嚴國鑫 皮 駿 /

(1. 深圳市潤貝化工有限公司，廣東深圳 518108； 2. 中國民航大學(xué) 中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300)

0 引言

航空發(fā)動機的密封件具有防止漏油、緩沖減振的作用，是保護發(fā)動機結(jié)構(gòu)受損和阻止滑油泄漏的重要部件，若密封件受到滑油的腐蝕和膨脹將會使密封失效，導(dǎo)致發(fā)動機受到污染和漏油，影響了發(fā)動機的維護和使用壽命。

隨著航空燃氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機的可靠性越來越高，發(fā)動機拆換間隔平均時間(Mean Time Between Removal，簡稱MTBR)可達10 000 h～15 000 h，最長的在翼時間為CFM56-7B創(chuàng)造的50 000 h。隨著推重比的增大，發(fā)動機的排氣溫度EGT也在增大，超過1 000 ℃的EGT影響了滑油系統(tǒng)的溫度。發(fā)動機滑油系統(tǒng)溫度的增加和MTBR的增長對發(fā)動機密封部件提出了更高的長時間抗高溫要求，對滑油也提出了更強的密封兼容性要求。

1 航空滑油性能

1963年，美國海軍制定了第一版合成型滑油標準MIL-L-23699。為了彌補標準油-STD(Standard Grade)在JT8D發(fā)動機高溫區(qū)域積碳和氧化問題的不足，在1997年，美海軍將滑油標準升級為MIL-PRF-23699F，添加了新滑油分類高溫油-HTS(High Thermal Stability Grade)，以解決發(fā)動機高溫區(qū)域滑油積碳和氧化問題。2000年，美國汽車工程協(xié)會在MIL-PRF-23699F標準之上，制定了更為嚴格的SAE-AS-5780標準，加入了高性能油-HPC(High Performance Class)的分類。航空滑油分類詳見表1。

表1 航空滑油分類

一般，滑油性能指標分為密封件兼容性、氧化穩(wěn)定性、沉淀物控制、低溫流動性、氣相煉焦和抗磨損性能，標準油-STD/SPC、高溫油-HTS、高性能油-HPC三種滑油性能差異如圖1所示。

從圖1可知，標準油在密封兼容性、抗磨損性能和低溫流動性上優(yōu)于高溫油，而高溫油在沉淀物控制、氣相煉焦和氧化穩(wěn)定性方面比標準油更佳，高性能油是SAE-AS-5780劃分的最新滑油分類，各項性能均衡，是未來航空發(fā)動機應(yīng)用的方向。

圖1 滑油性能差異

2013年，美國汽車工程協(xié)會又出版了SAE-AS-5780B，加入了長時間彈性體相容性測試，即將航空滑油長時間下滑油對航空發(fā)動機內(nèi)的密封件的腐蝕提出了更高的要求，來符合未來航空發(fā)動機更佳的可靠性和在翼壽命。

2 密封兼容性分析

將航空發(fā)動機密封件Viton A浸泡在標準油、高溫油和高性能油中，設(shè)置不同溫度，得到的結(jié)果如圖2所示。當(dāng)溫度為100 ℃，可模擬發(fā)動機低溫區(qū)域，三種潤滑油中的Viton A無太大差別；當(dāng)溫度為120 ℃，高溫油下的密封件在200 h以后出現(xiàn)過度膨脹和軟化現(xiàn)象；當(dāng)溫度繼續(xù)升至140 ℃，且在超過1 800 h以后，高溫油下的密封件不僅過度膨脹，還出現(xiàn)硬度回落現(xiàn)象，說明密封件出現(xiàn)降解；當(dāng)升至160 ℃，高溫油下的密封件出現(xiàn)溶解現(xiàn)象，硬度為零，密封件完全失效。

a) 100 ℃ 膨脹和硬度對比

b) 120 ℃ 膨脹和硬度對比

c) 140 ℃ 膨脹和硬度對比

d) 160 ℃ 膨脹和硬度對比

3 CFM56-5B/-7B故障實例

3.1 故障背景

CFM56-5B/-7B發(fā)動機因高滑油消耗率，共發(fā)生了數(shù)十起非計劃拆除、空停事件，事件的原因是發(fā)動機大量漏滑油，且在濾網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)了3號軸承前封嚴內(nèi)的碎片。

