姜柏松
（南方航空深圳分公司飞机维修厂技术培训室）

　　摘　要：普惠发动机公司的Z新型发动机PW1100自投入运行以来，虽然发动机的各项指标都达到设计和客户的要求，但新型发动机初始设计缺陷也严重的困扰着用户和普惠。

　　其中Z突出的是3号轴承封严的磨损问题，已造成全球数十起的发动机非计划更换。本文从设计上分析了轴承封严磨损的原因，同时，也从原理上分析了厂家改进方案的机理。

　　一、PW1100G-JM发动机简介

　　PW1100G-JM发动机（简称PW1100）是普惠公司研发的新一代发动机，也称为齿轮传动风扇发动机（Geared Turbofan Engine, GTF）。PW1100发动机是空中客车A320neo系列飞机的选装动力，是具有超高涵道比、低速齿轮驱动风扇的轴流、双转子涡扇发动机。

　　传统涡扇发动机的低压涡轮、低压压气机和风扇共用低压轴，低压压气机和风扇由低压涡轮驱动，以同一转速运转。因为低压涡轮、低压压气机和风扇尺寸相差较大，为了使风扇工作在效率较高的转速，传统发动机的低压压气机和低压涡轮不得不工作在低于Z优转速的风扇转速上。

　　PW1100发动机Z大的技术革新是在低压压气机和风扇之间加了一个驱动齿轮组件，使低压压气机和风扇工作在不同的转速。这样使风扇和低压压气机、低压涡轮都工作在各自效率较高的转速。

　　引入驱动齿轮可提升发动机性能，降低燃油消耗、空气污染和噪音；同时，大幅度降低运行成本和对环境的影响。据统计，PW1100发动机油耗比传统发动机降低15%以上，污染物排放和噪音比CAEP 6标准低50%。

　　二、PW1100发动机的3号轴承封严缺陷

　　A320neo/PW1100自2016年1月初始运行，已经交付了54架飞机。PW1100发动机在实际运行中的性能表现完全满足了设计目标和客户要求。

　　同时，相比传统发动机，由于PW1100发动机采用了较多的设计革新，各个系统还不完善。在初始运行一年半的时间里，PW1100发动机表现出了一系列初始设计缺陷，有的初始缺陷对飞机正常运行产生了较大的影响（延误，非计划换发等）。

　　其中Z显著的是3号轴承封严的缺陷，由于此缺陷导致的非计划更换发动机占到了总非计划更换发动机数量的70%以上。

3号轴承缺陷的典型表现是触发ECAM警告：ENG X OIL CHIP DETECTED，故障信息：OIL DEBRIS OVERLIMIT DETECTD BY OD。警告提示探测到金属屑超标，按照排故程序，检查发动机6个磁堵，3号轴承腔磁堵和角齿轮箱磁堵上有大量金属屑和黑色油泥，需要紧急停场换发。

　　导致磁堵上大量金属屑的原因是3号轴承腔封严的不正常磨损。

　　三、3号轴承腔封严缺陷分析
　　3号轴承是支撑高压转子前端的球轴承，位于3号轴承腔内。3号轴承腔的封严采用的是抬升式碳封严设计（lift-off Seal），起到对3号轴承润滑滑油的封严功能。抬升式封严设计降低了高转速时的封严磨损。在转子高速旋转时，在封严盘的沟槽（Grooves）内产生空气压力，使碳封严和封严盘分离，碳封严和封严盘之间有薄薄的一层气膜，从而减少了碳封严的磨损。

 　　正常情况下，当发动机静止时，碳封严和封严盘接触。当发动机运转时，由于封严气膜的作用，碳封严抬升。因此，碳封严和封严盘只在发动机起动阶段有短暂的接触摩擦，磨损是很小的。但在实际的发动机运转测试中，发现气膜阻尼有时会被突破，碳封严和封严盘直接接触接触。

　　这种短时的“触碰”会导致碳封严早期的机械磨损，以及碳封严底座和封严盘的接触。这种金属对金属的磨损产生大量的金属颗粒，金属颗粒被金属屑探测系统捕获后产生警告，Z终导致非计划换发。

