多級(jí)軸流式壓氣機(jī)防喘系統(tǒng)模擬排故方案設(shè)計(jì)

楊天賀

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院,南京 211156）

多級(jí)軸流式壓氣機(jī)防喘系統(tǒng)模擬排故方案設(shè)計(jì)

楊天賀

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院,南京 211156）

喘振是由壓氣機(jī)內(nèi)的空氣流量和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)過多而引發(fā)的一種發(fā)動(dòng)機(jī)工作不正常的一種狀態(tài)。喘振是發(fā)動(dòng)機(jī)的致命故障，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車甚至發(fā)動(dòng)機(jī)致命損壞。本文以V2500航空發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其多種防喘系統(tǒng)中的一種措施——可調(diào)靜子葉片（VSV）防喘系統(tǒng)進(jìn)行了研究，歸納和整理出了VSV系統(tǒng)常發(fā)生的故障現(xiàn)象以及發(fā)生故障的零部件等，通過參考維修手冊(cè)和工卡，設(shè)計(jì)出VSV系統(tǒng)排故方案。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；喘振；VSV；模擬排故

1 多級(jí)軸流式壓氣機(jī)喘振簡介

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的核心，而發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振問題一直制約著渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于發(fā)動(dòng)機(jī)故障中最具破壞力的故障，對(duì)民用客機(jī)安全以及整個(gè)航空事業(yè)的發(fā)展造成巨大威脅。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振具體是指壓氣機(jī)的喘振。

壓氣機(jī)是用來提高進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的空氣壓力，給發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)提供所需的壓縮空氣，同時(shí)可為座艙增壓、渦輪散熱和其他發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)提供壓縮空氣。

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，一般采用三種基本類型的壓氣機(jī)：軸流式、離心式和混合式。壓氣機(jī)喘振是指非正常工況下氣流沿壓氣機(jī)軸線方向發(fā)生的低頻率（通常有幾赫或十幾赫）、高振幅（強(qiáng)烈的壓強(qiáng)和流量波動(dòng)）的氣流振蕩現(xiàn)象。喘振時(shí)的現(xiàn)象是：發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音由尖哨轉(zhuǎn)變?yōu)榈统粒话l(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)變強(qiáng)；壓氣機(jī)出口總壓和流量大幅度波動(dòng)；轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，推力驟然下降并且伴有較強(qiáng)的波動(dòng)；引擎排出氣體溫度上升，導(dǎo)致超過溫度界限；超出界限程度較大時(shí)會(huì)發(fā)生放炮，氣流出現(xiàn)流動(dòng)不暢而造成發(fā)動(dòng)機(jī)停車。所以，針對(duì)喘振現(xiàn)象必須立刻執(zhí)行修復(fù)程序，使壓氣機(jī)脫離喘振狀態(tài)。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)幾種常規(guī)防喘措施介紹

壓氣機(jī)喘振會(huì)使壓氣機(jī)葉片斷裂，引起發(fā)動(dòng)機(jī)熄火停車，嚴(yán)重威脅發(fā)動(dòng)機(jī)的安全工作。因此在使用中應(yīng)避免喘振現(xiàn)象的發(fā)生。主要的防喘措施有以下三種。

1.1 從多級(jí)軸流壓氣機(jī)的某一級(jí)或數(shù)個(gè)中間截面放氣

當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速低于一定數(shù)值時(shí)將放氣門打開，其目的是為了增加前幾級(jí)壓氣機(jī)的空氣流量，避免前幾級(jí)因攻角過大而產(chǎn)生氣流分離。中間級(jí)放氣也避免了后幾級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)口流速過大、攻角過小，甚至為負(fù)值，使增壓比和效率降低的現(xiàn)象，放氣孔的位置和排出空氣的數(shù)量需要根據(jù)具體情況經(jīng)過試驗(yàn)進(jìn)行選擇。

