某渦扇發(fā)動機(jī)空中停車率分析與優(yōu)化

楊 陽，劉慧娟，翟 月，吳曉丹

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，發(fā)動機(jī)在空中停車，輕則給飛行員應(yīng)急處置帶來一定難度，危及飛行安全，重則因飛機(jī)失去動力而導(dǎo)致事故[1]。對單發(fā)飛機(jī)而言，空中停車會造成災(zāi)難性后果，甚至導(dǎo)致飛機(jī)迅速失控和墜毀；對雙發(fā)飛機(jī)，單發(fā)動機(jī)空中停車是1起事故征候，增加了發(fā)生墜機(jī)事故的風(fēng)險。由于空中停車危害大，空中停車率也是發(fā)動機(jī)可靠性定量評價的重要指標(biāo)之一[2]。因此，必須認(rèn)真研究產(chǎn)生空中停車故障的原因，采取有力措施，盡量減少和避免空中停車的發(fā)生。

綜合GJB 2103A《航空燃?xì)鉁u輪動力裝置術(shù)語和符號》中的定義來看，空中停車指飛機(jī)發(fā)動機(jī)在起飛之后與落地之前，由于機(jī)械故障、電子系統(tǒng)故障、設(shè)計缺陷等原因?qū)е碌陌l(fā)動機(jī)空中停止工作[3]。本文只要是在空中因發(fā)動機(jī)故障引起的停車都算作是1次空中停車事件，因?yàn)榭胀儆谳^少發(fā)生的事件，只要是出于“非主觀意愿”發(fā)生的空停，皆計入本文的研究“樣本”。

國內(nèi)外關(guān)于發(fā)動機(jī)空中停車的研究主要是針對具體空停的故障機(jī)理與排故方法以及針對性的措施。黃郁華[4]研究了渦噴發(fā)動機(jī)由于設(shè)計、工藝、材料等引起的空停現(xiàn)象及措施；徐立新[5]以民用航空發(fā)動機(jī)為分析對象，在研究可靠性理論的基礎(chǔ)上，制訂出降低發(fā)動機(jī)空中停車率的具體可靠性措施；蔡運(yùn)金[6]對WP7系列發(fā)動機(jī)空中停車故障進(jìn)行分析，著重論述了壓氣機(jī)的重大改進(jìn)對空停率的影響；范振偉等[7]針對在科研試飛和批生產(chǎn)“升限”科目試飛中先后出現(xiàn)的空中停車現(xiàn)象進(jìn)行分析，并制定了改進(jìn)措施。

綜合各學(xué)者的研究成果，從統(tǒng)計的角度進(jìn)行空中停車率分析的較少。本文在國內(nèi)某型發(fā)動機(jī)外場使用的空停故障基礎(chǔ)上加以統(tǒng)計分析，分析影響空中停車的主要因素，并根據(jù)分析結(jié)果對優(yōu)化降低空停率、減少空停發(fā)生的風(fēng)險提供可以加以改進(jìn)的措施方向[8]。

1 空中停車事件統(tǒng)計

1.1 計算方法

空中停車率的計算公式為

式中：T為發(fā)動機(jī)總飛行時間；n為T期間由于發(fā)動機(jī)原因引起的發(fā)動機(jī)空中停車的總次數(shù)。

1.2 統(tǒng)計結(jié)果

所有的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于該型發(fā)動機(jī)生產(chǎn)總質(zhì)量師系統(tǒng)，包括發(fā)動機(jī)飛行時間、故障日期、發(fā)動機(jī)號、使用單位、故障現(xiàn)象、故障件、生產(chǎn)單位、故障處理情況、故障原因、解決措施等。根據(jù)式（1），該發(fā)動機(jī)隨部隊外場服務(wù)年限的變化趨勢如圖1所示。

從圖中可見，近年來該型發(fā)動機(jī)空中停車率總體上呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，而且經(jīng)過計算分析，在2016年就已經(jīng)達(dá)到了該發(fā)動機(jī)規(guī)定的空中停車率指標(biāo)，滿足設(shè)計要求。從整體趨勢上看，該發(fā)動機(jī)的空中停車率指標(biāo)趨向于穩(wěn)定，發(fā)動機(jī)趨向成熟。

