航空發(fā)動機噴口收放轉(zhuǎn)速和α2角度同時突變故障分析

張秀云，崔利豐，馬端杰

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015；2.解放軍93069部隊，遼寧普蘭店116200）

航空發(fā)動機噴口收放轉(zhuǎn)速和α2角度同時突變故障分析

張秀云1，崔利豐1，馬端杰2

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015；2.解放軍93069部隊，遼寧普蘭店116200）

為了排除航空發(fā)動機使用中噴口收放轉(zhuǎn)速和α2同時突變故障，深入分析了發(fā)動機相關(guān)燃油系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理?，F(xiàn)場試車測量了發(fā)動機相應(yīng)燃油管路壓力，并進行了臺架試車驗證。結(jié)合故障發(fā)動機滑油光譜分析，將故障原因定位為燃油增壓泵花鍵軸異常磨損，導(dǎo)致發(fā)動機附件傳動系統(tǒng)不能正常帶動燃油增壓泵旋轉(zhuǎn)，發(fā)動機低壓燃油系統(tǒng)處于增壓泵不增壓的異常工作狀態(tài)，降低了該泵進口端燃油壓力，低壓燃油系統(tǒng)基準異常，造成燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)異常。

燃油控制系統(tǒng)；燃油增壓泵；噴口收放轉(zhuǎn)速；α2角度；換算轉(zhuǎn)速指令油壓；滑油光譜分析；航空發(fā)動機

0 引言

通過燃油控制系統(tǒng)對供油量、高壓壓氣機可調(diào)靜子葉片角度α2和噴口幾何通道的調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)發(fā)動機穩(wěn)態(tài)、過渡態(tài)快速穩(wěn)定可靠的響應(yīng)。在發(fā)動機使用過程中會定時進行滑油光譜分析，監(jiān)測發(fā)動機磨損情況。某發(fā)動機在使用中曾發(fā)生多起噴口收放轉(zhuǎn)速和α2同時突變故障，嚴重影響發(fā)動機正常使用和外場維護。

本文對該發(fā)動機低壓燃油系統(tǒng)、主燃油控制系統(tǒng)和幾何通道控制系統(tǒng)進行研究，將燃油系統(tǒng)與滑油光譜分析相結(jié)合，準確定位噴口收放轉(zhuǎn)速和α2突變故障的根源。

1 故障現(xiàn)象

某型發(fā)動機發(fā)生多起節(jié)流狀態(tài)收放噴口轉(zhuǎn)速突升，且同一瞬間高壓壓氣機可調(diào)靜子葉片角度α2突開故障，隨后在地面開車過程中噴口收放轉(zhuǎn)速及α2控制規(guī)律一直處于故障狀態(tài)。

如某發(fā)動機在1次飛行中，高度H=1200 m，表速Vc=400 km/h，高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速n2r=90%，此時噴口D8由最小機械噴口放開，同一瞬間α2角度由正常值突開至某一較大角度。故障后的飛參顯示：發(fā)動機高/低壓轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差減小，α2角度一直偏開，收噴口轉(zhuǎn)速升高10%左右，其余參數(shù)正常。如圖1、2所示。

圖1 故障發(fā)生瞬間飛參曲線

圖2 故障前后α2調(diào)節(jié)規(guī)律對比

2 相關(guān)燃油調(diào)節(jié)原理

2.1 低壓燃油系統(tǒng)

燃油進入燃油增壓泵增壓后進入總?cè)加蜑V，過濾后進入加力泵、主泵調(diào)節(jié)器和噴口油源泵。燃油增壓泵增壓值為0.6～0.76 MPa。燃油增壓泵泵蓋上有3個回油管接頭，分別為發(fā)動機進口溫度感受附件、起動裝置的回油管接頭；主泵調(diào)節(jié)器、加力燃油分布器的回油管接頭；加力泵、應(yīng)急放油附件、噴口油源泵控制附件、噴調(diào)的回油管接頭。

2.2 高壓壓氣機α2調(diào)節(jié)原理

分析發(fā)動機的調(diào)節(jié)規(guī)律可知，α2的調(diào)節(jié)只與發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子的換算轉(zhuǎn)速n2r有關(guān)，而n2r與物理轉(zhuǎn)速n2與進口溫度t1有關(guān)。通過安裝在發(fā)動機進口的2個溫度傳感器來測量發(fā)動機進口溫度，以壓力信號形式輸入給主泵調(diào)節(jié)器。主泵調(diào)節(jié)器綜合t1和n2轉(zhuǎn)速信號到3維凸輪上，形成n2r信號，通過n2r換算轉(zhuǎn)速形成器桿輸出位移控制高壓控制活門，進而控制α2，如圖3所示。

