某發(fā)動機防喘系統(tǒng)IGV 擺動故障與研究

楊浩偉 潘 早 王 沛

（慶安集團有限公司，陜西 西安 710077）

1 課題背景與研究意義

自渦輪發(fā)動機問世以來，發(fā)動機喘振就引起人們的廣泛關注，喘振一直嚴重地干擾著發(fā)動機的發(fā)展，發(fā)動機喘振時，可能使壓氣機葉片被打壞，其次渦輪前溫度急劇上升，使渦輪葉片過熱而損壞，最終可能導致發(fā)動機損壞，對飛機安全構成威脅。航空發(fā)動機防喘技術主要有兩個方面：一是改進發(fā)動機結構設計以預防喘振；二是設計防喘調節(jié)控制系統(tǒng)。本文圍繞發(fā)動機防喘調節(jié)系統(tǒng)的故障進行分析和研究，使防喘調節(jié)系統(tǒng)能夠保質保量生產(chǎn)、飛行中能夠穩(wěn)定可靠工作。

目前，現(xiàn)役型號航空發(fā)動機防喘調節(jié)系統(tǒng)均采用機械液壓調節(jié)器，俄制發(fā)動機也以機械液壓調節(jié)器為主。機械液壓調節(jié)器技術成熟、可靠性高，特別是引入三維凸輪等計算裝置，使機械液壓調節(jié)器功能也比較強大，能夠完成復雜、高性能控制任務。但是機械液壓調節(jié)器結構非常復雜，一般有接受發(fā)動機溫度信號和轉速信號的指令形成裝置、電壓指令變?yōu)闄C械信號的轉換裝置、轉速信號轉為旋轉力矩的飛重裝置、控制活門、作動筒、杠桿機構、反饋凸輪等組成。一旦發(fā)生故障，很難找到關鍵點，排除故障。某發(fā)動機防喘調節(jié)系統(tǒng)常見故障有IGV 擺動等。本課題正是基于這種背景提出來的。

2 防喘調節(jié)器的工作原理

2.1 防喘調節(jié)器的工作原理

防喘調節(jié)器用于發(fā)動機的防喘調節(jié)系統(tǒng)，是防喘系統(tǒng)的中樞裝置，每臺發(fā)動機裝一臺產(chǎn)品，它安裝在發(fā)動機高速齒輪箱的前面，由高速齒輪箱傳動。

如圖1 所示，在發(fā)動機工作時，防喘調節(jié)器在發(fā)動機進口空氣溫度T1 電壓信號和發(fā)動機高壓壓氣機轉速NH 信號的共同作用下，操縱防喘作動筒輸出行程，調節(jié)高壓壓氣機進口導流葉片的進氣角度和放氣活門的開度，從而控制高壓壓氣機的空氣質量流量，防止發(fā)動機喘振。

圖1 防喘調節(jié)器工作原理圖

2.2 防喘調節(jié)器的控制系統(tǒng)結構分析

從控制系統(tǒng)角度分析，可以將防喘調節(jié)器的工作原理用如下系統(tǒng)方框圖描述。（圖2）

圖2 防喘調節(jié)器產(chǎn)品控制框圖

防喘調節(jié)器是一個典型的反饋控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)方框圖和工作原理可以看出，系統(tǒng)輸入為發(fā)動機轉速輸入和發(fā)動機入口溫度T1，系統(tǒng)輸出為作動筒行程輸出。

系統(tǒng)存在兩個反饋閉環(huán)，其一為溫度信號機構中采集搖臂轉角反饋到溫控放大器、經(jīng)溫控放大器結合溫度輸入處理后給出電機電壓輸入信號，形成閉環(huán)，在此稱為T1 溫度閉環(huán)；其二為力反饋機構采集作動筒行程反饋到分油活門機構受力輸入端，形成閉環(huán)，在此稱為主閉環(huán)。

在整個系統(tǒng)中，溫度閉環(huán)的反饋和溫控放大器由其它廠家設計，反饋參數(shù)也不受本系統(tǒng)控制，因此對于主閉環(huán)來說，我們只能認為溫度輸入部分是一個近似線性的、有可以調初值的放大環(huán)節(jié)。

防喘調節(jié)器安裝在發(fā)動機上時的外部工作條件十分復雜，在此不做過多闡述，而廠內進行測試時，由試驗臺和產(chǎn)品組成的試驗系統(tǒng)的條件是可知并且可控的。