圖1 某發(fā)動機(jī)RIFSD隨外場服務(wù)年限變化趨勢

2 引發(fā)空中停車的原因分析

該型發(fā)動機(jī)空中停車的原因可歸納為3個類別，如圖2所示。

（1）控制系統(tǒng)成附件導(dǎo)致的空中停車（如滑油壓差傳感器、主泵、發(fā)動機(jī)電纜、燃滑油溫度傳感器、燃油增壓泵、應(yīng)急放油附件）；

圖2 空中停車故障類別分布

（2）傳動潤滑系統(tǒng)成附件導(dǎo)致的空中停車（如發(fā)附機(jī)匣、3號軸承、主燃滑油散熱器、中央齒錐軸承）；

（3）整機(jī)因素（喘振裕度低）。

導(dǎo)致空停故障的致因故障件發(fā)生次數(shù)分布如圖3所示。

大多數(shù)人會將發(fā)動機(jī)空中停車與主機(jī)損傷等聯(lián)系在一起[9]。從經(jīng)驗(yàn)來看，發(fā)動機(jī)核心機(jī)的缺陷的確是發(fā)動機(jī)空停的致因之一，但就該型發(fā)動機(jī)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，發(fā)動機(jī)成附件才是造成該型發(fā)動機(jī)空中停車的最主要原因[10]。從圖中可見，該發(fā)動機(jī)空停因控制系統(tǒng)、傳動潤滑系統(tǒng)故障占94%。引起空停較多的故障件為滑油壓差傳感器和發(fā)附機(jī)匣。

圖3 對空中停車致因的統(tǒng)計

2.1 控制系統(tǒng)

在整個飛行包線內(nèi)通過駕駛艙中的操縱桿（改變供油量）完成發(fā)動機(jī)的起動、停車和推力調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)發(fā)生故障將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的燃油供應(yīng)以及發(fā)動機(jī)控制異常，易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)空中停車[11]。

控制系統(tǒng)中導(dǎo)致空停的成附件有多種，其中滑油壓差傳感器最多，影響最深也最受關(guān)注。滑油壓差傳感器用于測量滑油管路中的滑油泵供油壓力和軸承腔壓力的壓差，將其轉(zhuǎn)化成電信號，送至綜合電子調(diào)節(jié)器。當(dāng)符合報警條件時，綜合電子調(diào)節(jié)器發(fā)送“減小轉(zhuǎn)速”信號到飛機(jī)座艙告警系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)動機(jī)空中報“減小轉(zhuǎn)速”，將油門桿收至慢車位置時信號不消失，為保證飛機(jī)安全則將發(fā)動機(jī)拉停，造成空中停車。針對該故障件，軍、廠、所多次聯(lián)合排故，對多發(fā)故障進(jìn)行分析及定位，開展大量的分析排查工作，制定了解決措施及驗(yàn)證方法。經(jīng)綜合環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)措施有效。其他燃油與控制系統(tǒng)成附件引起空中停車的主要原因是成附件故障/失效導(dǎo)致控制系統(tǒng)起不到控制作用，或者因故無法測量參數(shù)導(dǎo)致。比如主泵主要是因故障或工作異常導(dǎo)致發(fā)動機(jī)參數(shù)擺動。發(fā)動機(jī)電纜因?yàn)閷儆诮硬寮?，插針與插孔瞬時“虛接”，會造成誤報信號或者線路短路，導(dǎo)致電阻異常，空中報“減小轉(zhuǎn)速”信號。燃滑油溫度傳感器主要故障原因是感溫元件接線片處鉑絲因疲勞強(qiáng)度降低而斷裂，造成綜合電子調(diào)節(jié)器輸出“減小轉(zhuǎn)速”告警信號，將油門桿拉至慢車位置，信號不消失，飛行員空中拉停發(fā)動機(jī)，發(fā)生空停。

