某型發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室喘振故障研究

袁林 那寶奇 唐秀娟

摘要：針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中加力燃燒室發(fā)生喘振故障，闡述了加力燃燒室系統(tǒng)組成及工作原理，并進(jìn)行了故障分析研究，最終找出原因，可為同類故障的排除提供借鑒和有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：加力燃燒室；喘振；壓比調(diào)節(jié)器

Keywords：afterburner；surge；pressure ratio regulator

0 引言

某型發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車過程中，當(dāng)加力比逐漸增大時(shí)，加力燃燒室出現(xiàn)放炮聲，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，加力燃燒室發(fā)生喘振。該型發(fā)動(dòng)機(jī)為帶加力燃燒室（見圖1）的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。加力燃燒室安裝在排氣混合器和尾噴口之間，利用內(nèi)涵燃燒剩余的氧氣和外涵的新鮮空氣，再一次噴油燃燒，放出熱量，提高燃?xì)獾臏囟群退俣?，瞬時(shí)增大發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。發(fā)動(dòng)機(jī)從軍用狀態(tài)到小加力再到大加力過程中，加力燃油控制系統(tǒng)供油量逐漸增大，尾噴口從預(yù)開位置隨油門增大，噴口逐漸增大。加力燃燒室喘振往往伴隨著壓氣機(jī)喘振，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生氣流逆流，導(dǎo)致葉片折斷，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)飆升，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，嚴(yán)重影響飛行安全。因此，分析研究加力燃燒室喘振故障具有重要意義。

1 加力燃燒室系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 加力燃燒室組成

加力燃燒室系統(tǒng)由加力燃油控制系統(tǒng)、噴口控制系統(tǒng)、加力燃燒室組成。加力燃油控制系統(tǒng)由加力燃油流量調(diào)節(jié)器、加速溢流活門、分圈活門、空氣吹除活門和催化點(diǎn)火燃油控制器等附件組成；噴口控制系統(tǒng)由噴口滑油箱、噴口滑油泵、噴口滑油散熱器、旁通活門和單向活門、噴口作動(dòng)筒、噴口收放活門和壓比調(diào)節(jié)器等組成；加力燃燒室由擴(kuò)散機(jī)匣、燃油總管、加力燃燒室機(jī)匣、火焰穩(wěn)定器、傳焰肋、隔熱屏、支板、催化點(diǎn)火器等組成。

1.2 加力燃燒室燃油系統(tǒng)工作原理

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)接通加力后，高壓控制燃油通過加力選擇活門和同步活門上的油孔分為幾路。一路進(jìn)入加力燃油泵，打開加力燃油泵進(jìn)口和出口；一路進(jìn)入壓比調(diào)節(jié)器（見圖2），解除壓比調(diào)節(jié)器自鎖，壓比調(diào)節(jié)器控制噴口大??；一路進(jìn)入噴口收放活門，為噴口提供預(yù)開條件；一路進(jìn)入空氣吹除活門，切斷吹除空氣；一路進(jìn)入催化點(diǎn)火燃油控制器，為加力點(diǎn)火提供燃油，并控制加速溢流活門關(guān)閉，防止加力啟動(dòng)瞬間加力燃燒室供油過大，噴口大小與加力不匹配。低壓油經(jīng)過加力燃油泵增壓后進(jìn)入加力燃油流量調(diào)節(jié)器，一路經(jīng)過加速溢流活門進(jìn)入分圈活門為加力燃油總管供油；一路進(jìn)入空氣吹除活門為加力蒸發(fā)槽供油。

1.3 加力燃燒室噴口系統(tǒng)工作原理

噴口由噴口作動(dòng)筒活塞桿前后移動(dòng)帶動(dòng)作動(dòng)機(jī)匣前后移動(dòng)控制。當(dāng)噴口作動(dòng)筒伸長(zhǎng)，噴口放大，反之縮小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入加力前（發(fā)動(dòng)機(jī)處于軍用狀態(tài)），尾噴口處于預(yù)開位置。在未接通加力前，壓比調(diào)節(jié)器處于鎖定狀態(tài)，噴口滑油泵斜盤角度固定，噴口滑油泵供油量一定，此時(shí)噴口由噴口收放活門控制。來自噴口滑油箱的滑油經(jīng)噴口控制泵增壓分成兩路，一路進(jìn)入噴口作動(dòng)筒活塞右端，另一路經(jīng)過噴口收放活門回油，此時(shí)噴口作動(dòng)筒活塞右側(cè)壓力受噴口收放活門控制回油量控制。

