某型發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度偏關(guān)故障分析與排除

李小彪，張秀云，邱續(xù)茂，馬 征

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

為保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定，獲得良好的性能，通常會(huì)對(duì)低壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉角度進(jìn)行控制[1-2]。通過(guò)采用合適的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉角度，可改變壓氣機(jī)工作狀態(tài)、增大發(fā)動(dòng)機(jī)喘振裕度、提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力。導(dǎo)葉角度控制系統(tǒng)存在不同類型信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還涉及到子系統(tǒng)之間的匹配問(wèn)題，涉及面廣且內(nèi)容復(fù)雜[3-5]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)導(dǎo)葉角度低于標(biāo)準(zhǔn)值即偏關(guān)的情況，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能和飛行安全產(chǎn)生不利影響。目前針對(duì)該故障的公開(kāi)文獻(xiàn)相對(duì)較少[6-8]。

本文針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度偏關(guān)故障，基于低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)通道控制原理，列舉導(dǎo)致導(dǎo)葉角度偏關(guān)的因素，分析定位原因，最后經(jīng)過(guò)排故和外場(chǎng)試車驗(yàn)證，排除了故障。

1 低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度偏關(guān)故障現(xiàn)象

在某次飛行過(guò)程中，在相同油門(mén)桿狀態(tài)下，飛行員感到發(fā)動(dòng)機(jī)推力突然不足，觀察座艙高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速表，轉(zhuǎn)速有所降低。飛行結(jié)束后，判讀飛參發(fā)現(xiàn)，前半程發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)正常，后半程在相同油門(mén)桿狀態(tài)下高低壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速、高低壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速、低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度偏小，見(jiàn)表1。表中：n1、n2分別為低、高壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速；n1r、n2r分別為低、高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速；α1為低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度。

表1 故障數(shù)據(jù)

從表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，除低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度偏關(guān)以外，n1、n2等發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也有所降低，這是由于當(dāng)?shù)蛪簤簹鈾C(jī)導(dǎo)葉角度控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)由電子系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)為液壓機(jī)械備份調(diào)節(jié)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下降，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨之降低。

2 低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)通道控制原理

低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉控制系統(tǒng)的功用[9-11]是：根據(jù)低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的換算轉(zhuǎn)速n1r調(diào)節(jié)低壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉角度α1，保證低壓壓氣機(jī)的喘振裕度和效率。α1調(diào)節(jié)通道結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中轉(zhuǎn)速包括n1和n2，溫度包括發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度T1和排氣溫度T6；S為平衡占空比信號(hào)；α1c、α1g分別低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度的測(cè)定值和給定值。

圖1 α1調(diào)節(jié)通道結(jié)構(gòu)

電子控制部分原理[12-13]如圖1所示。α1通道電子部分將低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為n1r電壓信號(hào)，并送到程序生成器。α1信號(hào)生成器將來(lái)自位移傳感器的信號(hào)換成電壓信號(hào)并送到程序生成器。低壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速n1r的值經(jīng)由程序生成器形成所需要的α1調(diào)節(jié)值信號(hào)。α1給定信號(hào)與α1信號(hào)生成器的α1測(cè)定信號(hào)值進(jìn)行比較，形成失調(diào)信號(hào) Δα1=α1c-α1g，Δα1經(jīng)過(guò)校正電路輸入寬脈沖調(diào)制器。寬脈沖調(diào)制器將Δα1按給定的函數(shù)關(guān)系調(diào)制成S，再經(jīng)功率放大器后，輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁活門(mén)，實(shí)現(xiàn)對(duì)α1的調(diào)節(jié)。最終將α1調(diào)到與n1r相符的角度上，這時(shí) Δα1=0，S=50%。

機(jī)械控制系統(tǒng)的基本工作原理如圖2所示[14]。電子控制部分形成控制電磁活門(mén)運(yùn)動(dòng)的S，機(jī)械系統(tǒng)的電磁活門(mén)根據(jù)S=f（Δα1）控制油路的放油量，控制襯筒活塞右腔的油壓，進(jìn)而控制襯筒的位置（S減小，放油少，襯筒左移）；在液壓機(jī)械控制部分把測(cè)得的數(shù)據(jù)換算為發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速n2r，并按給定的函數(shù)關(guān)系α1=f（n2r），通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為分油活門(mén)的位置（n2r減小，分油活門(mén)向右移動(dòng)；導(dǎo)葉角度減小，通過(guò)反饋裝置使分油活門(mén)左移）。分油活門(mén)與襯筒的相對(duì)位置改變了作動(dòng)筒活塞左、右腔的油壓，從而控制進(jìn)口導(dǎo)葉的角度[15-16]。

圖2 α1機(jī)械控制系統(tǒng)工作原理

低壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉角度由電子系統(tǒng)控制，當(dāng)電子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，轉(zhuǎn)為液壓機(jī)械備份調(diào)節(jié)。

