蘇志善 李華聰 李文霞 高 帥 王 蓉

(1.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院 陜西西安 710129；2.中國航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司 陜西西安 710077)

燃油增壓泵是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油增壓附件，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)中起到給整個(gè)燃油系統(tǒng)增壓的重要作用[1]。機(jī)械密封作為泵類產(chǎn)品的常用密封裝置[2]，也是最容易出現(xiàn)故障的裝置之一，故障模式通常為機(jī)械密封失效導(dǎo)致漏油[3-8]。某型燃油增壓泵在使用過程中多次發(fā)生機(jī)械密封組件石墨環(huán)斷裂失效，導(dǎo)致滑油系統(tǒng)白色油氣混合狀氣體從漏油管接頭泄漏，呈現(xiàn)出燃油增壓泵“冒白煙”故障。

該燃油增壓泵是某型發(fā)動(dòng)機(jī)低壓燃油系統(tǒng)配套的Ⅲ類定型附件，其作用是為發(fā)動(dòng)機(jī)主燃油系統(tǒng)、加力燃油系統(tǒng)和噴口控制系統(tǒng)提供一定壓力的燃油，并接收各系統(tǒng)的低壓回油。該泵由誘導(dǎo)輪、離心葉輪、主軸、花鍵軸、泵蓋、渦殼、動(dòng)環(huán)、機(jī)械密封組件、前后支承軸承等主要零組件組成。機(jī)械密封處的結(jié)構(gòu)如圖1所示，左端機(jī)械密封浸泡在燃油中實(shí)現(xiàn)冷卻潤滑，右端機(jī)械密封通過一條小油路的滑油噴射到軸承上反濺到機(jī)械密封上進(jìn)行冷卻潤滑。

圖1 機(jī)械密封及滑油潤滑結(jié)構(gòu)原理

本文作者分析了機(jī)械密封組件石墨環(huán)斷裂以及“冒白煙”故障的直接原因，并提出了排除故障的方法。

1 石墨環(huán)斷裂原因分析

對(duì)故障燃油增壓泵進(jìn)行分解，均發(fā)現(xiàn)石墨環(huán)斷裂，相配合的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)座有高溫變色情況，具體見圖2。

圖2 動(dòng)環(huán)和石墨環(huán)故障形貌

鑒于所有燃油增壓泵的故障均為機(jī)械密封組件中的石墨環(huán)斷裂引起的，對(duì)引起石墨環(huán)斷裂的原因進(jìn)行分析。

通過故障件斷裂形貌微觀檢查可知，該故障的斷裂形式為拉應(yīng)力過載斷裂。由機(jī)械密封組件的結(jié)構(gòu)可知，和石墨環(huán)接觸的有動(dòng)環(huán)、膠圈、波形彈簧片和靜環(huán)座等零件。動(dòng)環(huán)和波形彈簧片的力方向?yàn)檩S向，不可能導(dǎo)致拉應(yīng)力的過載斷裂，所以造成石墨環(huán)斷裂的最大可能為膠圈和靜環(huán)座的徑向力導(dǎo)致。常溫情況下，膠圈給石墨環(huán)施加的徑向力很小，不可能導(dǎo)致石墨環(huán)斷裂。常溫情況下，石墨環(huán)和靜環(huán)座為間隙 (0.02～0.062 mm) 配合，所以不可能產(chǎn)生徑向力導(dǎo)致石墨環(huán)斷裂。所以，文中重點(diǎn)分析高溫情況下膠圈和靜環(huán)座是否會(huì)因?yàn)闊崤蛎泴?duì)石墨環(huán)施加了較大的徑向力，導(dǎo)致石墨環(huán)斷裂。

1.1 高溫情況下膠圈施加力的模擬試驗(yàn)

由于高溫情況下，膠圈會(huì)有一定的膨脹[9-10]，會(huì)對(duì)石墨環(huán)施加一定的徑向力，但該徑向力計(jì)算困難，只能通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，當(dāng)溫度為400、500 ℃時(shí)均沒有發(fā)生石墨環(huán)斷裂。說明高溫情況下膠圈的膨脹力不是石墨環(huán)斷裂的主要原因。

1.2 高溫情況下靜環(huán)座施加力的模擬試驗(yàn)

在現(xiàn)有機(jī)械密封組件的裝配情況下，將組件放在高溫箱中，依次在80、100、120、150、180、200、250、300、350、400、450 ℃溫度下保溫3 min，觀察石墨環(huán)是否斷裂。

試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著溫度的升高，當(dāng)溫度由400 ℃升至450 ℃過程中石墨環(huán)斷裂，斷裂時(shí)的溫度為430 ℃，斷裂形貌和故障件一致，為拉應(yīng)力過載斷裂。因此，高溫情況下靜環(huán)座的熱膨脹力是石墨環(huán)斷裂的主要原因。

