某引進型發(fā)動機喘振故障研究

劉芳明，蔣永寧，王章瑞，楊益

某引進型發(fā)動機喘振故障研究

劉芳明1，蔣永寧1，王章瑞1，楊益2

（1.成都國營錦江機器廠，四川 成都 610043，2.西南交通大學 軌道交通運載系統(tǒng)全國重點實驗室，四川 成都 610043）

針對某引進發(fā)動機在外場使用過程中出現(xiàn)頻次較高的喘振故障問題，基于發(fā)動機結構圖解和放氣活門在不同工況下的作動機制，闡釋了該型發(fā)動機壓氣機的工作原理，并結合壓氣機壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，深入剖析發(fā)動機喘振故障的產(chǎn)生原因，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機喘振故障主要是由于壓氣機前氣壓紊亂引起。為降低該發(fā)動機故障發(fā)生幾率，進一步研究了發(fā)動機喘振故障的主要特征和表現(xiàn)形式，并基于此提出了一套新工藝方法和預防措施。本研究可為維護航空發(fā)動機的正常工作以及保障發(fā)動機在使用過程中的可靠性和安全性提供參考。

發(fā)動機；喘振故障；放氣活門；氣壓紊亂；可靠性；安全性

喘振是航空發(fā)動機在運行時遇到不正常現(xiàn)象，氣流沿著機體軸線方向發(fā)生振動，誘發(fā)發(fā)動機振動，導致發(fā)動機降低轉速、輻射噪聲[1-3]。近幾年某型發(fā)動機喘振問題突出，直接影響發(fā)動機性能及飛行安全，其年累計發(fā)生次數(shù)在10次以上，故障率較高。國內(nèi)外一些學者對航空發(fā)動機振動問題進行了一定研究，Saran[4]構建了BR710型號航空發(fā)動機整機有限元模型，分析了靜剛度對發(fā)動機的影響。Philip[5]根據(jù)梁單元構建了航空發(fā)動機整機動力學模型，引入非線性滾動軸承的影響加以分析。Vincente等[6]采用三維殼單元對航空發(fā)動機整機構建了有限元模型，與實驗結果進行對照，討論了沖擊載荷下機體振動水平。臧朝平等[7]討論了超模型仿真和實驗數(shù)據(jù)的實驗驗證概念和方法，研究了航空發(fā)動機的模型驗證策略。羅貴火等[8]以某型航空發(fā)動機為基礎建立了機體模型，并采取仿真與實驗相結合的方法研究了機艙的振動模態(tài)。但是，國內(nèi)外學者針對航空發(fā)動機的喘振問題研究還相對較少。

本文圍繞某型發(fā)動機的喘振問題，通過對故障進行研究，分析其故障原因，總結喘振問題的檢查及排除方法，研究喘振問題的維護方法及預防措施，從而降低發(fā)動機喘振故障率，提升直升機飛行安全裕度。重點對該型發(fā)動機喘振故障產(chǎn)生的原因作了分析，并研究出一套科學合理的工藝方法，對該型發(fā)動機的維護使用具有較強的指導意義。