與其他防喘方法比較，這種方法在結(jié)構(gòu)上比較簡單，但是部分被壓縮的氣體排放到大氣中去，浪費(fèi)了壓縮這部分氣體的機(jī)械工，所以缺乏經(jīng)濟(jì)性。

1.2 采用一級(jí)或數(shù)級(jí)導(dǎo)流葉片

用這種方法防喘時(shí)，進(jìn)口導(dǎo)流葉片通常裝在第一級(jí)壓氣機(jī)前面。因?yàn)榍皫准?jí)和末幾級(jí)的攻角偏離程度在壓氣機(jī)低轉(zhuǎn)速工作時(shí)最大，首先產(chǎn)生了氣流分離，因此可調(diào)導(dǎo)流葉片通常安裝在多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的前幾級(jí)和末幾級(jí)。

1.3 采用雙軸或三軸結(jié)構(gòu)

將壓氣機(jī)分成兩個(gè)或三個(gè)轉(zhuǎn)子，分別由各自的渦輪來帶動(dòng)，于是一臺(tái)高增壓比的壓氣機(jī)就成為兩個(gè)或三個(gè)低增壓比的壓氣機(jī)了。如果在設(shè)計(jì)工作狀態(tài)下，雙軸壓氣機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是相同的，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低后，壓氣機(jī)的前幾級(jí)攻角增大，而后幾級(jí)的攻角減小，因而帶動(dòng)低壓壓氣機(jī)需要較大的功率，而帶動(dòng)高壓壓氣機(jī)需要較小的功率。形象的說，轉(zhuǎn)動(dòng)低壓壓氣機(jī)比較“重”，轉(zhuǎn)動(dòng)高壓壓氣機(jī)比較“輕”。這兩個(gè)壓氣機(jī)是由各自的渦輪帶動(dòng)的，于是低壓壓氣機(jī)就自動(dòng)的處于較低的轉(zhuǎn)速下工作，而高壓壓氣機(jī)則處于較高的轉(zhuǎn)速下工作。這種轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)整使前幾級(jí)和末幾級(jí)的攻角變化較小，從而避免了喘振的發(fā)生。

3 多級(jí)軸流式壓氣機(jī)防喘系統(tǒng)模擬排故演示面板設(shè)計(jì)

下面基于V2500發(fā)動(dòng)機(jī)為例，進(jìn)行模擬排故方案的設(shè)計(jì)。V2500發(fā)動(dòng)機(jī)是先進(jìn)的軸流式、雙轉(zhuǎn)子、高涵道比渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)。V2500發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)靜子葉片（VSV）通過調(diào)整高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)流葉片和三級(jí)靜子葉片的角度，保證低壓壓氣機(jī)的氣體流量和高壓壓氣機(jī)的氣體流量匹配，這樣能在較寬的工作范圍內(nèi)使引擎保持正常的壓氣機(jī)特性，避免發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生喘振。在防止發(fā)動(dòng)機(jī)喘振現(xiàn)象發(fā)生的同時(shí)，壓氣機(jī)的總效率也能獲得提升，并且引擎的燃油效率和經(jīng)濟(jì)性得到了提高，因?yàn)榭烧{(diào)靜子葉片的調(diào)節(jié)降低了氣體在壓氣機(jī)中的流動(dòng)損失，可調(diào)靜子葉片是在當(dāng)今民航客機(jī)上廣泛采用的高壓壓氣機(jī)防喘裝置，V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)則采用了進(jìn)口導(dǎo)流葉片和前三級(jí)的靜子葉片可調(diào)的形式。

3.1 可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)故障分析

可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)的故障主要分為機(jī)械故障和電氣故障。VSV系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)包括作動(dòng)筒、靜子葉片等，靜子葉片的準(zhǔn)確無誤的偏轉(zhuǎn)需要精密的配合與傳動(dòng)來保證，從而保證整個(gè)可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)的正常工作。

機(jī)械結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的故障有：VSV作動(dòng)筒漏油；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦過大；操縱搖臂疲勞斷裂。