圖3 給出了防喘調節(jié)器試驗系統(tǒng)的控制框圖。在發(fā)動機轉速輸入端的信號改為由一個小閉環(huán)系統(tǒng)控制輸出的信號，同時增加了高壓油壓力控制閉環(huán)，其輸出作為防喘調節(jié)器液壓系統(tǒng)的輸入，這兩處改變均是因為加入了試驗臺后這兩處信號由未知變?yōu)橐阎?，由不可控變?yōu)榭煽?。產(chǎn)品在試驗臺實際運行時，試驗臺和產(chǎn)品的組件之間存在相互交叉借用的關系，由此可知分析防喘調節(jié)器的IGV 擺動故障問題，只單純地研究防喘調節(jié)器本身是不夠的，然而由于對試驗臺參數(shù)和數(shù)據(jù)的掌握有限以及本論文篇幅有限，對完整的控制系統(tǒng)的分析和仿真在此不做研究。

圖3 防喘調節(jié)器試驗系統(tǒng)控制框圖

3 故障現(xiàn)象及故障原因分析

3.1 防喘調節(jié)系統(tǒng)IGV 擺動故障描述

發(fā)動機防喘調節(jié)系統(tǒng)IGV 擺動現(xiàn)象是指當防喘調節(jié)器在廠內進行空載狀態(tài)下的性能調試時，試驗臺上的防喘作動筒活塞桿高頻抖動(也叫自振，外場表現(xiàn)為IGV 擺動)，抖動量大于±0.18mm 的技術要求（可通過活塞桿上連接的測量百分表觀察到）。有時，由于表針的擺動頻率很高，眼睛很難分辨指針。嚴重時，試驗臺與產(chǎn)品一體共振。通常，活塞桿的自振頻率隨轉速升高而升高。

3.2 IGV 擺動故障的影響因素分析

對自振現(xiàn)象不同分類的控制理論解釋：

從自振現(xiàn)象和系統(tǒng)組成分析結果可以看出，本防喘調節(jié)器系統(tǒng)是個典型的反饋系統(tǒng)，如果如前所述將溫度閉環(huán)看做放大環(huán)節(jié)，則系統(tǒng)是一個機械反饋系統(tǒng)。系統(tǒng)簡介中提到的英國設計人員采用的是用工藝保設計的思路，從控制系統(tǒng)角度可描述為反饋控制系統(tǒng)具有較小的穩(wěn)定裕度和魯棒性。系統(tǒng)的自振現(xiàn)象中，大擺幅自振是典型的控制系統(tǒng)不穩(wěn)定導致的發(fā)散現(xiàn)象，小擺幅自振是典型的控制系統(tǒng)臨界穩(wěn)定導致的等幅振蕩現(xiàn)象。

反之，如果將系統(tǒng)參數(shù)變化引起的不確定性也等效為干擾，結合主閉環(huán)輸入信號的干擾，則可以通過設計較高的穩(wěn)定裕度來保證系統(tǒng)在存在干擾的情況下的穩(wěn)定性。

因此，本產(chǎn)品對于系統(tǒng)參數(shù)變化的敏感性的根本原因是系統(tǒng)具有較小的穩(wěn)定裕度。

4 驗證試驗

4.1 振動測試

防喘調節(jié)器IGV 擺動故障的主要表現(xiàn)形式是輸出作動筒按照一定的頻率振動，為了排除按照固有自振頻率振動的可能和找到振動源，研究人員使用專業(yè)儀器對試驗臺和產(chǎn)品進行了振動測試。

具體執(zhí)行中，通過對防喘作動器工裝、殼體、活塞桿以及百分表等部位布置加速度傳感器，測試各部位振動情況，得到頻率分布狀況，為故障定位提供數(shù)據(jù)支撐。

對測得的數(shù)據(jù)進行頻譜分析，結合圖4 機械傳動機構示意圖，可以發(fā)現(xiàn)作動筒輸出端和試驗臺上各點的振動不隨發(fā)動機轉速的改變而改變，并且振動基頻近似為電源公頻頻率；防喘調節(jié)器殼體上與彈簧壓縮方向同向的傳感器測得的信號的基頻與發(fā)動機轉速換算到防喘調節(jié)器輸入端的轉動頻率相同，并且頻譜顯示的另外兩個峰值分別是的基頻的三倍頻和五倍頻。