1 發(fā)動機壓氣機工作分析

1.1 喘振現(xiàn)象分析

喘振是指發(fā)動機壓氣機氣流發(fā)生分離而造成氣流回流，氣流來回運動，沿壓氣機軸線方向產(chǎn)生高振幅或低振幅的振蕩。直升機飛行時，發(fā)動機的壓氣機軸線方向產(chǎn)生振蕩，產(chǎn)生劇烈聲響，其渦輪溫度迅速上升，扭矩明顯下降，影響直升機穩(wěn)定運行。喘振現(xiàn)象發(fā)生時，直升機機身自身振動振幅不大，但會導致嚴重的壓氣機工作失穩(wěn)問題，其導流葉片與工作葉片間形成湍流，氣體分離，從而引起發(fā)動機內(nèi)部空氣的劇烈振動。因為發(fā)動機內(nèi)部氣流壓力和速度變化梯度較大，導致空氣從進氣裝置噴射流出，使得壓氣機內(nèi)壓強較低，從而影響燃氣渦輪的正常工作。同時，氣體流動導致渦聲效應，與結構本身的振動發(fā)聲疊加，誘發(fā)劇烈的噪聲問題。所以，在直升機飛行過程中，要盡可能避免喘振問題的發(fā)生。該型發(fā)動機壓氣機設計了防喘系統(tǒng)，該系統(tǒng)又稱預旋渦系統(tǒng)[9]，即在機匣上裝有電子放氣活門及活塞式活門，并在進氣機匣支柱上設計了一定角度的預旋氣流孔，通過放氣活門及活塞式活門的工作可改變空氣流向壓氣機的相對角度，提高在低壓氣機速度條件下的喘振裕度[10]。

當放氣活門打開時，經(jīng)過放氣活門調(diào)整的額定壓力P2.5（來自P2.5閥門）空氣流入機匣中空支柱中的預旋氣流孔，產(chǎn)生P2.5空氣噴射流，使吸入空氣在達到壓氣機之前形成漩渦，并沿著壓氣機旋轉的方向旋轉，使得空氣更容易進入，增加（補償）了壓氣機在低速時的空氣吸入量，從而提高在低壓氣機速度條件下的喘振裕度[11]。

綜上可以看出，壓氣機放氣活門是調(diào)整壓氣機喘振裕度的核心機件[12]。

1.2 放氣活門工作機理

如圖1、圖2所示，該型發(fā)動機放氣活門主要包括安裝座內(nèi)側有彈簧作用的活塞滑塊、懸浮隔膜、用于P3空氣過濾的濾網(wǎng)、帶力矩馬達的電動活門。

圖1 發(fā)動機放氣活門三維視圖

放氣活門工作原理為，兩個壓力（P、P2.5）作用于放氣活門活塞，P（調(diào)節(jié)后的P3壓力）或力矩馬達控制的壓力用于推動放氣活門活塞的關閉，壓氣機中間級區(qū)域P2.5壓力和內(nèi)部彈簧用于推動放氣活門活塞的打開。

FROM EEC（Electronic Engine Controller）：來自發(fā)動機電控。

放氣活門的開度由活塞位置決定?；钊谡{(diào)節(jié)壓力P（調(diào)節(jié)后的P3壓力）和P2.5壓力的控制下運動。在低壓氣機轉速下，由于P2.5比P高，活塞完全關閉，對應的是放氣活門處于完全打開狀態(tài)；隨著壓氣機轉速增高，P迅速增加，推動活塞向下移動，直至完全打開，對應的是放氣活門完全關閉[13]。

放氣活門打開和關閉的工作時機直接影響發(fā)動機工作性能。起動初期，放氣活門在氣控作用下，為了保證壓氣機進氣量，放氣活門處于打開狀態(tài)；隨著壓氣機轉速增加，為保證壓氣機進氣量與壓氣機轉速相匹配，放氣活門逐漸關閉；直至壓氣機在高轉速下，放氣活門的氣動控制系統(tǒng)退出工作，由電控系統(tǒng)進行控制。電調(diào)控制放氣活門的馬達扭矩從而調(diào)節(jié)活塞壓力P，抵消活塞的運動，實現(xiàn)調(diào)整發(fā)動機壓氣機轉速，使與進氣量匹配，進而控制發(fā)動機壓氣機的失速和加速[14]。

放氣活門關閉得早，壓氣機進氣量達不到壓氣機轉速的需求，使壓氣機前形成一定的反壓，導致壓氣機前氣壓紊亂，氣流會沿著壓氣機軸向發(fā)生低頻、高振幅的氣流震蕩，引起工作部件的強烈振動，產(chǎn)生連續(xù)低沉嘯聲，嚴重的會伴有放炮聲，故稱之為發(fā)動機“放炮”現(xiàn)象[15]，即為發(fā)動機喘振；放氣活門關閉得晚，電控系統(tǒng)無法介入工作，會造成壓氣機失速，即發(fā)動機電控系統(tǒng)失效。