接通加力后，從同步活門流出的高壓燃油進(jìn)入噴口收放活門，噴口收放活門活塞兩端均通高壓油，活塞處于固定位置，噴口由壓比調(diào)節(jié)器控制。接通加力后，從加力燃油泵低壓間斷活門流出的高壓油進(jìn)入壓比調(diào)節(jié)器，解除壓比調(diào)節(jié)器自鎖，由壓比調(diào)節(jié)器通過控制噴口控制泵斜盤角度來調(diào)節(jié)控油壓力，進(jìn)而控制噴口大小。隨著加力供油量的增大，加力燃燒室燃?xì)鉁囟壬?，引起渦輪后反壓P6增大，壓比調(diào)節(jié)器P3/P6活塞右移，噴口滑油泵斜盤角度減小，噴口作動(dòng)筒右室壓力降低，活塞右移，噴口放大，P6降低，P3/P6活塞左移，直到重新達(dá)到平衡，噴口位置固定。

2 故障分析

2.1 壓比調(diào)節(jié)器

正常狀態(tài)下，壓比調(diào)節(jié)器按照選定的加力度使加力燃油流量與噴口面積相匹配，保持加力狀態(tài)下燃?xì)馔ㄟ^渦輪的正確壓比。接通加力室，高壓燃油打開壓比調(diào)節(jié)器自鎖裝置，之后由X6感受活塞感受渦輪落壓比P3/P6，并按該比值的變化帶動(dòng)分油活門分配隨動(dòng)動(dòng)力活塞的油路，產(chǎn)生的隨動(dòng)輸出對(duì)噴口滑油泵斜盤角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變供油量和供油壓力，使噴口作動(dòng)筒活塞桿移動(dòng)，改變噴口大小，從而保證渦輪落壓比不變。X6感受活塞上的型針設(shè)計(jì)成小錐段為不加力段；大錐段為小加力段也是控制段，使噴口平穩(wěn)移動(dòng)；圓柱段為工作段，在噴口打開方向獲得無限增益，這時(shí)P3值不變，P6迅速增大，X6感受活塞以最大速度右移，噴口滑油泵斜盤角度減小，供油壓力減小，噴口放大。這三個(gè)特征段與調(diào)節(jié)螺釘孔形成可變節(jié)流孔，用以調(diào)節(jié)P3/P6比值，達(dá)到調(diào)節(jié)噴口速率和面積的目的。

在外場(chǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中會(huì)根據(jù)工作狀態(tài)調(diào)節(jié)輔助調(diào)節(jié)螺釘位置，如果在調(diào)節(jié)過程中螺釘亂扣卡死、螺紋孔偏斜螺釘錐面嚴(yán)重磨損或螺釘錐面在工作過程中積炭，均會(huì)影響X6感受活塞位置，直接影響噴口大小。該輔助調(diào)節(jié)螺釘?shù)臄Q進(jìn)擰出能使X6感受活塞的P6壓力增大或減?。簲Q進(jìn)時(shí)，感受活塞右室壓力增大而左移，X6動(dòng)力活塞隨其一起左移，噴口滑油泵斜盤角度增大，噴口收小，P6壓力增大，輔助調(diào)節(jié)螺釘卡死后會(huì)失去調(diào)節(jié)功能，致使加力燃燒室內(nèi)壓力升高，發(fā)生喘振。當(dāng)輔助調(diào)節(jié)螺釘錐面積炭時(shí)，錐面截面積增大，相當(dāng)于將螺釘擰入，減小氣流流通面積，動(dòng)力活塞左移，噴口收小，加力燃燒室壓力升高，發(fā)生喘振。

動(dòng)力活塞、感受活塞與襯套嚴(yán)重磨損或X6動(dòng)力活塞漲圈磨損等都能引起喘振，如壓比調(diào)節(jié)器上的不銹鋼漲圈在不加力位置磨出兩道深約0.2mm的槽，加力時(shí)，X6動(dòng)力活塞卡在槽內(nèi)，移動(dòng)受阻，造成噴口無法放大或放大緩慢，導(dǎo)致喘振。

