浅谈PW1100G发动机3号轴承封严早期磨损问题

■ 武汉英/北京飞机维修工程有限公司

0 引言

PW1100G是普惠公司研制的新型涡轮风扇发动机，该型发动机在低压压气机和风扇之间引入了驱动齿轮系统，使风扇和低压系统能分别在最优转速下工作，低压转速和高压转速均得到极大提高。然而，在实现发动机效率提升、燃油消耗降低、氮氧化物排放减少和噪声降低等目标的同时，驱动齿轮系统以及较高的低压和高压转速也带来了一系列问题，其中3号轴承碳封严早期磨损是该型发动机使用过程中的典型故障，也是目前造成该型发动机非计划下发的主要原因之一。

1 3号轴承封严结构及磨损原因介绍

PW1100G发动机转子支撑方案如图1所示，其中3号轴承为球型轴承，位于高压转子前部，用于支撑高压轴。3号轴承封严分为前封严组件和后封严组件，每个封严组件由封严平板、碳封严、封严座和弹簧组成，具体结构如图2所示。当发动机运转时，封严平板随转子组件高速运转，与固定在封严座上的碳封严紧密接触，阻止腔内滑油漏出。

由于PW1100G发动机高压轴转速大幅提高（大约是其他同级别发动机高压轴转速的1.5倍），导致封严组件的机械稳定性变差，封严平板与碳封严接触面温度变高，磨损速度加快，易出现碳封严早期磨损情况。

2 厂家改进措施

为减少3号轴承碳封严磨损，厂家的初始封严构型采用的是抬升封严（lift-off seal），即封严平板上存在沟槽，发动机运转时，沟槽内产生空气压力，在碳封严和封严平板间形成气膜，一方面起到封严作用，另一方面减少封严平板与碳封严的摩擦，提高碳封严使用寿命。但实际使用过程中发现，该封严气膜阻尼会被碳封严突破，导致碳封严与封严平板不断触碰，造成碳封严早期磨损。后续厂家采用了降低碳封严弹簧负载、增加抬升（阻尼）气膜厚度、改进封严空气气路等措施，虽然取得了一定效果，但并未彻底解决碳封严早期磨损问题。

图1 PW1100G发动机转子支撑方案

图2 3号轴承前后封严组件结构图

之后，为解决3号轴承碳封严早期磨损问题，厂家将3号轴承碳封严构型改为传统干面封严（dry face seal），改装后的封严仍然存在早期磨损问题（使用2000h内的发动机，干面封严更容易磨损），随后厂家除改进3号轴承碳封严的制造工艺和装配工艺、提高封严平板和碳封严表面的光洁度外，还采用了升级EEC软件、增大3号轴承滑油量供给、降低滑油温度（软件升级后滑油温度降低70°F）等措施，使3号轴承封严磨损问题得到一定程度的改善，但仍未彻底解决此问题。

预计厂家后续将实施的改进措施如图3所示。

1）增大碳封严与封严平板的接触面积，同时使封严平板变薄以增大散热，降低碳封严与封严平板间的温度。

2）增加弹簧载荷以及罩环强度，以增加碳封严的机械稳定性。

3 在翼监控措施

针对3号轴承封严早期磨损问题，除从设计制造方面寻求解决办法外，还需在日常运行中制定可行的在翼监控措施，对磨损量提前预警，减少非计划下发。目前，针对3号轴承碳封严磨损可采用的监控方法如下。

1）滑油滤压差监控

普惠公司发动机健康监控系统（ADEM/EHM）可对滑油滤压差进行监控，当滑油滤压差达到7时，系统报警。除需对滑油滤进行检查和更换外，考虑到3号轴承碳封严存在早期磨损问题，在更换滑油滤的同时，可对3号轴承碳封严进行孔探检查，确认其是否存在磨损情况。

2）滑油碎屑监控

PW1100G发动机有滑油金属碎屑电子监控系统（ODM），ODM安装在滑油回油总管末端和滑油箱入口之间，当金属碎屑流过传感器时，ODM可通过电磁场来探测滑油回路中含铁金属和非含铁金属碎屑的尺寸和数量（碳颗粒除外），并根据碎屑尺寸、数量产生相对应的信号，超过预设值时则在驾驶舱触发警告“ENG 1/2 OIL CHIP DETECTED”，从而达到实时监控发动机滑油系统状态的目的。由于ODM监控的是整个滑油系统的金属碎屑，当ODM报警时，除需排除误报警外，还需通过磁堵检查、化验和孔探等多种方法来判断是否存在3号轴承封严磨损情况。

另外，正常情况下，封严平板与碳封严产生接触磨损（见图4）。当3号轴承碳封严头部全部磨损后，封严平板与封严座接触后产生金属碎屑，触发ODM警告信息。但在少数情况下，由于封严平板外径小于封严座外径，当碳封严头部全部磨损后封严平板进入封严座却不产生金属碎屑，无法触发ODM报警，这种情况下会发生碳封严严重磨损而造成滑油渗漏。为避免这种情况，厂家通过改装增大了封严平板的外径（见图5），一旦碳封严头部全部磨损，可确保封严平板与封严座接触产生碎屑，触发ODM报警信息。

图3 3号轴承封严硬件改进措施

图4 碳封严磨损图

图5 增大封严平板外径

4 结束语

目前PW1100G发动机3号轴承封严组件仍在不断改进过程中，通过后续改进措施和在翼监控措施将有望提高3号轴承封严组件的可靠性，减少非计划拆换，使该型发动机有更好的用户体验。