2 發(fā)動機故障分析

該型發(fā)動機典型故障現(xiàn)象為當發(fā)動機在低壓氣機速度下，進入發(fā)動機空氣流量減少，如進氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作不正常，則出現(xiàn)上文提到的發(fā)動機喘振現(xiàn)象。喘振直接影響發(fā)動機工作安全，強烈的機械振動及共振會導致發(fā)動機機件產(chǎn)生裂紋，葉片斷裂，嚴重的會造成發(fā)動機失效、失火，直接影響地面試車、空中飛行安全。

該型發(fā)動機內(nèi)部空氣涵道較為復雜，故障調(diào)整排除難度較大。在故障分析過程中，應充分考慮結構及工作原理。故障排除涉及的關鍵技術包括放氣活門本體故障和調(diào)整故障。

（1）放氣活門本體故障（放氣活門故障率分析）

放氣活門的關閉點是發(fā)動機電調(diào)系統(tǒng)啟調(diào)的工作時機。由于大氣溫度直接影響空氣密度，進而影響壓氣機進氣量，所以調(diào)整放氣活門的關閉點應與大氣溫度相對應，這也是在換季時放氣活門故障率升高主要原因。另外，發(fā)動機在直升機上的安裝位置不同，會導致壓氣機進氣的環(huán)境不同，進而直接影響壓氣機的進氣量。所研究的直升機上裝有三臺發(fā)動機，其安裝位置如圖3所示。

圖3 發(fā)動機安裝位置

2號發(fā)動機安裝于機身后側，其進氣道位置并不是航向向前的，所以就進氣量而言，其進氣效果遠不如1號、3號。同時，2號受1號、3號排氣管排氣的影響較大，進口氣流不穩(wěn)定，加之吸入的空氣有部分1號、3號的尾氣，空氣質(zhì)量差，導致放氣活門故障率高。由以往故障放氣活門返廠修理的情況看，2號放氣活門懸浮隔膜出現(xiàn)老化裂紋或破裂的概率遠大于1號、3號，放氣活門懸浮隔膜主要損壞現(xiàn)象如圖4所示。

圖4 放氣活門懸浮隔膜損壞現(xiàn)象

對放氣活門的故障原因進行分析，其中四件懸浮隔膜出現(xiàn)老化裂紋或破裂，使得不密封不能正常調(diào)節(jié)放氣活門活塞上下腔的壓力，導致放氣活門失效。從日常維護情況看，這四件懸浮隔膜損壞均出現(xiàn)于換季時。直升機主要停放在露天環(huán)境，受空氣濕度影響較大。

放氣活門故障狀態(tài)下，懸浮隔膜工作面上會產(chǎn)生黑色碳化物顆，主要是燃燒室發(fā)生不完全燃燒，燃料中的碳元素燃燒后產(chǎn)生非常細小的碳顆粒，從而積碳增加。對于這樣的情況，需進行發(fā)動機“冷運轉”。

（2）放氣活門調(diào)整故障（放氣活門調(diào)整失效分析）

放氣活門失效原因為，調(diào)節(jié)螺釘固定保險片松動，導致放氣活門調(diào)節(jié)不正常。經(jīng)分析，該處調(diào)節(jié)螺釘保險片易出現(xiàn)由于安裝不當導致的未保險作用，所以調(diào)節(jié)螺釘隨著發(fā)動機振動而松動，調(diào)節(jié)氣針上下反復運動，使壓氣機進氣量忽大忽小，進而放氣活門工作失效。放氣活門的調(diào)節(jié)螺釘及保險片如圖5所示。