X2感受活塞串氣，主要原因是活塞與襯套的間隙超過工藝規(guī)定的0.004mm。串氣使活塞兩側(cè)的壓力差減小甚至為0，活塞處于中立位置不能移動(dòng)，此時(shí)P3修正器和空氣信號(hào)發(fā)生器的型針處于一個(gè)固定位置，X6感受活塞右室的壓力是一個(gè)定值，活塞不會(huì)移動(dòng)，噴口滑油泵斜盤角度不變，噴口不會(huì)放大而發(fā)生喘振。

2.2 加速溢流活門

加力點(diǎn)火期間，伺服活門在下端高壓伺服燃油壓力作用下上移，溝通活塞下端的回油路，活塞下移，切斷去往總管的燃油路，使來自加力燃油流量調(diào)節(jié)器的加力燃油回低壓。停止點(diǎn)火后，催化點(diǎn)火燃油控制器切斷伺服活門下室的高壓伺服燃油，在彈簧力作用下，伺服活門下移，切斷活塞下室的回油路，活塞下室的燃油壓力逐漸增大，活塞逐漸上移，關(guān)小回油孔，開大去往分圈活門的供油孔。供油孔從全關(guān)到全開約1.5s。當(dāng)伺服活門由于銹蝕等原因出現(xiàn)卡滯時(shí)，接通加力后伺服活塞無法上移，控制加速溢流活門通斷的活塞下端無法回油，活塞無法下移，加速溢流活門一直處于開通狀態(tài)，加力點(diǎn)火瞬間，加力燃燒室已充滿燃油，噴口還未來得及放大到與之匹配的大小，造成加力燃燒室喘振。

2.3 催化點(diǎn)火燃油控制器

在加力點(diǎn)火期間，催化點(diǎn)火燃油控制器向催化點(diǎn)火器供給催化點(diǎn)火燃油，并通過一個(gè)單向活門向4號(hào)總管提供初始燃油，同時(shí)為加速溢流活門提供操縱燃油。不加力時(shí)，在彈簧力作用下，催化點(diǎn)火燃油控制器活塞處于最左位置，活門關(guān)閉。加力時(shí)，從汽心泵低壓間斷活門來的高壓燃油通至伺服活塞左室，使伺服活塞右移，在約0.05s時(shí)活門打開，開始向催化點(diǎn)火器、加速溢流活門和單向活門供油，到約第3s時(shí)活門移至最右位置，使活門關(guān)閉進(jìn)口油路，切斷供油。當(dāng)催化點(diǎn)火燃油控制器內(nèi)部向左的彈簧力過大或活塞卡滯，在接通加力后，活塞無法正常向右移動(dòng)，使活門開度較小，控制加速溢流活門中伺服活塞向上移動(dòng)的油壓偏小，伺服活塞無法正常向上移動(dòng)，加速溢流活門處于常開狀態(tài)，導(dǎo)致在加力接通瞬間加力燃燒室內(nèi)部已充滿燃油，也會(huì)造成加力燃燒室喘振。

2.4 噴口滑油泵

噴口滑油泵為噴口作動(dòng)筒提供液壓油，控制噴口作動(dòng)筒活塞左右移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)噴口大小。未接通加力時(shí)，噴口滑油泵斜盤角度鎖定在4.5°，供油壓力一定；加力接通瞬間，壓比調(diào)節(jié)器解除自鎖，壓比調(diào)節(jié)器控制噴口滑油泵斜盤角度，通過控制供油壓力控制噴口大小。當(dāng)噴口滑油泵斜盤運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)受多余物影響，斜盤角度無法正常調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)直接影響噴口的大小調(diào)節(jié)，導(dǎo)致噴口狀態(tài)與加力狀態(tài)不匹配，造成加力燃燒室喘振。

2.5 噴口作動(dòng)筒

噴口作動(dòng)筒內(nèi)部活塞左側(cè)通低壓油，右側(cè)通經(jīng)噴口滑油泵柱塞泵增壓的高壓油，在油壓和噴口氣動(dòng)力的作用下左右移動(dòng)，調(diào)節(jié)噴口大小。當(dāng)噴口作動(dòng)筒內(nèi)的活塞因工作磨損而與筒壁間隙過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致活塞兩側(cè)通油，活塞無法正常移動(dòng)，噴口大小與加力狀態(tài)不匹配，造成加力喘振。