1.3 高溫情況下靜環(huán)座和石墨環(huán)熱膨脹計(jì)算

測量結(jié)果顯示，常溫下石墨環(huán)和靜環(huán)座間隙尺寸滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到熱膨脹的影響[11]，對(duì)間隙值隨溫度的變化進(jìn)行了理論計(jì)算。如表1所示，隨著溫度的升高，石墨環(huán)和靜環(huán)座由于熱膨脹的影響，兩者之間由初始的間隙配合逐漸變?yōu)檫^盈配合(石墨環(huán)線膨脹系數(shù)按實(shí)測數(shù)據(jù)為5.7×10-6～6.5×10-6mm/℃，靜環(huán)座材料膨脹系數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)為16×10-6～19.7×10-6mm/℃)。

由表1可知，當(dāng)溫度達(dá)到450 ℃時(shí)，石墨環(huán)和靜環(huán)座的過盈量為0.087 88～0.130 12 mm，說明靜環(huán)座會(huì)對(duì)石墨環(huán)施加很大的熱膨脹力。通過高溫模擬試驗(yàn)可知，該熱膨脹力就是石墨環(huán)斷裂的直接原因。

根據(jù)故障形貌和石墨環(huán)斷裂試驗(yàn)及分析可知，該石墨環(huán)斷裂的直接原因是受到靜環(huán)座的熱膨脹力所致。通過結(jié)構(gòu)和原理分析可知，熱源的最大可能為滑油系統(tǒng)滑油流量供給不足，造成機(jī)械密封干摩擦所致?，F(xiàn)對(duì)滑油系統(tǒng)供油情況進(jìn)行分析。

表1 石墨環(huán)與靜環(huán)座間隙計(jì)算

2 滑油系統(tǒng)斷油分析

2.1 滑油系統(tǒng)簡介

某型燃油增壓泵的供油，是來自發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的潤滑油經(jīng)過一個(gè)φ6.7 mm和一個(gè)φ2.4 mm的節(jié)流嘴后供給的。具體結(jié)構(gòu)簡圖見圖3，其中φ2.4 mm節(jié)流嘴處的詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 滑油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

圖4 三通管接頭結(jié)構(gòu)

2.2 燃油增壓泵滑油流量仿真分析

鑒于滑油三通管接頭到增壓泵的油路離節(jié)流嘴的距離較近，可能會(huì)對(duì)滑油流量有影響，因此對(duì)該處結(jié)構(gòu)的節(jié)流嘴擰入深度為0和7.8 mm時(shí)分別進(jìn)行了流體仿真，結(jié)果見圖5。

通過仿真可知：隨著節(jié)流嘴擰入深度的加大，進(jìn)油三通座向增壓泵供油支路供油的速度將明顯減少，流量下降。這是由于在節(jié)流嘴出口處會(huì)存在較強(qiáng)的引射作用，對(duì)流場速度分布產(chǎn)生明顯影響，且節(jié)流嘴擰入深度越大該影響越明顯，使得燃油增壓泵入口流量越小，甚至出現(xiàn)倒吸的作用。

圖5 節(jié)流嘴不同擰入深度的三通中心平面速度分布

2.3 滑油流量試驗(yàn)驗(yàn)證

鑒于滑油系統(tǒng)三通管接頭的節(jié)流嘴擰入深度可能和供給燃油增壓泵的滑油流量有直接關(guān)系，對(duì)三通管接頭進(jìn)行節(jié)流嘴擰入深度和滑油流量關(guān)系的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖6?？芍?，當(dāng)擰入深度大于7 mm時(shí)，滑油流量為0；隨著擰入深度的減小，滑油流量有較大的提高，當(dāng)節(jié)流嘴擰入深度為0時(shí)流量為0.12 L/min。這和仿真結(jié)果較為一致，驗(yàn)證了節(jié)流嘴擰入深度大，節(jié)流嘴出口處會(huì)存在較強(qiáng)的引射作用，對(duì)流場速度分布產(chǎn)生明顯影響，最終導(dǎo)致去往燃油增壓泵的滑油流量為0。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)節(jié)流嘴擰入深度大于7 mm時(shí)，供給燃油增壓泵的滑油為0，燃油增壓泵右端機(jī)械密封組件處于干摩擦狀態(tài)。

圖6 節(jié)流嘴深度和滑油流量關(guān)系

3 故障再現(xiàn)試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證滑油斷油對(duì)機(jī)械密封組件的影響，進(jìn)行了機(jī)械密封組件干摩擦試驗(yàn)和燃油增壓泵斷滑油運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。通過2個(gè)試驗(yàn)，驗(yàn)證故障是否再現(xiàn)。

3.1 機(jī)械密封組件干摩擦試驗(yàn)

