某航空發(fā)動(dòng)機(jī)空中轉(zhuǎn)速異常上升故障分析*

■ 靜雨蔚 王日平 王小鵬 崔利豐 馮力 李鴻基/ 中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司

0 引言

在飛行包線內(nèi)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)隨著工作環(huán)境和工作狀態(tài)的變化，其氣動(dòng)熱力過(guò)程將發(fā)生很大的變化，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制的目的就是使其在任何變化的條件下都能穩(wěn)定、可靠地工作，并充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的性能效益[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)的減速過(guò)程與加速過(guò)程相反，操縱油門(mén)桿使供油量迅速減少，渦輪前燃?xì)鉁囟冉档?，渦輪功率小于壓氣機(jī)功率，發(fā)動(dòng)機(jī)從大轉(zhuǎn)速過(guò)渡到較小的轉(zhuǎn)速[2]。高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作對(duì)維持發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、保證發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)穩(wěn)定性和喘振裕度具有重要作用[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不受控時(shí)，在空中會(huì)給飛行員的操縱帶來(lái)困難，危及飛行安全。

1 故障情況及定位

1.1 故障現(xiàn)象

某型飛機(jī)跨晝夜飛行時(shí)，飛行員空中完成空戰(zhàn)動(dòng)作后正常返航，返場(chǎng)過(guò)程中飛行員報(bào)告“右發(fā)油門(mén)慢車(chē)，轉(zhuǎn)速不受控”，飛行員執(zhí)行推收油門(mén)、關(guān)斷綜合電子調(diào)節(jié)器、油門(mén)桿起動(dòng)等動(dòng)作，右發(fā)轉(zhuǎn)速始終無(wú)法退出中間狀態(tài)。最終關(guān)右發(fā)，飛機(jī)單發(fā)安全著陸。

1.2 n2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器工作原理

如圖1 所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器自動(dòng)保持高壓轉(zhuǎn)子的給定速度并按進(jìn)氣溫度修正，其功能靠改變主燃燒室的供油量來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。計(jì)量開(kāi)關(guān)的位置決定燃油供油量，而計(jì)量開(kāi)關(guān)的位置取決于主燃油泵調(diào)節(jié)器的離心調(diào)節(jié)器和綜合電子調(diào)節(jié)器。

圖1 n2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器工作原理圖

在節(jié)流工作狀態(tài)下高壓轉(zhuǎn)子n2的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)由離心調(diào)節(jié)器完成。在離心調(diào)節(jié)器的擺錘活門(mén)上，右邊作用著T1溫度修正下的油門(mén)給定力，左邊受離心式轉(zhuǎn)速傳感器配重的轉(zhuǎn)速反饋?zhàn)饔昧τ绊?，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器擺錘活門(mén)通過(guò)比較給定和反饋，輸出擺錘腔壓力并控制隨動(dòng)活塞位置，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。

1.3 故障樹(shù)

以“空中油門(mén)慢車(chē)轉(zhuǎn)速異常上升”為頂事件建立故障樹(shù)進(jìn)行排查（見(jiàn)圖2），排查結(jié)果如表1 所示。分析認(rèn)為可能的故障原因是主燃油泵調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能出現(xiàn)異常。

表1 故障樹(shù)底事件排查情況

圖2 “空中慢車(chē)轉(zhuǎn)速異常上升”故障樹(shù)

2 主燃油泵調(diào)節(jié)器問(wèn)題定位

2.1 故障樹(shù)

根據(jù)主燃油泵調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器工作原理，以“主燃油泵調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能異?！睘轫斒录⒐收蠘?shù)，共涉及12 個(gè)底事件，如圖3 所示。

圖3 “主泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能異常”故障樹(shù)

2.2 底事件排查及結(jié)論

在工業(yè)CT 檢查的基礎(chǔ)上，結(jié)合分解檢查情況，對(duì)故障樹(shù)底事件逐一進(jìn)行排查，結(jié)果如表2 所示。

表2 故障樹(shù)底事件排查情況

采用工業(yè)CT 機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行掃描，重點(diǎn)對(duì)故障樹(shù)涉及的部位進(jìn)行了分截面判讀，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器離心配重外罩變形，其他部位掃描未見(jiàn)異常，如圖4所示。

圖4 離心配重外罩變形

通過(guò)對(duì)“主燃油泵調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能異?！惫收蠘?shù)的12 個(gè)底事件逐一排查，排除了11 項(xiàng)底事件，1 項(xiàng)底事件不能排除，即離心配重張角限位。

同時(shí)在分解檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，α1指令杠桿一端（與n2換算轉(zhuǎn)速指令杠桿連接端）單側(cè)撥叉支臂斷裂（見(jiàn)圖5），其余未見(jiàn)異常。