圖3 α2控制結(jié)構(gòu)原理

當(dāng)n2r增大時，換算轉(zhuǎn)速指令壓力桿向右移動，分油活門向左移動，葉片朝增加高壓壓氣機空氣流量的方向轉(zhuǎn)動。通過機械反饋，葉片的轉(zhuǎn)動傳遞到高壓反饋凸輪。通過杠桿將分油活門定位在新的平衡位置上。反之亦反。

2.3 節(jié)流狀態(tài)收放噴口調(diào)節(jié)原理

在發(fā)動機工作時，來自主泵調(diào)節(jié)器的壓力信號Pn2r作用在噴調(diào)的節(jié)流狀態(tài)噴口控制活門分油柱塞一邊，隨著n2r的增大，Pn2r增大，當(dāng)n2r≥79%時，分油柱塞向另一邊移動到打開定壓油通往關(guān)斷活門活塞的油路，分油活門將噴口油源泵的高壓油分往噴口作動筒有桿腔（關(guān)小噴口腔），按照給定的n2r指令壓力關(guān)閉（或打開）噴口調(diào)節(jié)片。調(diào)整節(jié)流嘴及C35調(diào)整釘可改變收放噴口轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)差。

3 相關(guān)燃調(diào)附件

根據(jù)以上調(diào)節(jié)原理，重點對主燃油泵調(diào)節(jié)器、噴口加力調(diào)節(jié)器和進口溫度傳感器等的調(diào)節(jié)功能異常進行深入分析。將一部分附件返生產(chǎn)廠檢查錄取性能，對另一部分附件進行現(xiàn)場開車調(diào)試、加測參數(shù)，采取如下措施：

（1）通過地面開車測試進口溫度傳感器的指令壓力PT1和穩(wěn)定放油壓力PT2，測試結(jié)果多數(shù)正常，也有因測試儀表等原因造成的誤判和誤換溫包；

（2）開車測試主泵換算轉(zhuǎn)速指令油壓Pn2r。在慢車時故障發(fā)動機測試結(jié)果比正常值低0.4 MPa左右。

主泵返生產(chǎn)廠檢查錄取性能，其性能參數(shù)未見異常。解決方案為：主泵生產(chǎn)廠通過調(diào)整活門的頂針將指令油壓Pn2r調(diào)至合格；

（3）調(diào)整噴調(diào)C35螺釘，改變收放噴口轉(zhuǎn)速。由于該轉(zhuǎn)速向上突跳太大，有時超出C35調(diào)整范圍。解決方案為：噴調(diào)生產(chǎn)廠更換C35組合件，將收放噴口轉(zhuǎn)速調(diào)到合格范圍；

（4）檢查發(fā)動機α2執(zhí)行機構(gòu)和噴口收放執(zhí)行機構(gòu)等。

在對這些附件性能的復(fù)查中發(fā)現(xiàn)，噴口收放轉(zhuǎn)速突變和α2突變同時發(fā)生，未能給出合理解釋。解決方案為：將2個故障分開分析，分別調(diào)整主泵和噴調(diào)，使發(fā)動機對α2和噴口的調(diào)節(jié)恢復(fù)正常。外場配合開展大量調(diào)整和維護工作，但未能從根本上解決問題。

4 滑油光譜和燃調(diào)系統(tǒng)綜合分析

故障發(fā)動機主泵Pn2r指令壓力比正常值低0.4 MPa，偏離正常值較多，主泵的Pn2r指令錯誤，返廠后在試驗器上未發(fā)現(xiàn)異常。發(fā)生該故障的發(fā)動機均如此。

針對多起故障分析，這一相互矛盾的故障現(xiàn)象未能給出解釋：根據(jù)發(fā)動機噴口收放原理，Pn2r指令壓力降低，噴口收放轉(zhuǎn)速升高，這與故障情況相符；但根據(jù)α2調(diào)節(jié)原理，Pn2r指令壓力降低，應(yīng)導(dǎo)致α2偏關(guān)，而故障現(xiàn)象表現(xiàn)為α2大幅度偏開，這與故障不符。

