桑則林,孫丹,徐志峰,閆衛(wèi)青,柳國印,高鵬
(1. 中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 第十六研究室,沈陽 110015;2. 沈陽航空航天大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院,沈陽 110136)
現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)高機(jī)動(dòng)性和敏捷性的工作特點(diǎn)對發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪、軸承、密封件的可靠性及滑油系統(tǒng)熱負(fù)荷管理能力提出了更高的要求。軸承對轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定支撐、機(jī)械系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的功率輸出是保障飛行安全的重要前提[1]。機(jī)動(dòng)飛行中的特定姿態(tài)會經(jīng)歷瞬時(shí)的零、負(fù)過載,滑油的供、回油口位置發(fā)生變化會使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生短時(shí)供油中斷現(xiàn)象,發(fā)動(dòng)機(jī)具備的短時(shí)滑油流量中斷而不產(chǎn)生有害影響的能力是開展驗(yàn)證試飛的重要前提條件。
依據(jù)GJB 241A-2010中發(fā)動(dòng)機(jī)滑油流量中斷試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定,制定小涵道比各型號發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油流量中斷試驗(yàn)方案,其中包括瞬時(shí)中斷時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、恢復(fù)供油后的工作時(shí)間等;大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)飛行中沒有劇烈的瞬態(tài)動(dòng)作及姿態(tài)變換,發(fā)動(dòng)機(jī)試飛時(shí)以最大連續(xù)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn),因此考核條件與規(guī)定的有所不同[2-3]??己嗽囼?yàn)前通過開展滑油系統(tǒng)與軸承腔的熱分析計(jì)算[4],進(jìn)而掌握軸承的摩擦生熱和熱傳導(dǎo)狀況,可以評估中斷供油時(shí)軸承的允許極限溫升及允許中斷供油時(shí)軸承安全工作的極限時(shí)間[5-7];試驗(yàn)中通過監(jiān)視滑油系統(tǒng)實(shí)際測得的溫度、壓力和碎屑等[8]情況來判斷滑油系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、軸承的工作狀態(tài),有助于及時(shí)、迅速地檢測出轉(zhuǎn)子軸承故障,避免滑油系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的故障[9-10]。試驗(yàn)完成后,潤滑系統(tǒng)的檢查情況是支撐試驗(yàn)結(jié)果評定的重要依據(jù)。試飛中在爬升改平或盤旋改平等特技動(dòng)作下出現(xiàn)的滑油系統(tǒng)異常及地面滑油中斷考核試驗(yàn)中產(chǎn)生的典型故障是滑油系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)的方向,同時(shí)也是滑油中斷試驗(yàn)方案和風(fēng)險(xiǎn)控制方案制定的重要參考依據(jù)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)試飛驗(yàn)證過程中出現(xiàn)過滑油壓差異常、滑油液位異常下降等故障,需要結(jié)合具體的飛行工況下滑油系統(tǒng)工作環(huán)境開展機(jī)理性分析,查明故障原因并采取有效措施以保證飛行安全[11-13]。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)滑油中斷試驗(yàn)中出現(xiàn)過振動(dòng)示值急速上升導(dǎo)致試驗(yàn)失敗的情況,是因?yàn)檩S承螺旋擋圈槽超差,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)量超過穩(wěn)態(tài)限制值[14]。各類故障的分析總結(jié)對提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承故障監(jiān)測、診斷能力,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和避免故障的發(fā)生具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[15]。
本文主要研究運(yùn)輸機(jī)與戰(zhàn)斗機(jī)在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)滑油中斷的工作環(huán)境中試驗(yàn)方案的差異,結(jié)合滑油中斷試驗(yàn)中出現(xiàn)的典型故障,分析滑油中斷試驗(yàn)可能發(fā)生的異常情況,制定重點(diǎn)關(guān)注參數(shù)方案,提出不同階段的特定處理方式,有效地控制風(fēng)險(xiǎn)并確保試驗(yàn)一次成功。
滑油流量中斷設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)不向滑油泵進(jìn)口供油,僅向滑油泵進(jìn)口供氣的斷油使用工況?;土髁恐袛嘣O(shè)備由常開閥門、常閉閥門、改裝管路(包括硬管與金屬軟管)、安裝托板、空氣濾網(wǎng)、測試傳感器、電氣信號反饋裝置等組成。其中,常開閥門與常閉閥門通過電氣控制實(shí)現(xiàn)開關(guān)的切換。潤滑系統(tǒng)正常工作時(shí),常開閥門打開,常閉閥門關(guān)閉,滑油經(jīng)滑油箱、金屬軟管、常開電磁閥、金屬硬管流入供油泵;模擬滑油中斷試驗(yàn)時(shí),常開閥門關(guān)閉,常閉閥門打開,滑油箱停止供給滑油,大氣經(jīng)過濾網(wǎng)、常閉電磁閥、金屬硬管進(jìn)入供油泵。
為保障滑油中斷試驗(yàn)的安全性與可靠性,試驗(yàn)過程中使用臺架攝像頭視頻監(jiān)控滑油中斷設(shè)備與管路的外觀狀態(tài),確保設(shè)備工作正常及管路無異常漏油。同時(shí)在常開閥門、常閉閥門的進(jìn)出口分別布置壓力傳感器,監(jiān)控閥門是否開啟、閉合到位,如圖1所示。
圖1 滑油流量中斷設(shè)備布局簡圖
