航空發(fā)動(dòng)機(jī)放氣帶提前關(guān)閉故障分析

楊 俊，艾軍軍，田慧清

(1.空裝西安局某軍事代表室，西安 710021；2.中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安 710021)

1 引言

某型發(fā)動(dòng)機(jī)防喘措施單一，沒(méi)有采用如多級(jí)可調(diào)導(dǎo)流葉片、可變彎度導(dǎo)流葉片等防喘措施，僅采用在低轉(zhuǎn)速時(shí)打開(kāi)放氣帶來(lái)預(yù)防喘振發(fā)生，可靠性低[1-5]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于3 800+50r/min 偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)較多時(shí)，通過(guò)打開(kāi)放氣帶放掉部分空氣，避免發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入喘振。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 800+50r/min時(shí)，放氣帶關(guān)閉。如果放氣帶在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于3 800+50r/min時(shí)提前關(guān)閉，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量過(guò)大而無(wú)法排出，容易發(fā)生喘振[6]。

該型發(fā)動(dòng)機(jī)在地面試車(chē)過(guò)程中，推最大工作狀態(tài)時(shí)發(fā)生喘振故障。飛參顯示放氣帶關(guān)閉時(shí)轉(zhuǎn)速低于3 800+50r/min，說(shuō)明放氣帶發(fā)生了提前關(guān)閉，喘振故障是由放氣帶提前關(guān)閉所致[7]。但該故障發(fā)動(dòng)機(jī)返廠后在試車(chē)臺(tái)進(jìn)行復(fù)試的過(guò)程中，放氣帶提前關(guān)閉現(xiàn)象并未捕捉到，故障未得到復(fù)現(xiàn)。

由于故障表現(xiàn)為“快推全程加速性過(guò)程中放氣帶提前關(guān)閉”，而快推全程加速性是在飛機(jī)起飛過(guò)程中使用，一旦發(fā)生放氣帶提前關(guān)閉引起發(fā)動(dòng)機(jī)喘振，很可能造成空中停車(chē)并引發(fā)等級(jí)事故，對(duì)飛行安全危害極大，亟需解決此類(lèi)問(wèn)題。針對(duì)該故障，本文進(jìn)行了相應(yīng)的故障分析，并提出了解決措施。

2 放氣帶結(jié)構(gòu)

放氣帶位于壓氣機(jī)第3、4 級(jí)之間的中機(jī)匣前、后艙接合處的圓周上，由放氣窗口、放氣帶、傳感器和作動(dòng)筒等操縱系統(tǒng)組成，如圖1 所示。放氣帶作動(dòng)筒由外殼、活塞、彈簧、固定銷(xiāo)等部件組成，通過(guò)2個(gè)支臂固定在中機(jī)匣上。放氣帶通過(guò)耳環(huán)及固定銷(xiāo)固定在作動(dòng)筒上，作動(dòng)筒內(nèi)部彈簧的張力把活塞推向作動(dòng)筒兩端，使放氣帶打開(kāi)，空氣從環(huán)形間隙放出。當(dāng)壓縮空氣輸入放氣機(jī)構(gòu)作動(dòng)筒后，活塞克服彈簧力向中間靠攏，于是放氣帶關(guān)閉，停止向大氣放氣。

圖1 放氣帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Bleed belt structure

3 故障分析

3.1 故障樹(shù)分析

根據(jù)可能引起放氣帶提前關(guān)閉的原因，如冷氣電磁閥異常工作、離心傳感器提前工作、AN-2C 按鈕異常工作、發(fā)動(dòng)機(jī)電氣連接短路、飛機(jī)防火系統(tǒng)異常工作等，繪制故障樹(shù)(圖2)，并逐條分析和排除。

(1)冷氣電磁閥異常工作：作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，冷氣電磁閥接收電流信號(hào)，控制壓縮空氣進(jìn)入作動(dòng)筒。根據(jù)試車(chē)結(jié)果，放氣帶動(dòng)作與電流信號(hào)對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確，執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)及時(shí)，可排除此項(xiàng)。

(2)AN-2C按鈕異常工作：AN-2C按鈕為檢查放氣帶關(guān)閉功能的手動(dòng)按鈕，若該按鈕異常接通，會(huì)導(dǎo)致冷氣電磁閥電路提前接通。由于該按鈕已取消功能，用密封膠封死，所以不存在異常接通故障。

