一起發(fā)動機(jī)軟軸斷裂引發(fā)直升機(jī)雙發(fā)停車的故障分析

邊英杰，李建新，樊曉峰

(陸軍航空兵66347部隊(duì)，河北保定 071000)

0 引言

米-171直升機(jī)裝有兩臺TB3-117BM型發(fā)動機(jī)。該型發(fā)動機(jī)配裝的電子調(diào)節(jié)器對發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速和極限工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，使發(fā)動機(jī)性能和可靠性有了較大提升;另外，當(dāng)自由渦輪出現(xiàn)超轉(zhuǎn)時，電子調(diào)節(jié)器發(fā)出停車指令，從而保護(hù)發(fā)動機(jī)。如果飛行中出現(xiàn)發(fā)動機(jī)自由渦輪超轉(zhuǎn)，勢必導(dǎo)致發(fā)動機(jī)空中停車，這將嚴(yán)重危及飛行安全，特別是空中雙發(fā)超轉(zhuǎn)停車，如處置不當(dāng)極可能釀成重大事故。

1 故障現(xiàn)象

2008年4月9日，某部組織跨晝夜飛行訓(xùn)練。夜間開飛后，×號米-171直升機(jī)開車，地面檢查各項(xiàng)工作參數(shù)正常。起飛飛至×號機(jī)坪，進(jìn)行懸停檢查，直升機(jī)工作正常。隨后準(zhǔn)備落地轉(zhuǎn)換著陸燈，在高度下降至1至0.5m時，直升機(jī)突然急劇右轉(zhuǎn)并下降，在空中右轉(zhuǎn)90°接地，接地后繼續(xù)右轉(zhuǎn)25°停住。其間雙發(fā)轉(zhuǎn)速和燃?xì)鉁囟燃眲∠陆?，旋翼轉(zhuǎn)速迅速降低，發(fā)動機(jī)聲音改變，總告警燈和主提示燈閃亮，語音告警器發(fā)出“2號發(fā)電機(jī)故障”、“1號發(fā)電機(jī)故障”等報警信號。

1 故障分析

根據(jù)故障現(xiàn)象可以確定該機(jī)雙發(fā)停車。而造成雙發(fā)同時停車的原因并不多，可歸納為進(jìn)氣量不夠、燃油不合格、燃油不足以及操縱不當(dāng)或部附件故障造成雙發(fā)超轉(zhuǎn)保護(hù)停車等情況。

2.1 外部常規(guī)檢查直升機(jī)及發(fā)動機(jī)情況

1)目視檢查發(fā)動機(jī)外部及進(jìn)氣道，狀況良好;

2)檢查直升機(jī)操縱系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、升力系統(tǒng)及供油泵工作狀況良好;

3)轉(zhuǎn)動壓氣機(jī)及自由渦輪轉(zhuǎn)子、旋翼、尾槳工作正常;

4)檢查燃油箱，油量滿，對燃油進(jìn)行化驗(yàn)，符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 通過對飛行參數(shù)記錄儀的判讀確定該機(jī)為空中雙發(fā)超轉(zhuǎn)保護(hù)停車

在對直升機(jī)外部進(jìn)行檢查未發(fā)現(xiàn)異常情況后，技術(shù)人員對該直升機(jī)飛行參數(shù)記錄儀進(jìn)行判讀。判讀結(jié)果顯示，該架直升機(jī)在懸停下降過程中，右發(fā)動機(jī)瞬間工作異常，壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速和燃?xì)鉁囟燃眲∩仙?，同時左發(fā)動機(jī)燃?xì)鉁囟纫搽S之上升，雙發(fā)壓氣機(jī)輸出功率增大造成旋翼轉(zhuǎn)速超過規(guī)定值，致使雙發(fā)超轉(zhuǎn)保護(hù)停車。

表1 飛參記錄的雙發(fā)參數(shù)

2.3 自由渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)工作原理［1］

TB3-117BM型發(fā)動機(jī)電子調(diào)節(jié)器中的自由渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)裝置的功用是:當(dāng)自由渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到(118±2)%時，自動控制發(fā)動機(jī)停車。

系統(tǒng)工作原理為:自由渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)裝置控制部件始終監(jiān)視自由渦輪轉(zhuǎn)速值。當(dāng)自由渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到允許極限值時，自由渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)裝置控制部件一方面接通自由渦輪轉(zhuǎn)速超轉(zhuǎn)告警電路，“自由渦輪超轉(zhuǎn)”告警信號燈亮;另一方面向ИМ-3А執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電磁活門發(fā)出信號，ИМ-3А執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到自由渦輪電路輸出信號后，通過電磁鐵打開活門，連通回油路，開大高壓燃油通往低壓燃油的放油路，回油量迅速增加，致使調(diào)節(jié)油針后的油壓迅速降低，當(dāng)向噴嘴供油油路的油壓降到一定值時，鎖閉活門在彈簧作用下切斷向燃燒室噴嘴供油的油路，從而使發(fā)動機(jī)停車。