對幾臺故障發(fā)動機使用信息進行匯總分析，注意到在故障發(fā)生前，滑油光譜Fe元素幾乎都有異常增加。如：1臺發(fā)動機Fe元素由0.8增加到5.0，按外場使用標準更換2次滑油后，指標恢復(fù)正常值范圍，但在隨后使用中發(fā)生故障；另1臺發(fā)動機在某次飛行后Fe元素由3.2增加到8.5，也在當(dāng)日發(fā)生故障。

滑油光譜Fe元素超標，說明系統(tǒng)中有異常磨損，應(yīng)是由轉(zhuǎn)動件引發(fā)的。

此時，燃油系統(tǒng)轉(zhuǎn)動件——燃油增壓泵首先被懷疑。該泵在使用中發(fā)生多次安裝于發(fā)動機附件機匣的花鍵軸磨損和泵本身軸承磨損；若該泵花鍵軸發(fā)生異常磨損，甚至嚴重致脫開于發(fā)動機附件傳動系統(tǒng)，則發(fā)動機低壓燃油系統(tǒng)處于增壓泵不增壓的異常工作狀態(tài)。由于該泵不增壓，勢必拉低該泵進口端燃油壓力。發(fā)動機燃油系統(tǒng)的低壓回油匯成3條油路連到燃油增壓泵泵殼前段的3個接頭，導(dǎo)致整個低壓燃油系統(tǒng)壓力降低。系統(tǒng)低壓油壓值基準異常，導(dǎo)致燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)異常。

5 故障發(fā)動機測試檢查

在故障發(fā)動機的燃油增壓泵出口加裝1塊2.5 MPa量程壓力表，地面開車時測得燃油增壓泵后壓力為0.1 MPa（慢車），處于不增壓狀態(tài)，噴調(diào)回油壓力為0.11 MPa，低于正常值（其他回油壓力和定壓油無法測量）；而用同一壓力表測得性能正常發(fā)動機增壓泵后壓力為0.70 MPa，噴調(diào)回油壓力為0.22 MPa。測試結(jié)果驗證了故障發(fā)動機燃油增壓泵不增壓的分析判斷。

將該故障發(fā)動機從飛機上拆下，手動轉(zhuǎn)動燃油增壓泵誘導(dǎo)輪，可以旋轉(zhuǎn)，但發(fā)動機附件上其他泵不隨其轉(zhuǎn)動，表明增壓泵已經(jīng)從傳動系統(tǒng)脫開，不隨傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動。將增壓泵從發(fā)動機附件拆下，發(fā)現(xiàn)增壓泵花鍵軸和附件機匣套齒磨損嚴重，齒槽幾乎磨平，如圖4所示。

圖4 異常磨損的花鍵軸

更換該臺發(fā)動機的燃油增壓泵和附件之后，地面開車，慢車時測得增壓泵后壓力和主泵換算轉(zhuǎn)速指令油壓Pn2r數(shù)據(jù)正常。發(fā)動機全程開車檢查，噴口收放轉(zhuǎn)速和α2角度恢復(fù)到故障前正常調(diào)節(jié)狀態(tài)。

6 發(fā)動機臺架模擬試驗

在1臺發(fā)動機上進行了燃油增壓泵花鍵軸磨禿故障模擬試車，對整個控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進行了監(jiān)測。在發(fā)動機試車過程中燃油增壓泵不轉(zhuǎn)，出現(xiàn)以下情況：噴口收放轉(zhuǎn)速升高約10%；α2偏開，且隨高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高而變大，發(fā)動機從慢車到中間狀態(tài)，α2偏開約由2個刻度變化到10個刻度。多次試車驗證表明，該現(xiàn)象具有重復(fù)性，對比判讀其他發(fā)動機監(jiān)測參數(shù)，確定發(fā)動機其他附件工作正常。