　　所以，碳封严磨损的根本原因是发动机运转时，碳封严突破了气膜的阻尼，和封严盘有直接接触。

　　四、3号轴承碳封严磨损缺陷的改进措施

　　针对封严气膜不稳定，容易被“突破”的问题，普惠公司从封严本体设计和产生气膜的封严空气气路两个方面进行改进，来解决封严磨损的问题。
　　1.封严本体设计改进（改进1/PHASE 1）
　　厂家重新设计碳封严组件，降低碳封严的弹簧负载，以增加抬升（阻尼）气膜的厚度。同时，对高压轴也进行了重新设计，去掉碳封严和高压轴之间的挡块，以减少由于部件差异带来的安装碳封严时的累计误差。碳封严本体设计的改进只能在发动机进场分解时才能执行。

　　2.封严空气气路的改进（改进1A/PHASE 1A）

　　经试验测试，证实有三种类型的碳封严重复“触碰”：

　　1）封严空气转换导致；
　　2）转动惯量导致；
　　3）封严空气温度导致。

　　厂家解决以上问题的办法是对轴承封严空气系统管路进行文氏管改装，同时在翼升级EEC（发动机电子控制盒）软件至版本FCS4.0b。

　　轴承腔封严空气来源自发动机压气机引气，低转速时来自高压压气机3级引气，高转速时来自低压压气机出口（2.5级）引气，封严空气源的转换由EEC根据封严空气的压力等参数进行控制。由于2.5级引气和高压3级引气在压力和温度上相差过大，导致在封严空气转换过程中容易出现上述三种类型的碳封严磨损。

　　因此，厂家重新设计了封严空气的管路，将高压3级的引气管有原来的直管设计改成了中部有节流效果的文氏管设计。以降低高压3级封严空气的压力和温度，减少和2.5级引气之间的差异，使得封严空气源在转换时实现平稳过渡。

　　同时，升级EEC软件至FCS4.0b版本，也降低了封严空气源的转换循环次数，来降低封严磨损的可能性。文氏管改装和EEC升级可在翼完成。

　　飞行数据验证文氏管改装和EEC软件FCS4.0b对轴承封严磨损的改进效果：

　　1）对封严空气转换导致磨损的改进效果

　　飞行验证数据显示，文氏管改装前，封严空气转换时，由于气源（2.5级引气和高压3级引气）间压力下降过大，导致阻尼气膜无法保持，发生触碰现象。文氏管的引进，使得封严空气源之间的压力差距减小，气源转换平稳，杜绝了气源转换导致的封严磨损。

 　　2）对转动惯量导致磨损的改进效果
　　当发动机转子在转速改变时或者高转速时，转动惯量较大，这时如果轴承的阻尼较小，将会导致转子振动较大，这样轴承封严和封严盘在转子动量和振动的作用下发生触碰，导致封严磨损。厂家升级EEC软件至FCS4.0b版本，改变发动机转子在不同转速下轴承的阻尼计划。当转子动量较大时，EEC控制增加轴承的阻尼，减小转子的振动，来消除轴承封严的磨损。

　　3）对封严空气温度导致磨损的改进效果
　　封严空气温度过高，将会导致封严气膜两侧的碳封严和封严盘膨胀，膨胀到一定程度会发生接触，导致封严磨损。引进文氏管，降低封严空气的温度；同时，升级EEC，把封严空气温度作为一个限制参数，当高压引气温度过高时，不转换至高压高温气源作为封严空气，来消除高温膨胀导致的封严磨损。

　　五、结束语

　　任何一款新型发动机的初始运行阶段，都会碰到在发动机设计和测试阶段无法模拟出的设计缺陷，特别是采用了新的技术革新。如果对初始设计缺陷能较快较好的解决，不但可以推进发动机的快速成熟，也能提升客户的信心，赢得客户的信赖。

　　PW1100作为普惠发动机公司的Z新产品，设计性能优越，同时也面对着初始设计缺陷的挑战。目前来看，3号轴承封严是PW1100发动机Z亟待解决的问题，普惠公司已经发布了针对性的改进方案。

　　从飞行验证数据来看，很好的解决了3号轴承封严磨损问题。但正如前所述，验证飞行不能完全模拟实际使用状态。随着改进措施的推进，飞机的实际运行将在实践中检验厂家改进方案的有效性。

　　同时，普惠公司应更加具有前瞻性，在观察改进效果期间，继续探索轴承封严的后续提升方案。

（来源：Sunline适航与维修）