發(fā)動機放氣活門關(guān)閉引起座艙抖動和異響故障的檢查與分析

馬進恩 陳培偉 張志峰

【摘 要】為查明某發(fā)動機在3級放氣活門關(guān)閉后造成飛機座艙內(nèi)抖動和異響的故障原因，采用DEWE-1201型振動分析儀等設(shè)備對座艙和發(fā)動機進行測試，確定了引起座艙內(nèi)抖動和異響的振動頻率。通過逐步對壓氣機放氣活門和可調(diào)導(dǎo)葉進行一系列調(diào)整、測試，并分析每項工作對異常振動的影響，查明了產(chǎn)生激振力的原因，為排除、預(yù)防此類故障提供了解決途徑。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動機 座艙 抖動和異響 放氣活門

某型渦扇發(fā)動機（以下簡稱發(fā)動機）采用雙轉(zhuǎn)子、內(nèi)外涵道混合排氣結(jié)構(gòu)，有3級風(fēng)扇、9級高壓壓氣機、1級高壓渦輪和2級低壓渦輪。為了防止喘振，高壓壓氣機的第1級進氣導(dǎo)葉為可調(diào)結(jié)構(gòu)，第3級和第5級設(shè)有放氣活門。

1 故障介紹

XXX號發(fā)動機在試車過程中，當3級放氣活門關(guān)閉后，高壓轉(zhuǎn)速在90%～95%范圍時，操作者感覺到座艙內(nèi)有抖動和異響，但儀表顯示發(fā)動機性能參數(shù)和振動值均穩(wěn)定正常。對發(fā)動機進行調(diào)整安裝和串換飛機檢查，座艙內(nèi)抖動和異響的現(xiàn)象始終存在。

類似故障在此前曾有發(fā)生，但對故障發(fā)動機進行臺架試車時未測到異常的振動信號，分解檢查也未發(fā)現(xiàn)任何零件存在可能引發(fā)異常振動的問題。

為查明XXX號發(fā)動機在90%～95%高壓轉(zhuǎn)速引起飛機座艙抖動和異響的故障原因，決定對發(fā)動機和飛機進行測振檢查。

2 外場測試

2.1目的

測試的目的是查明造成座艙抖動和異響的振動頻率和變化規(guī)律，為故障分析其提供條件。根據(jù)操作者反映的現(xiàn)象，應(yīng)重點關(guān)注發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)速在90%～95%范圍時座艙內(nèi)突然出現(xiàn)的低頻振動信號。

2.2測試方案

2.2.1測試設(shè)備

DEWE-1201型振動分析儀、BK-4508B型振動加速度傳感器、ENDEVCO-2510型噪聲傳感器。

2.2.2傳感器布置方案

在發(fā)動機的風(fēng)扇機匣、分流機匣、壓氣機匣和渦輪機匣上安裝振動加速度傳感器；

在飛機座艙內(nèi)安裝振動加速度傳感器和噪聲傳感器。

2.2.3試車方案

（1）振動掃描：緩慢的將高壓轉(zhuǎn)速從56%（慢車狀態(tài)）升高至106%（起飛狀態(tài)），然后緩慢收回至56%；

（2）階梯檢查：將高壓轉(zhuǎn)速置于88%，然后以1%為臺階，逐漸升高至97%，每個臺階停留1分鐘左右，然后以相同方式收回至88%。

2.3測試過程及分析

2.3.1初始狀態(tài)測試

座艙內(nèi)布置的振動傳感器和噪聲傳感器采集的信號顯示，當推、收油門使高壓轉(zhuǎn)速進入90%～95%區(qū)域時，座艙內(nèi)突然出現(xiàn)了頻率為41HZ的振動信號和噪聲信號，在92%時達到峰值。該信號的出現(xiàn)時機和變化規(guī)律與座艙操作人員體感吻合，其頻率從出現(xiàn)到消失始終為41HZ，不跟隨發(fā)動機高、低壓轉(zhuǎn)速的變化而改變。

安裝在發(fā)動機上的振動傳感器在高壓轉(zhuǎn)速處在90%～95%的區(qū)域時，未采集到與座艙內(nèi)41HZ振動對應(yīng)的頻率信號。

對其他飛機和發(fā)動機采取相同的方法進行對比測試，未發(fā)現(xiàn)類似的異常振動信號。

本次試驗的分析意見：

（1）90%～95%高壓轉(zhuǎn)速下，座艙內(nèi)突然出現(xiàn)的頻率為41HZ的振動（以下簡稱座艙異常振動）是操作人員感受到抖動和異響的來源，應(yīng)作為后續(xù)檢查分析的主要關(guān)注對象。

