚴（yán）缺陷
A320neo/PW1100自2016年1月初始運行（háng），已經交付了（le）54架飛機。PW1100發動機在（zài）實際運行中的性能（néng）表現完全滿足了設計目（mù）標和客（kè）戶要求（qiú）。
同時，相比傳（chuán）統發動機（jī），由於PW1100發動機采用了較（jiào）多（duō）的設計革（gé）新，各個係（xì）統還不完善。在初始運行（háng）一年半的（de）時間裏（lǐ），PW1100發（fā）動機（jī）表現出了一係列（liè）初（chū）始設計缺陷，有的初（chū）始缺（quē）陷對飛機正（zhèng）常運（yùn）行產生了較大的影響（延誤，非計劃換發等）。
其中Z顯（xiǎn）著的是3號軸（zhóu）承封嚴的缺陷，由於此缺陷導致的非計劃更換發動機占到（dào）了總非計劃更（gèng）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（jǐng）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（fā）動機6個磁堵，3號軸承腔磁堵和角齒輪箱（xiāng）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（yuán）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（qián）端的（de）球軸承，位於3號（hào）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（zhóu）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（lì），使碳封嚴和封嚴盤（pán）分離，碳封嚴和封嚴盤之間有薄薄的一層氣（qì）膜，從而減少了碳封嚴的磨損。
正常情況下，當發動機靜止時（shí），碳封嚴（yán）和封嚴盤接觸。當發（fā）動機運（yùn）轉時（shí），由於封嚴氣膜的作用，碳封嚴抬升。因此，碳封嚴和封嚴盤隻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（dòng）機運轉測試中，發現氣（qì）膜阻尼有時會被突破，碳封嚴和封嚴盤直接（jiē）接觸接觸。
這種短時的“觸碰”會導致碳封（fēng）嚴早期的機械磨（mó）損，以及碳封嚴底座和封（fēng）嚴盤的接觸。這（zhè）種金屬對金屬的（de）磨損產生大（dà）量的金屬顆粒，金（jīn）屬顆粒被（bèi）金屬屑探測係統捕獲後產生（shēng）警告，Z終導致非計劃換發。
所以，碳封嚴磨損的（de）根本原因是（shì）發動機運轉時，碳封嚴突破了氣膜的阻尼（ní），和封嚴盤有直接接觸。
四、3號軸承碳封嚴磨（mó）損缺陷的改進措施
針對封嚴氣（qì）膜不穩（wěn）定，容易被“突破”的問題，普惠公司從封（fēng）嚴本體設計和產生氣膜的封嚴空氣氣路兩個方麵進行改進，來解決（jué）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（fù）載，以增加抬升（阻尼）氣膜的厚度。同時，對高壓軸（zhóu）也進行了重（chóng）新設計，去掉碳封嚴和高壓軸之間的擋塊，以減少由於部件差異帶來（lái）的（de）安裝碳封嚴時的累計誤差。碳封嚴本體設計的（de）改進隻能（néng）在發動（dòng）機進場（chǎng）分解時才能執（zhí）行。
2.封嚴空氣氣路的改進（改進1A/PHASE 1A）
經試驗測試，證實有（yǒu）三種類型的碳封嚴重複“觸碰”：
1）封（fēng）嚴空（kōng）氣轉換導致；
2）轉動慣（guàn）量導（dǎo）致；
3）封嚴空氣溫度導（dǎo）致。
廠家解決以上問題的辦法是對軸承封嚴空氣（qì）係統管（guǎn）路進行文氏管改裝，同（tóng）時（shí）在翼升級EEC（發動（dòng）機電子（zǐ）控製盒）軟件至版本FCS4.0b。
軸承腔封嚴空氣來源自發動機壓氣機引（yǐn）氣，低轉速時來自高壓壓（yā）氣機3級引氣，高轉（zhuǎn）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（lì）等（děng）參數進行控製。由於2.5級引氣和高壓3級（jí）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（lèi）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（jì）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（yán）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（yuán）在轉換時實現平穩過（guò）渡。
同時，升級EEC軟件至FCS4.0b版本，也（yě）降（jiàng）低了封嚴空氣（qì）源的轉換循環次數，來降低封嚴磨損（sǔn）的可能性。文氏管改裝和EEC升級（jí）可在翼完成（chéng）。
飛行數據驗證文氏管改裝和EEC軟（ruǎn）件FCS4.0b對軸承封嚴磨損的改進效（xiào）果：
1）對封嚴空氣轉換導（dǎo）致磨（mó）損的改進效（xiào）果
飛行驗證數據顯示，文氏管改裝前（qián），封嚴空氣轉換時，由於氣（qì）源（2.5級引氣和高壓3級引氣）間壓（yā）力下降過（guò）大，導（dǎo）致阻尼氣膜無法保持，發生（shēng）觸碰現象。文氏管（guǎn）的（de）引進，使得封嚴空氣（qì）源之間的壓力差距減小（xiǎo），氣源（yuán）轉（zhuǎn）換平穩，杜絕了氣源轉換導致的封（fēng）嚴磨損。
2）對轉動慣量導致磨損的改進效果
當發動機轉子（zǐ）在（zài）轉速改變時或者高轉速時（shí），轉動慣量較大，這時（shí）如（rú）果軸承的（de）阻尼較小，將會導致（zhì）轉（zhuǎn）子振動較大，這樣軸承封嚴和封嚴（yán）盤在轉子動量（liàng）和振動的作用下（xià）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（de）阻尼計劃。當轉子動（dòng）量較大時，EEC控製增加軸承的阻尼，減小轉子的振動，來消除軸承封嚴的磨損（sǔn）。
3）對封嚴空氣溫度導致磨損的改（gǎi）進效果
封（fēng）嚴空氣溫度過高，將（jiāng）會導致封嚴氣膜兩側的碳封嚴和封（fēng）嚴盤膨脹，膨脹到一（yī）定程（chéng）度（dù）會發生接（jiē）觸，導（dǎo）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製參（cān）數，當高（gāo）壓（yā）引氣溫度過高（gāo）時，不轉換至高壓高（gāo）溫（wēn）氣源作為封嚴空氣，來消除高溫膨脹（zhàng）導致的封嚴磨損。
五、結束（shù）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（hé）測試階段無法模擬出的設計缺陷，特別是采用了新（xīn）的技術革新。如果對初始設計缺陷能較快較好的解決，不（bú）但可以推進（jìn）發動機的快速成（chéng）熟，也能提升（shēng）客戶的信（xìn）心，贏得客戶（hù）的信賴。
PW1100作為（wéi）普惠發（fā）動機公（gōng）司的Z新產品，設計性（xìng）能優（yōu）越，同時也麵對著初始設計缺陷（xiàn）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（duì）性的改進方案。
從飛行驗證數據來看，很好（hǎo）的解決了3號軸承封嚴（yán）磨（mó）損問題。但正如前所述，驗證飛行不能完全模擬實（shí）際使用狀（zhuàng）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（qī）間（jiān），繼續探索軸（zhóu）承封嚴的後續提升（shēng）方案。
（來源：Sunline適航與維修）