電氣故障有：作動(dòng)筒位置反饋出錯(cuò)（LVDT故障、LVDT反饋回路線路故障）；連接電氣插頭老化、松動(dòng)；力矩馬達(dá)繞組故障；N2傳感器繞組故障；CIT傳感器故障；EEC故障。

電氣系統(tǒng)故障多由線路老化，電氣連接頭松動(dòng)和傳感器出現(xiàn)故障造成。VSV系統(tǒng)電氣故障同樣會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)控制的障礙。

3.2 可調(diào)靜子葉片的模擬排故方案的擬定

可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)會(huì)因?yàn)楦鞣N原因?qū)е鹿收?。其中可能有VSV作動(dòng)筒內(nèi)活塞密封圈老化或受到腐蝕，不能起到完全密封的作用，從而作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)力降低并達(dá)不到驅(qū)動(dòng)效果，使可調(diào)鏡子葉片驅(qū)動(dòng)不良；若可調(diào)靜子葉片機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由于滑油不足，導(dǎo)致傳動(dòng)阻力增大甚至卡死，造成VSV的傳動(dòng)不良，系統(tǒng)也不能正常運(yùn)作。電氣連接插頭可能由于震動(dòng)原因造成脫落，電氣導(dǎo)線也有可能由于被外物割傷、摩擦、腐蝕等造成絕緣體層破壞，引起斷路或短路。

電路的電氣連接傳輸出現(xiàn)問題，造成EEC檢測和傳輸限號(hào)出錯(cuò)，EEC不能完成對(duì)可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)的正?？刂疲蝗绻勺儾顒?dòng)反饋組件內(nèi)的線圈老化或損壞，會(huì)造成作動(dòng)筒反饋信號(hào)異常，也導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。若高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總溫傳感器出現(xiàn)故障不能獲取準(zhǔn)確的參數(shù)，則造成發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器檢測到傳感器異常。

排故流程

圖為排故流程：可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，故障大多因?yàn)椴煌考g的故障相互影響、誘導(dǎo)而成。當(dāng)可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，第一步進(jìn)行故障診斷。發(fā)動(dòng)機(jī)的可調(diào)鏡子葉片控制系統(tǒng)、主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)、風(fēng)冷式滑油冷卻器活門控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)低壓級(jí)放氣系統(tǒng)都是由來自燃油計(jì)量組件的高壓燃油驅(qū)動(dòng)的，如果發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上的系統(tǒng)一同失效，則可以判斷出故障來自燃油計(jì)量組件或者燃油增壓泵。如果僅僅是可調(diào)靜子葉片控制系統(tǒng)發(fā)生故障，則檢查最近一次的飛行報(bào)告，將相關(guān)警告失效信息從ECAM中調(diào)出來。若警告ENGINE2 COMPRESSOR VANE的兩條信 息 是CHA VSV ACT/HC/EEC2和CHB VSV ACT/HC/EEC2， 同時(shí)滿足以下條件：引擎的新件使用循環(huán)數(shù)（CSN）大于2000，在起飛和爬升過程中ECAM的警告時(shí)間大于一分鐘，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了喘振現(xiàn)象、突破溫度界限或參數(shù)變化異常，出現(xiàn)了兩臺(tái)引擎持續(xù)的參數(shù)差異，那么故障是由于可調(diào)靜子葉片作動(dòng)筒失效，需要及時(shí)修復(fù)或更新VSV作動(dòng)筒。

4 總結(jié)與展望

本文以V2500航空發(fā)動(dòng)機(jī)為研究背景，根據(jù)其壓氣機(jī)防喘系統(tǒng)中的一種——可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，了解其中的結(jié)構(gòu)部件、常見故障，給出相應(yīng)的模擬排故的方案。日后可以根據(jù)模擬排故方案制作模擬排故的面板，更加直觀的觀測可能出現(xiàn)的故障和排故流程。

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楊天賀(1985—)，女，江蘇南京人，碩士，助教，主要從事：飛機(jī)系統(tǒng)故障診斷與維修方面的教學(xué)。