某型發(fā)動機(jī)喘振上邊界轉(zhuǎn)速不符合規(guī)定故障研究

馬勁夫 李乾坤

摘要：針對某型航空發(fā)動機(jī)在地面測喘過程中發(fā)生喘振上邊界轉(zhuǎn)速不符合規(guī)定的故障，對故障產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，以防止此類故障再次發(fā)生。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；壓氣機(jī)；喘振；葉片型面；裝配間隙

Keywords：aero-engine；compressor；surge；blade surface；assembly clearance

0 引言

航空發(fā)動機(jī)喘振故障是指壓氣機(jī)工作不正常的現(xiàn)象，空氣流量下降，氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)時攻角增大，當(dāng)流量減少到一定程度時，流入動葉的氣流攻角大于設(shè)計值，導(dǎo)致氣流在葉片葉背分離嚴(yán)重，產(chǎn)生大量渦流，發(fā)生喘振。

喘振故障往往對發(fā)動機(jī)造成很大危害，通常伴隨發(fā)動機(jī)聲音由尖哨轉(zhuǎn)變?yōu)榈统?；有?qiáng)烈的機(jī)械振動；轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，推力減??；排氣溫度升高，造成超溫現(xiàn)象等問題發(fā)生，嚴(yán)重時引起發(fā)動機(jī)熄火停車。如果不立即采取措施，發(fā)動機(jī)各部件都將因振動而造成嚴(yán)重的變形，導(dǎo)致毀壞。出現(xiàn)喘振現(xiàn)象應(yīng)立即退出這一狀態(tài)，一般在地面試車時采取緊急停車的做法。研究喘振故障對保證飛行安全有著重要意義。

1 故障現(xiàn)象

某型發(fā)動機(jī)進(jìn)行清洗、測喘工作，試車檢查發(fā)現(xiàn)該型發(fā)動機(jī)喘振上邊界轉(zhuǎn)速為3656r/min（按當(dāng)時大氣溫度計算，3630r/min為正常），出現(xiàn)了一起發(fā)動機(jī)喘振上邊界轉(zhuǎn)速不符合規(guī)定的故障。

2 機(jī)理分析

由于該型發(fā)動機(jī)為單轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，相比于其他渦噴發(fā)動機(jī)來說喘振裕度較小，外場使用過程中喘振故障時有發(fā)生。為了防止喘振故障，在壓氣機(jī)第三級與第四級之間設(shè)計了放氣帶。當(dāng)發(fā)動機(jī)在3800+50r/min以下工作時，放氣機(jī)構(gòu)自動將放氣帶打開，放出壓縮空氣，以增大壓氣機(jī)前端的空氣流量，使空氣進(jìn)入方向不會過陡，避免氣流嚴(yán)重分離，從而防止喘振。

在發(fā)動機(jī)出廠時要嚴(yán)格控制發(fā)動機(jī)喘振上界轉(zhuǎn)速。具體檢查方法為：試車檢查發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作裕度，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速推至3900+100r/min，穩(wěn)定工作1～2min后接通放氣帶手動開關(guān)，關(guān)閉放氣帶，勻速緩慢地收油門桿，將轉(zhuǎn)速修正至標(biāo)準(zhǔn)臨界轉(zhuǎn)速（通過安裝在廠房內(nèi)的溫度傳感器測出大氣溫度，按相應(yīng)的計算公式計算出臨界標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速），檢查發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作情況。此時應(yīng)重點(diǎn)檢查發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪后燃?xì)鉁囟鹊淖兓?，聽檢發(fā)動機(jī)聲音，當(dāng)出現(xiàn)異常聲音、轉(zhuǎn)速突然下降、渦輪后燃?xì)鉁囟韧蝗簧仙龝r，應(yīng)立即打開放氣帶手動開關(guān)放氣，同時將油門桿拉停。發(fā)動機(jī)在臨界標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速0～-15r/min范圍內(nèi)穩(wěn)定工作3min，期間不發(fā)生喘振故障，則發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作裕度符合要求。外場發(fā)動機(jī)測喘工作與上述原理相同。

因此，在廠內(nèi)嚴(yán)格控制發(fā)動機(jī)喘振上邊界轉(zhuǎn)速的前提下外場測喘時仍發(fā)生喘振上邊界轉(zhuǎn)速不符合規(guī)定的根本原因是壓氣機(jī)效率降低、渦輪效率降低等。

2.1 壓氣機(jī)效率降低

該型發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)前6級轉(zhuǎn)子葉片為鋁葉片，容易在飛機(jī)使用過程中被小砂石打傷、變形、掉漆。壓氣機(jī)葉片損傷、葉片表面光潔度受損、葉片型面變形都會使流動阻力增大，造成壓氣機(jī)效率降低，增壓能力變差，增壓比降低，出口空氣流量減小。另外，發(fā)動機(jī)進(jìn)廠修理后，多次的拋修將造成葉片型面偏離設(shè)計值，也會導(dǎo)致壓氣機(jī)效率有所降低。