（2）根據(jù)座艙異常振動頻率始終處在41HZ這一特征來看，該振動不是發(fā)動機內(nèi)部機械運轉(zhuǎn)造成的；

（3）從發(fā)生的時機來看，座艙異常振動可能與三級放氣活門關(guān)閉有關(guān)（規(guī)定為86%～90%，該臺發(fā)動機實測值為88%）。

2.3.2調(diào)整放氣活門關(guān)閉/打開轉(zhuǎn)速后測試

（1）將三級放氣活門關(guān)閉/打開轉(zhuǎn)速調(diào)整至84%試車檢查，座艙異常振動信號無任何變化；

（2）將三級放氣活門關(guān)閉/打開轉(zhuǎn)速調(diào)整至92%試車檢查，座艙異常振動聲信號出現(xiàn)范圍變?yōu)?2%～95%。

本次試驗進一步證明，座艙異常振動與三級放氣活門關(guān)閉有關(guān)。

2.3.3打磨放氣活門密封面后測試

拆卸發(fā)動機外涵機匣后，著色檢查放氣活門與壓氣機集氣室放氣孔密封面的貼合度，發(fā)現(xiàn)位于左上方的三級放氣活門與放氣孔密封面僅有3/4圓周有貼合印跡，且大部分為線狀貼合，其余3個放氣活門貼合印跡周向連續(xù)，大部分為面狀貼合，局部為線狀貼合。（技術(shù)標準要求貼合印跡周向連續(xù)，面積不低于80%）。

對壓氣機匣左上方的三級放氣孔與放氣活門密封面進行研磨，使著色印跡周向連續(xù)（但無法滿足貼合面積要求）。

復(fù)裝發(fā)動機后試車，測試發(fā)現(xiàn)座艙異常振動信號出現(xiàn)的范圍變?yōu)?0%～92%，且強度明顯減弱。該變化與座艙操作人員體感吻合。

本次測試證明，提高三級放氣活門與壓氣機匣放氣孔密封面的貼合程度，可以縮小座艙異常振動區(qū)域、降低振動強度。

2.3.4調(diào)整進氣導(dǎo)葉片角度后測試

將壓氣機進氣導(dǎo)向器從-1°調(diào)整至-8°，目的是改變（略微增大）發(fā)動機涵道比，以改變內(nèi)、外涵氣流。

試車檢查發(fā)現(xiàn)座艙內(nèi)41HZ的振動和噪聲信號出現(xiàn)范圍變?yōu)?8%～89%，且強度進一步減弱。該變化與座艙操作人員體感吻合。

本次測試證明，當改變發(fā)動機內(nèi)、外涵氣流條件時，座艙異常振動會隨之發(fā)生改變。

3機理分析

通過對系列測試工作的結(jié)果進行綜合分析，可以得出結(jié)論：XXX號發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)速在90%～95%區(qū)間時，飛機座艙內(nèi)出現(xiàn)抖動和異響的問題，是壓氣機匣左上方的三級放氣孔密封面與放氣活門貼合不嚴導(dǎo)致內(nèi)涵壓縮空氣泄漏，在高壓轉(zhuǎn)速處在90%～95%的區(qū)域時，內(nèi)涵泄漏的氣流與外涵氣流共同作產(chǎn)生激振力，引起座艙響應(yīng)造成的。

考慮到壓氣機匣的結(jié)構(gòu)（鈑金焊接件）和工作條件（載荷與溫度從前往后遞增，且隨時變化），初步分析放氣活門孔密封面與放氣活門貼合不嚴，是由于機匣在制造殘余應(yīng)力、工作載荷與熱應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生變形造成的。為了避免這種變形對發(fā)動機使用造成影響，現(xiàn)已開展了解決方案的研究工作。

參考文獻：

[1]《XXX發(fā)動機技術(shù)說明書》.中航工業(yè)航空動力機械研究所，2011年版.

作者簡介：馬進恩，男，中國南方航空工業(yè)（集團）有限公司，工程師，專業(yè)主攻：航空發(fā)動機外場故障診斷與分析；陳培偉，男，中國南方航空工業(yè)（集團）有限公司，工程師，專業(yè)主攻：航空發(fā)動機外場測試；張志峰，男，中國南方航空工業(yè)（集團）有限公司，工程師，專業(yè)主攻：航空發(fā)動機技術(shù)狀態(tài)管理。