2.2 傳動潤滑系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)的高壓比、高渦輪進(jìn)口溫度、高主軸轉(zhuǎn)速及嚴(yán)格的空間限制，要求傳動潤滑系統(tǒng)在高溫、高速、重負(fù)荷、輕質(zhì)量、激烈的狀態(tài)變化、緊湊的空間限制、長壽命和高可靠性下發(fā)揮其功能。潤滑系統(tǒng)要保證在整個飛行包線內(nèi)對發(fā)動機(jī)軸承、齒輪和某些摩擦副進(jìn)行有效的潤滑和冷卻，以確保發(fā)動機(jī)工作的安全和壽命要求。發(fā)動機(jī)高、低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通常高達(dá)5000～12000 r/min，在如此高速轉(zhuǎn)動下的部件（如軸承），如沒有很好的潤滑和散熱措施，會在較短的時間內(nèi)因過高的溫度和嚴(yán)重的磨損而損壞和失效?；拖到y(tǒng)的封嚴(yán)若嚴(yán)重受損將導(dǎo)致滑油的大量流失，若金屬異物較多堵塞油濾將嚴(yán)重影響滑油的正常傳輸，導(dǎo)致滑油壓力不足。

引發(fā)空停較多的發(fā)附機(jī)匣的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動從中心錐齒輪傳給發(fā)動機(jī)附件各系統(tǒng)，并用來固定附件。由于內(nèi)部齒輪零部件較多，極易磨損。當(dāng)滑油中金屬屑超標(biāo)時，飛機(jī)報“減小轉(zhuǎn)速”信號，飛行員將油門桿拉至慢車時，“減小轉(zhuǎn)速”信號不消失，此時飛行員會將發(fā)動機(jī)拉停。發(fā)附機(jī)匣引起的空停主要有2種故障模式：離心通風(fēng)器故障和軸承保持架斷裂。離心通風(fēng)器故障原因有多種，如高周疲勞引起的起始于花鍵齒根的裂紋；在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在共振頻率；離心通風(fēng)器與齒輪軸采用單側(cè)止口定位、配合定位面過短；軸向壓緊力不足，不能保證在全工況條件下有效固定離心通風(fēng)器。軸承保持架斷裂、發(fā)生軸承故障時，在機(jī)匣內(nèi)產(chǎn)生大量金屬屑，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)因滑油中有金屬屑報降轉(zhuǎn)信號，金屬屑堵塞回油濾網(wǎng)，附件機(jī)匣回油不暢、內(nèi)部溫度升高，導(dǎo)致密封失效，滑油大量泄漏、壓力降低，為確保安全拉停發(fā)動機(jī)。

2.3 喘振裕度低

發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)應(yīng)具有足夠的喘振裕度，避免壓氣機(jī)發(fā)生喘振，引起發(fā)動機(jī)空中停車。因喘振裕度低導(dǎo)致空停發(fā)生2起，均為在實(shí)施高空科目機(jī)動過程中。在該過程中進(jìn)氣道動態(tài)畸變較大，致使發(fā)動機(jī)在飛機(jī)進(jìn)入包線邊界時發(fā)生喘振。導(dǎo)致整機(jī)喘振裕度低的因素有2個方面，一方面是進(jìn)氣道與發(fā)動機(jī)匹配性差，導(dǎo)致進(jìn)氣畸變大；另一方面是該發(fā)動機(jī)在研制過程中對控制規(guī)律進(jìn)行適應(yīng)性更改，但在實(shí)際使用過程中，部分控制規(guī)律與發(fā)動機(jī)實(shí)際需求不匹配，導(dǎo)致極端邊界下發(fā)動機(jī)剩余裕度不足。針對故障原因，制定了飛發(fā)匹配優(yōu)化、高壓壓氣機(jī)多級可調(diào)角度控制措施，可以提高發(fā)動機(jī)喘振裕度；通過優(yōu)化改進(jìn)節(jié)流嘴，加大切油深度，調(diào)整試車消喘系統(tǒng)檢查時的轉(zhuǎn)速范圍，改善發(fā)動機(jī)消喘系統(tǒng)的消喘能力，在一定程度上減少了因喘振裕度低而導(dǎo)致的空停。

3 預(yù)防措施

雖然該型發(fā)動機(jī)的空中停車率指標(biāo)已經(jīng)滿足了設(shè)計要求，但是發(fā)動機(jī)的空中停車與飛行員和飛機(jī)的安全息息相關(guān)，必須采取措施降低其發(fā)生的概率。通過分析空中停車原因可知，空中停車主要與成附件和控制規(guī)律邊界有關(guān)。因此應(yīng)綜合考慮，提出切實(shí)可行的預(yù)防措施。