3 低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度偏關(guān)故障原因分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力是因外界氣流對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件表面上的作用力而產(chǎn)生的。根據(jù)動(dòng)量定理，通過(guò)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口和出口氣流動(dòng)量的變化來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)推力[16]

式中：W1c1為發(fā)動(dòng)機(jī)控制體出口截面上氣流的動(dòng)量；W0c0為發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)前方未收擾動(dòng)截面氣流的動(dòng)量；p1為控制體出口截面上的氣流壓力；p0為發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)前方未收擾動(dòng)截面上的氣流壓力；A1發(fā)動(dòng)機(jī)控制體出口截面面積。

低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度控制規(guī)律為

在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作狀態(tài)下，α1與n1r相對(duì)應(yīng)。當(dāng)?shù)蛪簤簹鈾C(jī)導(dǎo)葉角度發(fā)生偏關(guān)故障時(shí)，α1不按照式（2）的規(guī)律控制，轉(zhuǎn)為液壓機(jī)械備份調(diào)節(jié)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨之降低。α1、n1、n2值降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量偏小，式（1）中W1c1、p1A1減小，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)推力減小。

發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速與物理轉(zhuǎn)速間的關(guān)系為

式中：t1為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度。

結(jié)合式（2）、（3）可知，如果發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度傳感器或α1角位移傳感器發(fā)生故障均會(huì)導(dǎo)致低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度偏關(guān)。

基于低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)通道控制原理及圖1可知，傳輸電路或綜合電子調(diào)節(jié)器發(fā)生故障會(huì)影響Δα1=α1c-α1g失調(diào)信號(hào)的形成，從而導(dǎo)致低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度異常。

綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度傳感器、α1角位移傳感器、傳輸電路、綜合電子調(diào)節(jié)器發(fā)生故障是導(dǎo)致低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉偏關(guān)的原因，制定排故程序如圖3所示。

圖3 低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度偏關(guān)故障排故流程

接地面檢查儀對(duì)綜合電子調(diào)節(jié)器自檢，綜合電子調(diào)節(jié)器報(bào)故，報(bào)指定故障代碼，指示α1通道故障。經(jīng)對(duì)綜合電子調(diào)節(jié)器進(jìn)一步分解測(cè)試，發(fā)現(xiàn)α1通道電路板的達(dá)林頓管開(kāi)路，導(dǎo)致電磁閥無(wú)法正常工作，發(fā)出α1通道故障信號(hào)。

檢測(cè)主燃油泵調(diào)節(jié)器電磁閥電阻為17.3 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)（10～20 Ω）。檢查與綜合電子調(diào)節(jié)器相連的進(jìn)口總溫傳感器和α1角位移傳感器電路，電路完好、無(wú)短路現(xiàn)象。

檢查發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度傳感器信號(hào)，插座的第1、2針的電阻為45 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)；插座的第3、7針的電阻為50 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)。證明發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度傳感器沒(méi)有故障。

檢測(cè)α1傳感器組件，各檢驗(yàn)點(diǎn)的電阻符合要求。檢查風(fēng)扇可調(diào)葉片角度傳感器信號(hào)，插座的第44、46針的電阻為 188.9 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)（100～210 Ω）；第 45、46 針的電阻為 5.6 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)（3～7Ω）；第 49、50針的電阻為 125.5 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)（80～150 Ω）。證明α1角位移傳感器沒(méi)有故障。

綜上所述，分析原因?yàn)棣?通道故障并自鎖，發(fā)出α1通道故障信號(hào)，綜合電子調(diào)節(jié)器退出對(duì)α1的控制，轉(zhuǎn)由機(jī)械液壓調(diào)節(jié)，導(dǎo)致低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度偏關(guān)。

4 試車驗(yàn)證

基于以上分析，更換發(fā)生故障的綜合電子調(diào)節(jié)器，地面開(kāi)車驗(yàn)證。開(kāi)車結(jié)束后，判讀飛參，在相同油門(mén)桿狀態(tài)下選取有代表性的數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在整個(gè)試車過(guò)程中高低壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速、高低壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速、低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度等發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)與表1相比均有提升，推力正常，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求。

表2 驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

低壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉角度α1對(duì)于保證壓氣機(jī)工作穩(wěn)定性，并獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)性能具有重要作用。為避免α1低于標(biāo)準(zhǔn)值即偏關(guān)、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和飛行安全產(chǎn)生不利影響，本文基于剖析低壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)通道控制計(jì)劃及工作原理，分析故障原因，確定綜合電子調(diào)節(jié)器故障導(dǎo)致α1低于標(biāo)準(zhǔn)值。更換綜合電子調(diào)節(jié)器后經(jīng)外場(chǎng)試車驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)正常，α1符合要求，發(fā)動(dòng)機(jī)推力穩(wěn)定。