CFM56軸承腔采用篦齒空氣封嚴形式[1]，從高壓壓氣機引出的增壓空氣給軸承腔冷卻的同時還起到滑油封嚴作用[2]，防止滑油泄漏，如圖3所示。

圖3 CFM56軸承分布結(jié)構(gòu)

3.2 故障機理

3號軸承座前封嚴內(nèi)含有一種特氟龍材料(PTFE)[3]，當(dāng)PTFE的粘結(jié)膠被滑油腐蝕產(chǎn)生碎片甚至脫落，脫落后的碎片進入前集油槽，導(dǎo)致前集油槽的空氣壓力升高，空氣回流至1號前封嚴和3號后封嚴齒間隙，篦齒封嚴失效，最終導(dǎo)致前集油槽大量漏油。篦齒封嚴漏油原理如圖4所示。

圖4 篦齒封嚴失效漏油原理

3.3 故障分析

圖5 3號軸承前封嚴PTFE脫落

圖6 平均滑油消耗量變化曲線

某航空公司CFM56發(fā)動機3號軸承前封嚴脫落的PTFE實物如圖5所示，從圖中可以看出，PTFE已脫離軸承結(jié)構(gòu)。圖6為CFM發(fā)動機12個月滑油平均消耗曲線，紅線為故障發(fā)動機滑油消耗曲線，藍線為正常滑油消耗曲線，發(fā)生此故障后，平均油耗增至0.4 UKqt/h，必須進場換發(fā)處理。經(jīng)GE統(tǒng)計，使用高溫油的CFM56-5B/-7B發(fā)動機發(fā)生此故障的循環(huán)數(shù)低至6 000[4]，而使用標準油的CFM56-5B/-7B發(fā)動機發(fā)生此故障的循環(huán)數(shù)遠高于6 000。從前述知，對于特定的粘結(jié)膠和橡膠彈性體，高溫油加快腐蝕是導(dǎo)致此CFM56發(fā)動機3號軸承前封嚴脫膠的重要原因之一。

4 結(jié)論

本文通過對II型合成滑油標準及實驗、CFM56-5B/-7B發(fā)動機3號軸承前封嚴脫膠故障的分析，得到了以下一些結(jié)論：

1)II型合成滑油劃分的標準油在密封兼容性、低溫流動性和抗磨損性能上比高溫油好，高溫油在抗積碳、氣相煉焦和抗氧化性上比標準油要出色，高性能油各項性能均衡，總體性能比標準油和高溫油都要優(yōu)秀。

2)航空發(fā)動機密封件的滑油測試中，密封件在高溫油中在超過120 ℃、1 800 h后出現(xiàn)過度膨脹和軟化，說明了標準油和高性能油在密封兼容性上優(yōu)于高溫油。

3)CFM56-5B/-7B發(fā)動機的3號軸承前封嚴內(nèi)的PTFE脫落跟發(fā)動機使用的高溫油有關(guān)系。

參考文獻:

[1] 劉長福，鄧明. 航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)分析[M]. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006：232-284.

[2] 許春生. 燃氣渦輪發(fā)動機[M]. 北京:兵器工業(yè)出版社， 2006：109-110.

[3] FAA. Aviation Maintenance Technician Handbook-Powerplant, Volume 2[M]. Aviation Supplies & Academics， 2012.

[4] CFM. CFM56-5B/-7B-No.3 forward stationary seal PTFE disbond [R]. US and French:CFM International，2016.