2.2 渦輪效率降低

渦輪葉片、渦輪導(dǎo)向器葉片損傷和變形等表面故障會引發(fā)渦輪效率降低，使渦輪功率減小，轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，為維持轉(zhuǎn)速不變，必須增加供油量，提高渦輪前溫度。在同等條件下，供油量維持不變，則轉(zhuǎn)速減小，空氣量減小，渦輪前溫度急劇提升。渦輪前溫度提升，將造成流動阻力增大，使得空氣流量減小，壓氣機(jī)喘振區(qū)域擴(kuò)大，喘振上限轉(zhuǎn)速增大，如圖1所示。

2.3 發(fā)動機(jī)其他機(jī)件變形、裂紋

發(fā)動機(jī)在使用過程中燃燒室出現(xiàn)變形、裂紋后，會增大氣流損失，導(dǎo)致燃燒室出口總壓力下降，使流過渦輪導(dǎo)向器的空氣流量減小，影響渦輪效率。尾噴管存在變形、裂紋故障也會影響發(fā)動機(jī)喘振上邊界轉(zhuǎn)速。

2.4 發(fā)動機(jī)設(shè)計原因

由于該型發(fā)動機(jī)為早期設(shè)計的單轉(zhuǎn)子噴氣式發(fā)動機(jī)，設(shè)計裕度小，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)喘振上邊界轉(zhuǎn)速問題重復(fù)發(fā)生。

3 故障排查

通過以上分析，對返廠檢查的一臺該型發(fā)動機(jī)進(jìn)行分解檢查發(fā)現(xiàn)，該發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)1至6級轉(zhuǎn)子部分葉片存在輕微打傷，3片葉片型面不滿足工藝要求。

從廠內(nèi)外的喘振故障統(tǒng)計來看，近幾年該型發(fā)動機(jī)喘振上邊界轉(zhuǎn)速不符合規(guī)定故障多發(fā)生于1000h以上發(fā)動機(jī)中，該故障機(jī)的使用壽命約為1041h。

根據(jù)故障現(xiàn)象及廠內(nèi)外檢查情況，結(jié)合歷史故障統(tǒng)計，認(rèn)為本次故障發(fā)生的根本原因是：該型發(fā)動機(jī)為早期設(shè)計的單轉(zhuǎn)子噴氣式發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)喘振裕度小，隨著發(fā)動機(jī)使用時間的增加，葉片型面發(fā)生變化，氣流在葉背表面發(fā)生分離，壓氣機(jī)效率降低，性能衰減，造成喘振上邊界轉(zhuǎn)速不符合規(guī)定。

4 預(yù)防措施

由于該型發(fā)動機(jī)喘振裕度小，雖然設(shè)計了中間級放氣裝置，但是喘振上邊界轉(zhuǎn)速不符合規(guī)定問題一直未得到有效解決。根據(jù)發(fā)動機(jī)設(shè)計特點(diǎn)及喘振原因，在修理過程中可對以下環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。

1）當(dāng)壓氣機(jī)在非設(shè)計狀態(tài)工作時，將進(jìn)口導(dǎo)流葉片旋轉(zhuǎn)一定角度，發(fā)動機(jī)進(jìn)口預(yù)旋量相應(yīng)改變，從而使第一級工作葉片氣流的攻角恢復(fù)到接近設(shè)計狀態(tài)的數(shù)值，消除葉背上氣流分離，可避免喘振現(xiàn)象的發(fā)生。該型發(fā)動機(jī)前機(jī)匣導(dǎo)流葉片雖然在使用過程中不能轉(zhuǎn)動，但是在修理過程中通過對安裝角進(jìn)行控制，并對葉尖進(jìn)行扭角，可在很大程度上提高發(fā)動機(jī)喘振裕度。

2）控制壓氣機(jī)葉片型面。由于壓氣機(jī)1至6級轉(zhuǎn)子葉片及壓氣機(jī)靜子葉片均為鋁葉片，在使用一次翻修壽命后，葉片表面經(jīng)常存在損傷、腐蝕等故障，常用拋修手段來恢復(fù)葉片狀態(tài)，但是經(jīng)過多次拋修后，葉片型面偏離設(shè)計值，導(dǎo)致壓氣機(jī)效率降低。因此，翻修過程中應(yīng)該對葉片的型面、粗糙度、波紋度、弦長、減薄量等要求進(jìn)行控制，特別是對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子1至3級轉(zhuǎn)子葉片，更應(yīng)嚴(yán)格把控型面、粗糙度、波紋度等要求，避免過度修理，破壞型面。

3）控制壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)匣間隙。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉尖間隙每增大1%，壓氣機(jī)效率下降約1%～2%。在保證壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)匣間隙符合要求的同時，盡量將間隙控制在中線范圍內(nèi)。

4）在發(fā)動機(jī)裝配過程中，控制渦輪葉片與導(dǎo)向器之間的間隙。

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作者簡介

馬勁夫，助理工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)主體維修工作。