由以上結果可以得出以下結論：

彈簧的固有振動和受迫振動不是防喘調節(jié)器防喘作動筒的輸出振動的主因。

發(fā)動機轉速輸入軸的轉速是彈簧受迫振動的激勵源，因為彈簧位于防喘調節(jié)器系統(tǒng)的反饋回路中，其由發(fā)動機轉速引起的高頻振動可以看作為系統(tǒng)的噪聲進入系統(tǒng)，會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定的影響。（圖4）

圖4 機械傳動機構示意圖

4.2 修改活門搭接量測試

由本文理論分析部分的結論，增大活門搭接量會導致活門油路切換時間變長，進而等效增大系統(tǒng)阻尼。本產(chǎn)品在以往的生產(chǎn)和研究過程中曾多次修改圖紙中的活門搭接量，以此來緩解作動筒輸出的振蕩問題。

通過對試驗結果的分析和借鑒以往的研究和排故結果可以證明，在一定范圍內增大活門搭接量可以有效改善防喘調節(jié)器作動筒輸出的振蕩現(xiàn)象，但搭接量增大到一定數(shù)值時，這個改善效果變得不再明顯。

增大活門搭接量對系統(tǒng)振蕩問題的效果有上限的原因在于增大搭接量雖然增大了系統(tǒng)阻尼從而減小系統(tǒng)振蕩幅值，但增大活門搭接量導致了活門組件對指令信號的反應速度變慢，進而降低了系統(tǒng)帶寬，影響了整個控制系統(tǒng)的性能。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特性本就是一個多因素折衷的結果，一味地調整某個參數(shù)對系統(tǒng)性能的改善作用是有限的，進一步地需要多個因素相結合，才能有所突破。

4.3 修改彈簧剛度測試

前期分析結果表明彈簧剛度對系統(tǒng)的動態(tài)特性有直接的影響，因此選取了5 個彈簧進行了剛度測試，并將已知剛度數(shù)據(jù)的彈簧安裝到同一臺故障產(chǎn)品上進行試驗。

其中1-4 號彈簧的結果與理論分析結果相符，即（轉下頁）剛度系數(shù)較小的彈簧對應的作動筒輸出振幅較小，而5 號彈簧的結果與理論分析結果相反。目前無法證實5 號彈簧的測試結果的不一致性的原因，因此根據(jù)5 個彈簧的試驗結果無法得出具有足夠可信度的試驗結論，后續(xù)如果條件允許，可以加大試驗樣本數(shù)量開展進一步的測試與研究。

5 結果分析

本文根據(jù)理論分析和仿真計算的結果設計并開展了四個驗證試驗，其中，振動測試是對全系統(tǒng)特性的一次完整的掃描，雖然沒有得出彈簧是系統(tǒng)輸出自振的主因的結論，但仍通過對系統(tǒng)頻譜特性的分析加深了對防喘調節(jié)器系統(tǒng)的認識；彈簧剛度對系統(tǒng)特性的影響的試驗結果不能形成對理論的支持，但去除個別產(chǎn)品之外，彈簧對系統(tǒng)性能總的影響趨勢還是比較明晰的，并且也符合理論分析的預期；活門搭接量測試和飛重組件平衡力測試兩個試驗則完美地驗證了本文理論分析與仿真計算的結果，不過，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，研究者發(fā)現(xiàn)之前建立的仿真模型的參數(shù)存在著偏差，我們利用試驗數(shù)據(jù)對仿真模型進行了適當?shù)男拚沟眯拚蟮哪Ｐ团c實際系統(tǒng)的誤差更小。

由于課題研究時間和條件有限，本文對防喘調節(jié)系統(tǒng)IGV 擺動故障的研究還有很多不足，比如彈簧剛度對系統(tǒng)性能的影響的測試結果并沒有與理論分析的結果相呼應，主要原因在于測試樣本過少導致測試野值對結果產(chǎn)生影響，在后續(xù)的工作中需要進一步積累產(chǎn)品試驗數(shù)據(jù)，以期得到具有足夠可信度的結論，在后續(xù)工作中可以根據(jù)情況創(chuàng)造試驗條件進行試驗，以求對前文理論分析和仿真分析的結果進行驗證。