為了減少輸出信號的虛警概率，自由渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)電路制成完全相同的兩條電路。只有在兩條電路同時工作時，兩個通道才能通過功率放大器將信號發(fā)送給ИМ-3А發(fā)動機(jī)停車執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

在兩條自由渦輪電路中，若只有其中一條電路工作，或兩條電路在0.2s內(nèi)不能相繼接通，自由渦輪超轉(zhuǎn)信號仍會出現(xiàn)，并且相應(yīng)的“自由渦輪超轉(zhuǎn)”告警信號燈亮。但是，這時ИМ-3А停車執(zhí)行機(jī)構(gòu)不工作，因?yàn)榇藭r檢查電路向強(qiáng)制裝置輸出指令，回到兩個通道的原始狀態(tài)，即在這種情況下，只有告警燈亮，發(fā)動機(jī)不停車。

2.4 造成發(fā)動機(jī)超轉(zhuǎn)保護(hù)停車的主要因素

1)由于操縱不當(dāng)造成

在空中由于下放槳距-油門桿過猛，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其規(guī)定值，致使瞬間旋翼負(fù)荷突然大幅度減小，加之槳距-油門操縱主調(diào)節(jié)油針滯后，發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)渦輪輸出功率不變，導(dǎo)致自由渦輪轉(zhuǎn)速急劇上升，旋翼轉(zhuǎn)速瞬間增大，當(dāng)自由渦輪轉(zhuǎn)速超過允許極限值時，發(fā)動機(jī)自由渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)裝置參與工作，使發(fā)動機(jī)停車。

2)由于部附件故障造成

①發(fā)動機(jī)的自由渦輪(旋翼)超轉(zhuǎn)保護(hù)裝置傳動機(jī)構(gòu)損壞，致使保護(hù)裝置停止工作。當(dāng)自由渦輪轉(zhuǎn)速保護(hù)裝置動力傳動失效時，自由渦輪轉(zhuǎn)速保護(hù)裝置會發(fā)出指令將發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)提高到發(fā)動機(jī)電子調(diào)節(jié)器、壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速保護(hù)裝置或者溫度限制器所限制的值上。此時，旋翼槳距不變，導(dǎo)致旋翼轉(zhuǎn)速超出允許值，致使故障發(fā)動機(jī)超轉(zhuǎn)停車。但這個現(xiàn)象只能導(dǎo)致一臺發(fā)動機(jī)超轉(zhuǎn)停車，不可能導(dǎo)致雙發(fā)停車，因?yàn)楫?dāng)旋翼轉(zhuǎn)速達(dá)到(107±2)%時，傳動良好的發(fā)動機(jī)應(yīng)急斷開分流活門開始工作，使良好發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)降到慢車狀態(tài)，而另一臺發(fā)動機(jī)繼續(xù)在最大狀態(tài)工作。

②功率協(xié)調(diào)器應(yīng)急斷開分流活門失效。功率協(xié)調(diào)器的功用是在兩臺發(fā)動機(jī)共同工作時，用均衡壓氣機(jī)出口空氣壓力的方法來均衡兩臺發(fā)動機(jī)的功率。功率協(xié)調(diào)器應(yīng)急斷開分流活門的用途是當(dāng)旋翼轉(zhuǎn)速達(dá)到(107±2)%時斷開功率協(xié)調(diào)器，從而防止在雙發(fā)同時工作時，一臺發(fā)動機(jī)故障超轉(zhuǎn)帶動另一臺發(fā)動機(jī)超轉(zhuǎn)［1］。

因?yàn)楫?dāng)一臺發(fā)動機(jī)由于故障使旋翼轉(zhuǎn)速超過允許值時，由于功率協(xié)調(diào)器應(yīng)急斷開分流活門失效，在功率協(xié)調(diào)器作用下，另一臺發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)隨之升高。當(dāng)旋翼轉(zhuǎn)速達(dá)到(107±2)%時，由于兩臺發(fā)動機(jī)分流活門不能按規(guī)定打開，良好發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)繼續(xù)升高，旋翼轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，直至超過允許值時兩臺發(fā)動機(jī)電子調(diào)節(jié)器的自由渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)裝置工作，打開回油路，致使雙發(fā)超轉(zhuǎn)保護(hù)停車。

2.5 發(fā)動機(jī)在特定檢查中發(fā)現(xiàn)的異常情況

1)拆卸右發(fā)動機(jī)自由渦輪轉(zhuǎn)速傳感器水平軟軸檢查，發(fā)現(xiàn)水平軟軸后端靠近接頭處斷裂(見圖1)。

2)分解右發(fā)動機(jī)燃油調(diào)節(jié)器時，發(fā)現(xiàn)中心油濾表面有金屬末存在，在自由渦輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器部件及相關(guān)腔體內(nèi)發(fā)現(xiàn)有三件Ф2.5mm斷裂的桿狀金屬物(見圖2)，長度分別為8mm、6mm和4mm，表面有啃傷。同時發(fā)現(xiàn)，自由渦輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和自由渦輪操縱油壓傳感器的齒輪面存在壓傷，該處油腔內(nèi)壁非工作面存在輕微的擦傷。