圖5 α1指令杠桿撥叉單側(cè)支臂斷裂

初步分析認(rèn)為，α1指令杠桿一端單側(cè)撥叉斷裂部分在本架次發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中卡滯在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器離心配重外罩與支座之間，擠壓離心配重外罩，導(dǎo)致離心配重張角限位。外場(chǎng)故障定位于“α1指令杠桿一端單側(cè)撥叉斷裂”。

3 機(jī)理分析

3.1 轉(zhuǎn)速異常上升分析

該主燃油泵調(diào)節(jié)器α1指令杠桿撥叉斷裂，脫落的支臂在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中卡滯在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器離心配重外罩與支座之間，擠壓了離心配重外罩，使外罩產(chǎn)生嚴(yán)重向內(nèi)變形，阻礙了離心配重的正常張開(kāi)，導(dǎo)致離心配重反饋轉(zhuǎn)速偏低，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，直至被綜合電子調(diào)節(jié)器限制在中間狀態(tài)。飛行員多次推收油門(mén)，而單擺活門(mén)始終處于關(guān)閉狀態(tài)，轉(zhuǎn)速控制器無(wú)法調(diào)節(jié)計(jì)量活門(mén)開(kāi)度，轉(zhuǎn)速不隨動(dòng)，被迫關(guān)車(chē)。

3.2 撥叉斷裂分析

針對(duì)導(dǎo)致α1指令杠桿撥叉斷裂的機(jī)理，開(kāi)展原因分析。

經(jīng)分析，撥叉在鑄造熔煉澆注過(guò)程中，有氧化膜夾渣卷入，造成撥叉支臂存在原始鑄造缺陷；由于缺陷為薄膜狀的內(nèi)部缺陷，且尺寸較小，后續(xù)進(jìn)行磁粉檢測(cè)和X 射線檢測(cè)時(shí)均未被檢出；在裝配過(guò)程中，鎖片鉗一側(cè)鉗口擠壓α1指令杠桿撥叉，使缺陷部位受異常外力而發(fā)生過(guò)載斷裂。

4 問(wèn)題復(fù)現(xiàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

驗(yàn)證α1指令杠桿撥叉鑄造缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，按照斷裂分析，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，生產(chǎn)試驗(yàn)爐撥叉，復(fù)現(xiàn)撥叉斷裂。

4.2 試驗(yàn)方案

采用不同狀態(tài)（正常工藝+復(fù)現(xiàn)模擬）生產(chǎn)澆注的撥叉鑄件，線切割去除撥叉兩側(cè)支臂中間內(nèi)澆道后進(jìn)行破壞性驗(yàn)證（使用鎖片鉗夾持撥叉支臂外側(cè)向內(nèi)按壓），復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)流程如圖6 所示。

圖6 撥叉斷裂復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)流程

4.3 試驗(yàn)結(jié)論

斷裂撥叉的斷裂宏觀形貌、能譜分析與受力方向均與故障件高度相似，且該件的磁粉和目視檢測(cè)合格，X 光檢測(cè)中有線性顯示。

綜上，試驗(yàn)件缺陷特征與故障件基本一致，通過(guò)鎖片鉗施加側(cè)向力后，試驗(yàn)件在相同部位（一側(cè)支臂）出現(xiàn)斷裂，本次故障復(fù)現(xiàn)。

5 糾正措施、驗(yàn)證及完成情況

1）改用硅溶膠制殼工藝（硅溶膠型殼焙燒溫度比現(xiàn)行工藝提高約250℃，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)挑殼澆注，避免型殼轉(zhuǎn)移過(guò)程中溫度降低），通過(guò)硅溶膠制殼工藝實(shí)現(xiàn)型殼澆注時(shí)的溫度提升。

實(shí)測(cè)硅溶膠模殼的烘烤溫度為1150℃。澆注前，模殼從焙燒爐挑出后直接澆注，澆注時(shí)測(cè)量模殼型腔溫度為960℃～1050℃。

2）筒形澆包改為“茶壺”狀澆包，控制熔煉過(guò)程中產(chǎn)生的氧化膜夾渣在澆注過(guò)程中進(jìn)入型殼的機(jī)率。

采用茶壺包轉(zhuǎn)包澆注后，金屬液從底部開(kāi)始澆注，金屬液內(nèi)部熔渣及氧化物上浮至金屬液表面，澆注過(guò)程中液面下降時(shí)，熔渣及氧化物始終在液面上方，隨金屬液澆注進(jìn)型殼內(nèi)部的可能性大幅降低。

3）對(duì)鑄件澆注系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，將澆注系統(tǒng)改進(jìn)為金屬液?jiǎn)蜗蜻M(jìn)入鑄件型腔，便于熔渣上浮。