圖2 放氣帶提前關(guān)閉故障樹(shù)Fig.2 Failure tree of early closing of bleed blet

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)電氣連接短路：若該回路不經(jīng)過(guò)離心傳感器而短路，會(huì)導(dǎo)致冷氣電磁閥電路接通。若電氣系統(tǒng)出現(xiàn)異常短路，則發(fā)動(dòng)機(jī)放氣帶異常接通的時(shí)機(jī)應(yīng)該與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，在任何狀態(tài)下均可出現(xiàn)放氣帶提前關(guān)閉，與故障現(xiàn)象不符，可排除此項(xiàng)。

(4)飛機(jī)防火系統(tǒng)異常工作：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的AKP2-2 微動(dòng)開(kāi)關(guān)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的感溫器同時(shí)故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致冷氣電磁閥的電路接通，使放氣帶關(guān)閉。但發(fā)動(dòng)機(jī)的AKP2-2微動(dòng)開(kāi)關(guān)只有在停車(chē)時(shí)才能接通，與故障現(xiàn)象不符，可排除此項(xiàng)。

圖3 右部傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the right part of transmission system

通過(guò)以上排查，最終將故障定為離心傳感器提前工作。離心傳感器是控制放氣帶開(kāi)閉的附件，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣右部，位于右部傳動(dòng)系統(tǒng)(包括中央傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、右中介傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣，如圖3 所示)最末端。該發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生提前關(guān)閉故障時(shí)，其預(yù)調(diào)關(guān)閉轉(zhuǎn)速為3 960 r/min，實(shí)際使用過(guò)程中關(guān)閉轉(zhuǎn)速向下漂移至3 710 r/min，轉(zhuǎn)速相差250 r/min。如此大的差異必然與離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速波動(dòng)或離心傳感器異常工作相關(guān)。離心傳感器感受的是由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸經(jīng)右部傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給它的轉(zhuǎn)速，涉及9 個(gè)直齒輪、6 個(gè)錐齒輪及右傳動(dòng)桿、水平傳動(dòng)桿等幾十個(gè)零件，結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜。可見(jiàn)，右部傳動(dòng)系統(tǒng)是否平穩(wěn)、傳遞到離心傳感器輸入端的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線處的轉(zhuǎn)速是否一致非常重要，必須進(jìn)行離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速測(cè)試。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試結(jié)果

為了確定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速以及右部傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速是否存在波動(dòng)，采用如圖4 所示的測(cè)試系統(tǒng)[8-9]進(jìn)行測(cè)試。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Diagram of aero-engine test system

(1)測(cè)試信號(hào)

測(cè)試時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)從試車(chē)臺(tái)轉(zhuǎn)速儀表輸出端引出；放氣帶指示燈信號(hào)從試車(chē)臺(tái)放氣帶指示燈兩端并出；放氣帶動(dòng)作位移信號(hào)從發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)放氣帶上方位移傳感器接入；離心傳感器工作電流信號(hào)由串接在主電纜中的電流傳感器接入；離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速信號(hào)由離心傳感器輸入轉(zhuǎn)接段裝置中的電渦流傳感器接入。測(cè)試時(shí)采樣頻率設(shè)置為10 kHz，整個(gè)試車(chē)過(guò)程連續(xù)采樣。

(2)濾波器硬件設(shè)置

由于測(cè)試系統(tǒng)采樣頻率高，且沒(méi)有濾波處理，測(cè)試時(shí)試車(chē)過(guò)程中的各類(lèi)干擾信號(hào)也被疊加進(jìn)去作為測(cè)試信號(hào)進(jìn)行處理，導(dǎo)致測(cè)試出的轉(zhuǎn)速信號(hào)波動(dòng)較大。發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)頻為78 Hz，換算到離心傳感器處為415 Hz，按照分析頻率為其2.56倍規(guī)律計(jì)算，濾波頻率最小應(yīng)為1 062 Hz。為不丟失信號(hào)，在測(cè)試數(shù)采轉(zhuǎn)速通道增加2 kHz硬件濾波器以濾除高頻干擾信號(hào)。