2.6 空氣信號(hào)發(fā)生器

空氣信號(hào)發(fā)生器根據(jù)P3/P2的變化對(duì)送到蒸發(fā)槽流量計(jì)量活門左室的P3B信號(hào)進(jìn)行修正，從而保持加力燃燒室的最佳油氣比。P3空氣由節(jié)流嘴側(cè)面的固定節(jié)流孔進(jìn)入空氣信號(hào)發(fā)生器，經(jīng)可變節(jié)流孔降至P6，在兩個(gè)節(jié)流孔之間形成的P3分壓P3B送至蒸發(fā)槽流量計(jì)量活門左室，其大小由壓比調(diào)節(jié)器P3/ P2輸出連桿操縱調(diào)節(jié)針改變可變節(jié)流孔的開度來控制。當(dāng)P3/P2增大時(shí)，P3/ P2感受活塞左移，操縱調(diào)節(jié)針上移，增大可變節(jié)流孔開度，使P3B減??；相反地，P3/P2減小時(shí)，P3B增大。當(dāng)空氣信號(hào)發(fā)生器不工作，蒸發(fā)槽流量計(jì)量活門隨P3增大而右移，開大出油孔，總流量計(jì)量活門左移開大出油孔，使加力燃燒室供油量隨P3壓力升高而增大，造成富油燃燒，P6升高，將發(fā)生喘振。

2.7 建立故障樹

根據(jù)上述分析，理清了加力燃燒室喘振與噴口控制系統(tǒng)和加力燃油系統(tǒng)各附件之間的關(guān)系。為便于逐層逐級(jí)分析查找故障原因，建立如圖3所示的故障樹。

3 故障定位

加力燃燒室喘振故障的排除是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，涉及的零件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，排故周期較長(zhǎng)。為了縮短排故周期，采用控制變量法和排除法相結(jié)合的方法，快速定位故障點(diǎn)，即通過逐一更換附件的方式，鎖定故障點(diǎn)，排除故障。

3.1 噴口作動(dòng)筒

噴口作動(dòng)筒是直接控制噴口大小的附件，噴口作動(dòng)筒內(nèi)活塞與筒壁間隙過大或卡滯都會(huì)使噴口無法正常放大，直接導(dǎo)致加力燃燒室喘振。更換噴口作動(dòng)筒后，加力燃燒室喘振故障復(fù)現(xiàn)，因此排除噴口作動(dòng)筒工作異常。

3.2 噴口滑油泵

噴口滑油泵為噴口大小調(diào)節(jié)提供液壓油，若噴口滑油泵工作異常，直接影響噴口作動(dòng)筒活塞的移動(dòng)，導(dǎo)致噴口大小與加力狀態(tài)不匹配，發(fā)生喘振。更換噴口滑油泵后，故障復(fù)現(xiàn)，因此排除噴口滑油泵工作異常。

3.3 空氣信號(hào)發(fā)生器

空氣信號(hào)發(fā)生器用于修正P3壓力，控制加力燃燒室蒸發(fā)槽供油量，進(jìn)而控制加力燃燒室供油量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)不變，飛行高度升高（或飛行速度減小）時(shí)P3下降，若T1降低，P3/P2增大，P3/P2感受活塞左移，通過連桿使空氣信號(hào)發(fā)生器的型針上移，開大放氣孔，使蒸發(fā)槽流量計(jì)量活門左移，關(guān)小油孔，減小蒸發(fā)槽供油量。同時(shí)，通過杠桿使總流量計(jì)量活門右移，關(guān)小供油孔，減小加力供油量。如果空氣信號(hào)發(fā)生器不工作，無法控制減低加力燃燒室供油量，會(huì)導(dǎo)致該故障發(fā)生。更換空氣信號(hào)發(fā)生器后，故障復(fù)現(xiàn)，排除空氣信號(hào)發(fā)生器故障。

3.4 催化點(diǎn)火燃油控制器

加力啟動(dòng)瞬間，催化點(diǎn)火燃油控制器控制加力點(diǎn)火供油并控制加速溢流活門關(guān)閉。當(dāng)加力啟動(dòng)瞬間，加力燃燒室供油過猛導(dǎo)致噴口狀態(tài)與供油量不匹配，催化點(diǎn)火燃油控制器伺服活塞無法正常向右移動(dòng)，加速溢流活門無法關(guān)閉，加力接通瞬間加力燃燒室內(nèi)部已充滿燃油，將導(dǎo)致加力喘振。更換催化點(diǎn)火燃油控制器后，故障復(fù)現(xiàn)，排除催化點(diǎn)火燃油控制器工作異常。