對(duì)改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)金屬液填充過(guò)程進(jìn)行模擬，單澆道澆注系統(tǒng)能避免金屬液回流，提高排渣能力，減少氧化膜夾渣缺陷的產(chǎn)生概率。

4）優(yōu)化X 射線透照角度，增加上下傾斜約30°透照，提高缺陷檢出率。

a.原工藝拍照方式為平拍照，不利于厚度小于100μm 且平行于射線束方向的片狀缺陷的檢出。將零件上下傾斜30°左右拍照，增大片狀缺陷在膠片上的投影面積，有利于缺陷的檢出。

b.對(duì)撥叉進(jìn)行平拍和上下傾斜30°的拍照對(duì)比試驗(yàn)。320 件撥叉中，172件合格，148 件不合格。兩種拍照發(fā)現(xiàn)的缺陷數(shù)量、部位、影像等基本一致，只有4 件存在差異。部分零件上下傾斜30°拍照的影像比平拍拍照的影像更能清晰判定缺陷，說(shuō)明傾斜一定角度利于部分缺陷的檢出。

5）采用小焦點(diǎn)射線機(jī)進(jìn)行撥叉X射線檢測(cè)，提高檢測(cè)靈敏度。

對(duì)135 件撥叉進(jìn)行0.4/4mm 焦點(diǎn)比對(duì)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)缺陷數(shù)量、部位、影像等基本一致，均符合HB5001-Ⅱ，B 級(jí)驗(yàn)收要求。

因零件中無(wú)介于兩種焦點(diǎn)靈敏度邊界的缺陷，故兩種焦點(diǎn)的零件檢測(cè)無(wú)差異。通過(guò)像質(zhì)絲號(hào)比對(duì)試驗(yàn)，兩種焦點(diǎn)均可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的16# 絲，小焦點(diǎn)對(duì)高靈敏度17# 絲和18# 絲所呈影像的清晰度優(yōu)于大焦點(diǎn)，更利于微小缺陷的檢出。

6）配備磁粉檢測(cè)輔助工裝，便于撥叉類小型零件的檢測(cè)。

現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備為CDG-6000 型設(shè)備，其磁粉探傷機(jī)為了兼顧所有零件的檢測(cè)條件配備了大小兩個(gè)電極，由于小電極在檢測(cè)撥叉類零件時(shí)效率低下，因此對(duì)小電極及其余輔助工裝進(jìn)行改進(jìn)，以提升現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效率。小電極由原氣動(dòng)夾持更改為彈簧式夾持，提升了操作的便捷性和檢測(cè)效率。

7）完善鎖片裝配工藝，明確了鎖片鉗使用方法及注意事項(xiàng)。

8）優(yōu)化鎖片鉗，對(duì)鉗口兩側(cè)棱邊進(jìn)行倒圓處理，避免使用中損傷零組件，同時(shí)增加了鉗口中間的有效空間。使用優(yōu)化后的鎖緊鉗子對(duì)低壓杠桿螺套處進(jìn)行鎖緊，鎖緊鉗與撥叉無(wú)干涉。

上述改進(jìn)措施貫徹后，主燃油泵調(diào)節(jié)器通過(guò)了長(zhǎng)試考核，交付外場(chǎng)使用兩年來(lái)再未發(fā)生同類故障。

6 結(jié)論

通過(guò)機(jī)理分析、過(guò)程復(fù)查、理化分析、故障模擬試驗(yàn)等工作，分析造成本次某飛機(jī)空中右發(fā)轉(zhuǎn)速異常上升被迫關(guān)車(chē)的原因是：主燃油泵調(diào)節(jié)器α1指令杠桿一側(cè)撥叉斷裂脫落，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，脫落部分卡滯在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器離心配重外罩與支座之間，擠壓離心配重外罩，使離心配重張開(kāi)角度受到限制。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器控制計(jì)量活門(mén)開(kāi)大，供油量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速異常上升，直至被綜合電子調(diào)節(jié)器控制在中間狀態(tài)。

α1指令杠桿撥叉斷裂原因是：撥叉熔煉澆注過(guò)程中有氧化膜夾渣卷入，形成原始鑄造缺陷，加之鎖片鉗使用方向在工藝中未明確，鎖片鉗擠壓撥叉，導(dǎo)致開(kāi)裂，產(chǎn)品在出廠調(diào)試過(guò)程中斷裂脫落。

針對(duì)故障原因，制定了如下措施：撥叉毛坯澆注采用硅溶膠制殼、“茶壺”狀澆包；采用小焦點(diǎn)X 射線機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，增加X(jué) 射線透照角度；明確鎖片鉗使用方向工藝要求等，可有效防止該類故障發(fā)生。