圖5 調(diào)節(jié)螺釘及保險片

3 發(fā)動機故障梳理及排除措施

3.1 故障情況梳理

對近年發(fā)生故障的特征及故障排除情況進行梳理，具體如圖6、表1所示。由圖6可以看出，1號和3號發(fā)動機故障發(fā)生次數(shù)較少，2號發(fā)動機故障次數(shù)較多，其中1號發(fā)動機故障排除方案為1次調(diào)整，1次更換；2號發(fā)動機故障排除方案為2次調(diào)整，4次更換；3號發(fā)動機故障排除方案為2次更換。由表1可以看出，發(fā)動機的排故方案中，調(diào)整放氣活門比較有效。

圖6 故障梳理

按以往維護經(jīng)驗，排除放氣活門故障的方法主要為調(diào)整放氣活門關閉點或進行更換。通過本文的分析，放氣活門故障主要為懸浮隔膜裂紋或破裂故障，或者調(diào)節(jié)螺釘保險片松動。

3.2 故障排除措施

針對以上兩種情況，制定了新工藝方法和預防措施：

（1）對于長期庫外停放的直升機，在試車前進行兩次發(fā)動機“冷運轉”，即冷吹，以達到一定的除濕除潮效果。由于放氣活門在起始打開位時，活塞處于最下部，懸浮隔膜兩面都可接觸到從壓氣機過來的引氣（空氣），通過冷吹使懸浮隔膜兩面上的水份蒸發(fā)，同時進氣溫度使懸浮隔膜到達預熱，降低了發(fā)動機從起動到正常工作時的溫差。通過試驗對比，采用該措施后，故障率大大降低。

（2）對調(diào)整后失效的放氣活門進行對比分析發(fā)現(xiàn)，當保險片安裝到位后，壓緊螺釘須將保險墊片壓緊后，再順時針、逆時針兩方向?qū)φ{(diào)整螺釘進行緊度檢查，保證調(diào)整螺釘不松動。

（3）試車后對2號發(fā)動機進行兩次冷吹，以清除放氣活門懸浮隔膜工作面上的發(fā)動機尾氣碳化物。

按上述新工藝方法及預防措施對10架直升機進行地面試車驗證，驗證情況如表2所示。

表2 地面試車驗證

4 結論

通過對某型發(fā)動機喘振故障的研究，分析出該型發(fā)動機發(fā)生喘振故障的原因主要包括進氣口溫度不均、放氣活門放氣不足、葉片損傷等。由此提出針對喘振故障的新工藝方法和預防措施。經(jīng)過驗證，將新工藝方法納入相關操作手冊，能有效降低該型發(fā)動機喘振故障發(fā)生頻次，為修理單位節(jié)約大量維修成本，同時也提高了某型直升機完好出勤率。

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Research on Surge Fault of an Imported Engine

LIU Fangming1，JIANG Yongning1，WANG Zhangrui1，YANG Yi2

(1.Chengdu State-owned Jinjiang Machinery Factory, Chengdu 610043, China;2.State Key Laboratory of Rail Transit Vehicle System, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 )

In this paper, aiming at the high-frequency surge fault problem of an engine used outdoors, on the basis of the engine structure diagram and the working mechanism of the bleed valve under different working conditions, the working principle of the air compressor of this type of engine is explained, and the cause of the engine surge failure is analyzed in combination with the air pressure adjustment system of the air compressor. It is found that the engine surge failure is mainly caused by the air pressure disorder in front of the air compressor. In order to reduce the probability of engine failure, the main characteristics and manifestations of engine surge failure are further studied, and a set of new process methods and preventive measures are proposed. This research can provide a reference for maintaining the normal operation of the aero-engine and ensuring the reliability and safety of the engine during use.

engine；surge failure；bleed valve；air pressure disorder；reliability；safety

V231.92

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.005

1006-0316 (2023) 10-0028-05

2022-09-26

國家青年基金項目——強湍流多物理場激勵下高速列車車體結構聲振耦合機理研究（P111722G04001）

劉芳明（1978－），男，吉林遼源人，工程師，主要研究方向為某型直升機及發(fā)動機外場維護，E-mail：40781147@qq.com。