將機(jī)械密封組件固定在加工中心固定平臺(tái)上，動(dòng)環(huán)固定在加工中心旋轉(zhuǎn)端，調(diào)整石墨環(huán)與靜環(huán)座的距離，使距離滿足設(shè)計(jì)工作狀態(tài)規(guī)定值(石墨環(huán)和靜環(huán)座間隙為0.035 mm，如圖7所示)。同時(shí)逐步增加轉(zhuǎn)速,每5 min用紅外溫度傳感器測量一次石墨環(huán)表面溫度，并觀察石墨環(huán)是否斷裂。

圖7 石墨環(huán)組件試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)采用的石墨環(huán)為原材料批次為12-3批的試驗(yàn)件1。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速從100 r/min逐漸增加到8 000 r/min過程中,石墨環(huán)工作正常，但試驗(yàn)件1在8 000 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)2 min時(shí)(累計(jì)運(yùn)行37 min)，聽見一聲炸裂聲。停車檢查發(fā)現(xiàn)石墨環(huán)外緣有崩塊，徑向有一條裂縫，動(dòng)環(huán)因高溫變?yōu)辄S色。試驗(yàn)件的形貌和斷裂方式和故障件相似，故障再現(xiàn)。

3.2 燃油增壓泵斷滑油試驗(yàn)

模擬在發(fā)動(dòng)機(jī)上的工作狀態(tài)，對(duì)原材料批次為12-3批的試驗(yàn)件2和原材料批次為12-1批的試驗(yàn)件3，進(jìn)行斷滑油運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)件2斷滑油30 min后，石墨環(huán)出現(xiàn)斷裂，石墨環(huán)斷裂形貌與故障件相似；試驗(yàn)件3斷滑油100 min后，石墨環(huán)出現(xiàn)斷裂，石墨環(huán)斷裂形貌與故障件相似。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

將上述試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)在表2中?？芍涸诟赡Σ梁突蛿嘤驮囼?yàn)情況下，石墨環(huán)均出現(xiàn)斷裂故障；滑油斷油試驗(yàn)情況下，12-3批和12-1批的石墨環(huán)的斷裂時(shí)間不同，可能與間隙的大小及石墨材料批次的差異有關(guān)。

表2 干摩擦斷油試驗(yàn)結(jié)果

4 改進(jìn)措施及驗(yàn)證

通過以上故障排查、原因分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)供給燃油增壓泵的滑油流量過小甚至中斷是 “冒白煙”故障的根本原因。同時(shí)通過仿真可知，節(jié)流嘴擰入深度大，節(jié)流嘴出口處會(huì)存在較強(qiáng)的引射作用，對(duì)流場速度分布產(chǎn)生明顯影響，最終導(dǎo)致去往增壓泵的滑油流量為0。所以提高滑油流量的最簡單措施就是將節(jié)流嘴從油路的左邊移到右邊，如圖8所示。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，節(jié)流嘴從油路的左邊移到右邊后，供給燃油增壓泵的滑油流量能夠達(dá)到0.3 L/min，比改進(jìn)前大大提高。同時(shí)通過發(fā)動(dòng)機(jī)長試及改進(jìn)后的大批量使用表明，采用改進(jìn)措施后再未出現(xiàn)過“冒白煙”故障，機(jī)械密封組件的動(dòng)環(huán)及石墨環(huán)也無高溫變色及斷裂現(xiàn)象，故障得到徹底解決。

圖8 改進(jìn)后三通管接頭結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

(1)某型燃油增壓泵“冒白煙”故障的直接原因是泵內(nèi)機(jī)械密封組件中的石墨環(huán)斷裂，發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)內(nèi)部油氣泄漏，顯現(xiàn)出“冒白煙”故障。

(2)石墨環(huán)斷裂的原因是異常高溫條件下，石墨環(huán)受到靜環(huán)座徑向熱膨脹力所致。

(3)機(jī)械密封組件異常高溫原因是發(fā)動(dòng)機(jī)供給燃油增壓泵的滑油流量過小甚至中斷，導(dǎo)致機(jī)械密封組件在高轉(zhuǎn)速、干摩擦情況下產(chǎn)生大量的熱量，引起異常高溫。

(4)發(fā)動(dòng)機(jī)供給燃油增壓泵的滑油流量過小的原因是節(jié)流嘴擰入過深造成的引射作用，使得供給增壓泵的滑油量大大減少甚至出現(xiàn)中斷。

(5)針對(duì)滑油供給問題，提出了改變發(fā)附機(jī)匣節(jié)流嘴位置的措施，保證供向燃油增壓泵的滑油流量達(dá)到0.3 L /min。經(jīng)過了整機(jī)試車驗(yàn)證及大批量使用驗(yàn)證，可以有效解決“冒白煙”故障。