3.1 提高成附件可靠性水平

預(yù)防發(fā)動機(jī)空停，僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將工作重心放在發(fā)動機(jī)核心機(jī)上是不夠的，從統(tǒng)計結(jié)果看，成附件是影響該型發(fā)動機(jī)空停率的最重要因素。應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注可能影響發(fā)動機(jī)空停的成附件故障[12]。目前內(nèi)場對成附件的考核試驗(yàn)項目較少、試驗(yàn)量值偏低，導(dǎo)致對成附件的驗(yàn)證不夠充分，不能充分暴露成附件問題，導(dǎo)致外場使用中故障頻發(fā)。在研制過程中雖然針對存在的技術(shù)質(zhì)量問題以及系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的匹配性問題，開展了多輪技術(shù)攻關(guān)和試驗(yàn)驗(yàn)證，但對于一些關(guān)鍵技術(shù)，特別是深層次的系統(tǒng)問題仍理解不深、技術(shù)尚未完全吃透和掌握。因此，通過試驗(yàn)加嚴(yán)成附件考核，采取措施提高成附件的可靠性，是有效預(yù)防發(fā)動機(jī)空停和確保發(fā)動機(jī)運(yùn)行安全的必要舉措。

3.2 控制規(guī)律優(yōu)化

目前，對發(fā)動機(jī)控制規(guī)律的認(rèn)知依然是在摸索中發(fā)展，還沒有達(dá)到最優(yōu)，同時由于該發(fā)動機(jī)批量裝備部隊后，隨著生產(chǎn)任務(wù)的增多，成附件承制單位對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程控制相對粗放，導(dǎo)致產(chǎn)品一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性不高，造成出廠產(chǎn)品分散度較大，導(dǎo)致成附件未完全實(shí)現(xiàn)給定的控制規(guī)律，控制結(jié)果與設(shè)計要求不符，使得部分控制裕度被“吃掉”，容易導(dǎo)致在極端邊界條件下發(fā)生空停。因此，承制單位要加強(qiáng)生產(chǎn)管控，提高質(zhì)量穩(wěn)定性，設(shè)計單位要不斷對控制規(guī)律優(yōu)化，探索最優(yōu)的控制規(guī)律，減少空停的發(fā)生[13]。

3.3 加強(qiáng)監(jiān)控措施

有些導(dǎo)致空停的故障在發(fā)生之前通過加強(qiáng)監(jiān)控是可以被提前發(fā)現(xiàn)的，比如滑油消耗量過大、滑油內(nèi)有金屬屑等。因此，通過金屬磁塞觀察、滑油光譜分析、金屬屑能譜分析、振動值監(jiān)控、放射性探傷、孔探儀檢查、飛參分析等綜合監(jiān)控手段[14]，做到提前發(fā)現(xiàn)故障，適時采取措施，防患于未然，避免發(fā)生空停故障或機(jī)毀人亡的巨大損失。

4 結(jié)束語

某型軍用渦扇發(fā)動機(jī)的空中停車率指標(biāo)雖已滿足型號規(guī)范的要求，但應(yīng)采取措施不斷改進(jìn)、不斷降低空中停車發(fā)生的風(fēng)險[15]。在對該發(fā)動機(jī)投入部隊使用以來發(fā)生的空停故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，影響空停的主要因素是成附件和控制規(guī)律邊界。通過采取提高成附件可靠性水平、優(yōu)化控制規(guī)律、加強(qiáng)監(jiān)控措施等，可以降低空停發(fā)生的次數(shù)。預(yù)防發(fā)動機(jī)空中停車故障的發(fā)生，應(yīng)聯(lián)合軍方、設(shè)計和承制等單位，共同致力于減少各職責(zé)范圍內(nèi)導(dǎo)致空中停車的因素，形成合力。實(shí)行綜合治理，發(fā)動機(jī)可靠性和安全性會進(jìn)一步提高，能更好地承擔(dān)守衛(wèi)國門的重任。