噴口收放轉(zhuǎn)速和α2的異常變化的原因為：增壓泵不增壓后，整個控制系統(tǒng)低壓回油壓力降低，主燃油系統(tǒng)定壓油壓力也隨之降低。發(fā)動機進口溫度傳感器輸出壓力經(jīng)主泵溫度放大器修正后降低，相當(dāng)于大氣溫度降低，換算轉(zhuǎn)速指令壓力升高，攜帶該指令的n2r換算轉(zhuǎn)速形成器桿向右移動量增加（如圖3所示），相當(dāng)于n2r換算轉(zhuǎn)速升高，所以α2偏開。另一方面，指令壓力Pn2r是定壓油壓的分壓隨之降低，使得噴口收放轉(zhuǎn)速升高

控制系統(tǒng)其他參數(shù)未見異常，發(fā)動機主燃油供油正常，主泵泵后壓力基本無變化。本次試車相關(guān)數(shù)據(jù)與某發(fā)動機燃油增壓泵正常工作數(shù)據(jù)對比如圖5～7所示。

圖5 主泵低壓回油壓力對比

圖6 主泵轉(zhuǎn)速指令壓力對比

圖7 主泵泵后壓力對比

7 小結(jié)

某型航空發(fā)動機噴口收放轉(zhuǎn)速和α2同時突變故障，定位于燃油增壓泵工作異常，增壓泵花鍵軸嚴重磨損，發(fā)動機附件傳動系統(tǒng)不能正常帶動燃油增壓泵旋轉(zhuǎn)，發(fā)動機低壓燃油系統(tǒng)處于異常工作狀態(tài)。由于該泵不增壓，降低該泵進口端燃油壓力，使得整個低壓燃油系統(tǒng)壓力降低。低壓系統(tǒng)油壓值基準異常，造成燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)異常，最終導(dǎo)致同一飛行瞬間發(fā)生收放噴口轉(zhuǎn)速異常和α2突開的故障。

更換發(fā)動機增壓泵后開車檢查，噴口收放轉(zhuǎn)速和α2恢復(fù)到故障前正常調(diào)節(jié)狀態(tài)。

8 結(jié)束語

對故障危害度分析認為：燃油增壓泵不增壓故障發(fā)生后短時工作不會危及發(fā)動機安全，但長期工作會對主泵、加力泵、噴口油源泵造成氣蝕，是危害發(fā)動機安全性的隱患。

目前，設(shè)計單位已著手對燃油增壓泵進行后續(xù)改進，重點采用雙軸結(jié)構(gòu)、增加潤滑滑油流量等措施。

在發(fā)動機的外場使用維護方面，在新結(jié)構(gòu)燃油增壓泵交付使用前，可以采取以下2項措施監(jiān)控燃油增壓泵花鍵軸的磨損情況：進行滑油光譜分析，密切注意鐵元素變化；必要時加測燃油增壓泵泵后壓力，其值不得低于0.4 MPa。

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Failure Analysis on Abrupt Changing of Engine Speed at Min/Max Nozzle Status and α2Angle of an Aeroengine

ZHANG Xiu-yun1,CUI Li-feng1,MA Duan-jie2
（1.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China;2.PLA 93069,Liaoning Pulandian 116200,China）

To eliminating the fault of simultaneously abrupt changing for the engine speed at min/max nozzle status and α2angle,the regulating principle for aeroengine fuel system was analyzed.The fuel line pressure of the engine was measured in a test,and the measure results were validated in rig testing.Based on the lubricating oil spectral analysis for the fault engine,found the cause of the failure was the abnormal wear of spline shaft of fuel booster pump,driving system for engine accessories could not derive the fuel booster pump correctly. The fuel booster pump could not increase the inlet pressure,and the low pressure fuel system of engine was in abnormal status,which led to abnormal adjustment trouble for the fuel adjustment system.

aeroengine;fuel control system;fuel booster pump;engine speed on min/max nozzle;α2angle;fuel pressure of corrected speed;spectral analysis for lubrication oil;aeroengine

V 233.7

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.05.005

2014-06-19

張秀云（1962），女，自然科學(xué)研究員，主要從事航空發(fā)動機自動控制及飛行技術(shù)研究工作；E-mail:zxy19620914@163.com。

張秀云，崔利豐，馬端杰.航空發(fā)動機噴口收放轉(zhuǎn)速和α2角度同時突變原因研究[J].航空發(fā)動機，2014，40（5）：23-27.ZHANGXiuyun，CUI Lifeng，MADuanjie.Failure analysis on abrupt change ofboth engine speed at min/maxnozzle status and α2angle ofan aeroengine[J].Aeroengine，2014，40（5）：23-27.