3.5 加速溢流活門

加力啟動(dòng)瞬間，加速溢流活門關(guān)閉，防止在噴口還未轉(zhuǎn)換到加力狀態(tài)時(shí)加力燃燒室工作狀態(tài)與噴口不匹配。更換加速溢流活門后，故障復(fù)現(xiàn)，排除加速溢流活門工作異常。

3.6 壓比調(diào)節(jié)器

加力接通后，壓比調(diào)節(jié)器解除自鎖控制噴口滑油泵斜盤角度，控制噴口作動(dòng)筒供油壓力控制噴口大小。更換壓比調(diào)節(jié)器后，故障排除，確定為壓比調(diào)節(jié)器工作異常導(dǎo)致加力燃燒室喘振。

1）對(duì)故障件分解檢查，發(fā)現(xiàn)輔助調(diào)節(jié)螺釘錐面積炭，錐面截面積增大，相當(dāng)于將螺釘擰入，減小了氣流流通面積，動(dòng)力活塞左移，噴口滑油泵斜盤角度增大，供油壓力升高，噴口作動(dòng)筒活塞左移，噴口收小，加力燃燒室壓力升高，發(fā)生喘振。

2）對(duì)積炭的輔助調(diào)節(jié)螺釘和與之配合的殼體進(jìn)行清洗，重新裝配壓比調(diào)節(jié)器后進(jìn)行性能測(cè)試，性能滿足工藝要求；重新將壓比調(diào)節(jié)器安裝到原發(fā)動(dòng)機(jī)上，發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，未再發(fā)生加力喘振故障。因此，故障點(diǎn)定位在壓比調(diào)節(jié)器輔助調(diào)節(jié)螺釘錐面積炭。

4 結(jié)束語(yǔ)

本臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)故障原因是壓比調(diào)節(jié)器輔助調(diào)節(jié)螺釘錐面積炭，造成壓比調(diào)節(jié)器工作異常，最終導(dǎo)致加力燃燒室喘振。結(jié)合本臺(tái)故障情況，對(duì)10臺(tái)在外場(chǎng)飛行和廠內(nèi)試車過程中發(fā)生加力喘振故障現(xiàn)象的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中有6臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)為調(diào)整螺釘積炭、螺紋亂扣和動(dòng)力活塞與襯套磨損造成壓比調(diào)節(jié)器故障導(dǎo)致喘振發(fā)生；2臺(tái)為伺服活門或控制加速溢流活門通斷活門卡滯，造成加速溢流活門故障，導(dǎo)致喘振發(fā)生；1臺(tái)為噴口作動(dòng)筒活塞磨損，導(dǎo)致活塞左右兩側(cè)通油，噴口無法迅速放大，最終發(fā)生喘振；1臺(tái)為空氣信號(hào)發(fā)生器卡滯，飛行狀態(tài)發(fā)生變化，P3下降，空氣信號(hào)發(fā)生器無法修正P3壓力，加力供油量增加，加力喘振。以上案例表明加力燃燒室喘振故障發(fā)生原因復(fù)雜，排故時(shí)需理清加力燃燒室喘振與噴口控制系統(tǒng)和加力燃油系統(tǒng)各附件之間的關(guān)系，綜合分析進(jìn)行排故。

第一，首先觀察故障現(xiàn)象，在加力啟動(dòng)瞬間，查看噴口是否有火球噴出，如有則說明加力燃燒室富油，應(yīng)更換加速溢流活門。

第二，如果加力喘振發(fā)生在飛行狀態(tài)改變時(shí)，檢查是否因空氣信號(hào)發(fā)生器無法修正P3壓力而導(dǎo)致加力燃油流量調(diào)節(jié)器供油量增加，如是，則更換空氣信號(hào)發(fā)生器。

第三，檢查加力工作過程中，噴口是否迅速放大，如果出現(xiàn)噴口移動(dòng)遲緩、卡滯，說明壓比調(diào)節(jié)器或噴口作動(dòng)筒無法正?？刂茋娍谝苿?dòng)，更換壓比調(diào)節(jié)器或噴口作動(dòng)筒。

作者簡(jiǎn)介

袁林，助理工程師，主要從事航空維修技術(shù)及技術(shù)管理工作。

那寶奇，助理工程師，主要從事航空維修技術(shù)及技術(shù)管理工作。

唐秀娟，高級(jí)工程師，主要從事航空維修技術(shù)管理工作。