(3)濾波器軟件設(shè)置

由于電渦流傳感器探頭在高頻狀態(tài)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多雜波信號(hào)，影響所采正常信號(hào)的判讀，且試車(chē)時(shí)一些環(huán)境因素也會(huì)造成干擾信號(hào)，故采用IIR 濾波器對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行濾波處理。選取10 Hz IIR 低通濾波器，將所測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)中每秒變化10次以上的干擾信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾波后的信號(hào)不會(huì)濾掉轉(zhuǎn)速的真實(shí)信號(hào)。

(4)試驗(yàn)準(zhǔn)備

離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速測(cè)試裝置(圖5、圖6)是在離心傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣之間增加的一個(gè)轉(zhuǎn)接段。它既要保證離心傳感器的正常工作，又要保證電渦流傳感器能監(jiān)測(cè)到離心傳感器的輸入轉(zhuǎn)速。為提高離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速測(cè)試精度，在轉(zhuǎn)接段中增加一個(gè)4 齒計(jì)數(shù)齒輪。測(cè)試時(shí)，齒輪凹凸槽尺寸的變化引起電渦流傳感器電壓變化，從而轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。

圖5 轉(zhuǎn)速測(cè)速裝置裝配圖Fig.5 Assembling drawing of speed measurement device

圖6 轉(zhuǎn)速測(cè)速裝置安裝位置Fig.6 Assembling position of speed measurement device

通過(guò)該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速及離心傳感器接通時(shí)與放氣帶關(guān)閉的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來(lái)判斷轉(zhuǎn)速的波動(dòng)是源于發(fā)動(dòng)機(jī)本身還是其右部傳動(dòng)系統(tǒng)。另外，測(cè)速裝置所測(cè)離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速比試車(chē)臺(tái)所測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速精度高，能夠?qū)﹄x心傳感器接通和斷開(kāi)瞬間的轉(zhuǎn)速值和平穩(wěn)度，以及與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、信號(hào)燈信號(hào)、放氣帶位移信號(hào)和離心傳感器工作電流信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系等進(jìn)行精確測(cè)量。

通過(guò)大量試驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)，最終在故障發(fā)動(dòng)機(jī)上精確測(cè)出放氣帶關(guān)閉和打開(kāi)時(shí)離心傳感器輸入轉(zhuǎn)速存在較大波動(dòng)，波動(dòng)值分別為83 r/min和125 r/min，而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)值僅為20 r/min并準(zhǔn)確捕捉到快推過(guò)程中出現(xiàn)的放氣帶提前關(guān)閉現(xiàn)象(3 780 r/min關(guān)閉)，故障最終得到了復(fù)現(xiàn)，如圖7 所示。證明了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，而右部傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，且這種波動(dòng)超出離心傳感器轉(zhuǎn)差波動(dòng)范圍時(shí)會(huì)導(dǎo)致離心傳感器提前工作。同時(shí)，通過(guò)測(cè)試排除了離心傳感器本身異常工作引起的放氣帶提前關(guān)閉。

圖7 3 780 r/min放氣帶關(guān)閉瞬間時(shí)域曲線Fig.7 Time domain curve of 3 780 r/min when bleed belt closed

3.3 齒輪參數(shù)測(cè)量

對(duì)右部傳動(dòng)系統(tǒng)零件進(jìn)行復(fù)查，最終將故障排查重點(diǎn)聚焦于6個(gè)傳動(dòng)錐齒輪[10]。通過(guò)對(duì)21臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)(3 臺(tái)故障發(fā)動(dòng)機(jī)、8 臺(tái)未發(fā)生過(guò)放氣帶異常關(guān)閉的大修發(fā)動(dòng)機(jī)和10臺(tái)新發(fā)動(dòng)機(jī))右部傳動(dòng)系統(tǒng)錐齒輪結(jié)構(gòu)特性參數(shù)(相鄰齒距誤差、齒向誤差、齒形誤差、周節(jié)累計(jì)誤差和跳動(dòng)值)的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)動(dòng)機(jī)的6 個(gè)錐齒輪，特別是中央傳動(dòng)主動(dòng)錐齒輪(1 號(hào)錐齒輪)，其周節(jié)累計(jì)誤差與未發(fā)生過(guò)放氣帶異常關(guān)閉的大修發(fā)動(dòng)機(jī)相比偏大。由于錐齒輪設(shè)計(jì)圖紙無(wú)周節(jié)累計(jì)誤差控制標(biāo)準(zhǔn)，考慮到周節(jié)累計(jì)誤差是影響齒輪傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性的關(guān)鍵特性參數(shù)，經(jīng)過(guò)深入研究，對(duì)錐齒輪增加了周節(jié)累計(jì)誤差控制要求，并進(jìn)行了優(yōu)化和驗(yàn)證。