圖1 水平軟軸斷裂

圖2 桿狀金屬物

3)將左發(fā)動機(jī)燃油調(diào)節(jié)器安裝在車臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)功率協(xié)調(diào)器應(yīng)急斷開分流活門在規(guī)定的轉(zhuǎn)速未投入工作，即正常在4510r/min(相當(dāng)于旋翼轉(zhuǎn)速106%)時應(yīng)投入工作，而此燃油調(diào)節(jié)器應(yīng)急斷開分流活門在轉(zhuǎn)速上升至4648r/min(相當(dāng)于旋翼轉(zhuǎn)速109.5%)時仍未投入工作。

3 結(jié)論

右發(fā)動機(jī)的自由渦輪轉(zhuǎn)速傳感器水平軟軸過載瞬時斷裂，導(dǎo)致自由渦輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的放油活門關(guān)閉，供油量急劇增大，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速上升，輸出功率也急劇增加。同時，左發(fā)因右發(fā)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速上升，P2壓力增大，左發(fā)動機(jī)在功率協(xié)調(diào)器的作用下增大其供油量，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速上升，輸出功率也相應(yīng)增大。因雙發(fā)輸出功率同時增大，旋翼轉(zhuǎn)速急劇上升，當(dāng)旋翼轉(zhuǎn)速達(dá)到(107±2)%，自渦轉(zhuǎn)速為(112.2±2)%時，功率協(xié)調(diào)器應(yīng)急斷開分流活門應(yīng)按設(shè)計要求投入工作，發(fā)動機(jī)功率下降。但此時，右發(fā)動機(jī)自由渦輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由于水平軟軸斷裂而未工作，作用在應(yīng)急斷開分流活門隨動活塞下端面上的自由渦輪轉(zhuǎn)速操縱油壓(P∏CT)為0，應(yīng)急斷開分流活門不能投入工作;而左發(fā)功率協(xié)調(diào)器應(yīng)急斷開分流活門也未按要求投入工作，致使雙發(fā)分流活門不能按要求進(jìn)行放油，雙發(fā)輸出功率未能下降，旋翼轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升，當(dāng)旋翼轉(zhuǎn)速達(dá)到(112.6±2)%(表中最大為110%)，自渦轉(zhuǎn)速為(118±2)%時，雙發(fā)超轉(zhuǎn)保護(hù)停車。

4 注意事項(xiàng)

通過對此起米-171直升機(jī)雙發(fā)超轉(zhuǎn)保護(hù)停車故障原因的分析，為預(yù)防此類事故的再次發(fā)生，在此淺談幾點(diǎn)啟示:

1)發(fā)動機(jī)在檢修或大修過程中，要對發(fā)動機(jī)功率協(xié)調(diào)器應(yīng)急斷開分流活門工作性能數(shù)據(jù)進(jìn)行測試調(diào)整，防止其在規(guī)定工作范圍內(nèi)不能參與工作。

2)飛行中，特別是在放槳距，尤其是槳距在6°以下時要特別觀察旋翼轉(zhuǎn)速?？罩邪l(fā)現(xiàn)旋翼轉(zhuǎn)速猛增等故障，應(yīng)立即果斷地向左轉(zhuǎn)動油門環(huán)，同時也可適當(dāng)上提槳距-油門桿來制止旋翼轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，這時切忌下放槳距-油門桿。隨后用發(fā)動機(jī)單獨(dú)操縱手柄降低和調(diào)整發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，使旋翼轉(zhuǎn)速恢復(fù)到(95±2)%的范圍內(nèi)，同時，通過操縱油門環(huán)和單操手柄盡量保持雙發(fā)轉(zhuǎn)速差不超過2%。在保持參數(shù)符合這一要求并不會突增的前提下，將油門環(huán)擰回最右。飛行中提放槳距-油門桿的動作要柔和并與油門環(huán)和單操手柄配合使用，嚴(yán)密關(guān)注發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)和旋翼轉(zhuǎn)速的變化，防止旋翼轉(zhuǎn)速上下波動超過允許值。

3)發(fā)動機(jī)功率協(xié)調(diào)器應(yīng)急斷開分流活門工作以后，不管旋翼轉(zhuǎn)速是否恢復(fù)到給定值，燃油調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)油針前面的高壓燃油將分流活門一直保持在最上位置，此時發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)降低到慢車狀態(tài)，而不是停車［2］。要想使此分流活門恢復(fù)到工作前位置，必須關(guān)閉發(fā)動機(jī)，高壓燃油消失，分流活門在彈簧的作用下移到最下位置，關(guān)閉高壓和低壓燃油通道，分流活門才能恢復(fù)到工作前位置。

［1］TB3-117渦輪軸發(fā)動機(jī)維護(hù)手冊［Z］.2007.

［2］TB3-117渦輪軸發(fā)動機(jī)技術(shù)使用維護(hù)手冊［Z］.1996.