結(jié)合中央傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、右中介傳動(dòng)機(jī)構(gòu)錐齒輪的計(jì)量情況，為驗(yàn)證右部傳動(dòng)系統(tǒng)錐齒輪對(duì)放氣帶關(guān)閉轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響，按新增的周節(jié)累計(jì)誤差控制標(biāo)準(zhǔn)挑選圖3中2號(hào)和4號(hào)錐齒輪共2套，分別裝配在故障發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行對(duì)比試車(chē)。試車(chē)過(guò)程中，快推和慢推放氣帶關(guān)閉和打開(kāi)時(shí)轉(zhuǎn)速一致性較好，效果明顯。試車(chē)中離心傳感器接通時(shí)放氣帶關(guān)閉轉(zhuǎn)速對(duì)比如圖8 所示。從中可看出，相比故障發(fā)動(dòng)機(jī)在返廠狀態(tài)下的試車(chē)，在更換傳動(dòng)錐齒輪后試車(chē)情況明顯改善，放氣帶關(guān)閉轉(zhuǎn)速明顯提高。其中，慢推時(shí)從最低約3 840 r/min 提高到3 900 r/min 左右，快推時(shí)從最低約3 780 r/min提高到3 880 r/min左右。

圖8 故障發(fā)動(dòng)機(jī)快推和慢推離心傳感器接通時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比Fig.8 Speed comparison with connecting of centrifugal sensor by slow/fast pushing

4 解決措施

基于對(duì)比試驗(yàn)及離心傳感器試驗(yàn)情況分析，故障發(fā)動(dòng)機(jī)放氣帶提前關(guān)閉的主要原因?yàn)橛也總鲃?dòng)系統(tǒng)傳輸轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)，而右部傳動(dòng)系統(tǒng)傳輸轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)主要與右部傳動(dòng)系統(tǒng)錐齒輪的周節(jié)累計(jì)誤差未制定控制措施有關(guān)。故新增右部傳動(dòng)系統(tǒng)6個(gè)錐齒輪周節(jié)累計(jì)誤差控制要求：中央傳動(dòng)主動(dòng)錐齒輪(1 號(hào)錐齒輪)周節(jié)累計(jì)誤差≤0.13 mm，其他5個(gè)錐齒輪(2號(hào)～6 號(hào)錐齒輪)周節(jié)累積誤差≤0.08 mm。對(duì)因放氣帶故障返廠的發(fā)動(dòng)機(jī)，采取更換控制周節(jié)累計(jì)誤差6 個(gè)錐齒輪方案進(jìn)行排故；對(duì)裝配貫徹優(yōu)化齒輪的發(fā)動(dòng)機(jī)的外場(chǎng)使用情況進(jìn)行跟蹤。后續(xù)地面試車(chē)，未再發(fā)生此類(lèi)故障，有效解決了發(fā)動(dòng)機(jī)放氣帶提前關(guān)閉引發(fā)的喘振故障。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)放氣帶提前關(guān)閉引起的發(fā)動(dòng)機(jī)喘振，通過(guò)制定故障樹(shù)、設(shè)計(jì)測(cè)速裝置、進(jìn)行相應(yīng)對(duì)比試驗(yàn)、測(cè)量齒輪尺寸等工作，最終明確了故障原因是由于右部傳動(dòng)系統(tǒng)錐齒輪的周節(jié)累計(jì)誤差未控制造成右部傳動(dòng)系統(tǒng)傳輸轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)導(dǎo)致。據(jù)此，新增右部傳動(dòng)系統(tǒng)6 個(gè)錐齒輪的周節(jié)累計(jì)誤差控制，并對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化齒輪更換。后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果表明，該措施可行、有效，排故效果令人滿(mǎn)意，可為同類(lèi)故障分析提供參考。