大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)以電磁閥滑油中斷開關(guān)從“中斷”檔至撥回“原位”檔恢復(fù)供油的工作區(qū)間作為滑油中斷的考核時(shí)間,因此發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行滑油中斷試驗(yàn)前,調(diào)試工作主要為檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、功能、整機(jī)振動(dòng)以及脈動(dòng)情況?;椭袛嘣囼?yàn)前可根據(jù)情況進(jìn)行滑油流量中斷功能檢查試車,驗(yàn)證中斷設(shè)備的功能及實(shí)際操作的可靠性。大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)適航要求開展滑油流量中斷20 s的考核試驗(yàn),隨著軸承設(shè)計(jì)水平的不斷提高,逐步開展中斷30 s的考核驗(yàn)證試驗(yàn)。
小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)以供油壓差(Pm)作為中斷時(shí)間的判定標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)斷油后壓差低于設(shè)定值時(shí),各供油噴嘴無法進(jìn)行正常噴油工作,軸承及其他潤滑部件基本無法得到潤滑,視為處于斷油狀態(tài)?;土髁恐袛嗫己嗽囓嚽俺R?guī)調(diào)試及確定滑油供油電磁閥的工作可靠性外,需開展滑油中斷調(diào)試試車,其目的是為了確定正式考核試驗(yàn)中操作人員控制電磁閥的中斷時(shí)間,掌握電磁閥控制下的滑油中斷時(shí)間與以滑油壓差為判定標(biāo)準(zhǔn)之間的偏差,確保以供油壓差作為判定標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際中斷時(shí)間不低于30 s的要求。中間狀態(tài)滑油中斷過程中,斷/供油響應(yīng)偏差計(jì)算公式如式(1)所示
式中:t1為滑油中斷開關(guān)撥到“中斷”檔時(shí)刻;t2為Pm降到設(shè)定壓差時(shí)刻;t3為滑油中斷開關(guān)撥到“原位”檔時(shí)刻;t4為Pm升至設(shè)定壓差時(shí)刻;Δt為斷/供油系統(tǒng)響應(yīng)總偏差。
確定滑油中斷正式考核試驗(yàn)中電磁閥斷開時(shí)間(t3-t1)=(30-Δt)+2,其中設(shè)定公差為2 s,確保試驗(yàn)一次成功。大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)采用電磁閥斷開區(qū)間作為中斷試驗(yàn)的考核時(shí)間,可以減少前期調(diào)試試驗(yàn)的開車次數(shù)和軸承斷油狀態(tài)下的工作時(shí)間,有效降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)以供油壓差作為中斷時(shí)間的判定標(biāo)準(zhǔn),能夠更直接地反映潤滑系統(tǒng)實(shí)際斷油工作時(shí)間。經(jīng)多臺發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合設(shè)備開展調(diào)試驗(yàn)證,斷/供油響應(yīng)偏差一般在±0.5 s以內(nèi)。因此不同發(fā)動(dòng)機(jī)對于中斷考核時(shí)間的判據(jù)雖有所不同,但在增加設(shè)定的公差內(nèi),兩種計(jì)算中斷運(yùn)行時(shí)間均滿足滑油流量中斷考核試驗(yàn)的要求。
滑油流量中斷考核試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)一般選擇在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷最大、軸承整體發(fā)熱量偏高的轉(zhuǎn)速下開展,以達(dá)到考核發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑和傳動(dòng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的目的。大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)最大載荷狀態(tài)是地面起飛狀態(tài),實(shí)際使用中最大連續(xù)狀態(tài)為飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)中最為嚴(yán)苛的狀態(tài),因此考核狀態(tài)點(diǎn)選取在最大連續(xù)狀態(tài)。試驗(yàn)方案如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)后,先在慢車狀態(tài)下進(jìn)行滑油中斷設(shè)備調(diào)試,經(jīng)暖機(jī)進(jìn)入最大連續(xù)狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)2 min后,以滑油電磁閥撥到“中斷”檔開始計(jì)數(shù),30 s 后恢復(fù)供油,之后發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作30 min。試驗(yàn)完成后,對發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承進(jìn)行分解檢查,軸承未出現(xiàn)疲勞剝落、斷裂等失效和異常磨損,即視為發(fā)動(dòng)機(jī)通過滑油中斷試車考核。
圖2 大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)滑油流量中斷試驗(yàn)程序
小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)滑油流量中斷試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)選定為中間推力狀態(tài),該狀態(tài)為設(shè)計(jì)狀態(tài)最大轉(zhuǎn)速且發(fā)動(dòng)機(jī)軸向載荷最高,對發(fā)動(dòng)機(jī)考核最為苛刻,能夠充分驗(yàn)證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。試驗(yàn)方案如圖3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)至慢車狀態(tài)后檢查管路密封性及各系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況,經(jīng)充分暖機(jī)后在中間狀態(tài)2 min內(nèi)檢查并確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)工作情況,具備條件時(shí)開展(30-Δt)+2滑油中斷后恢復(fù)供油,之后按照設(shè)定的程序累積工作大于30 min,其中涵蓋中間推力狀態(tài),用以驗(yàn)證完成滑油流量中斷試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)是否具備正常工作的能力。試驗(yàn)完成后,著重檢查潤滑系統(tǒng)滑油進(jìn)行冷卻和潤滑的部位(軸承、中央傳動(dòng)、附件機(jī)匣等),如未發(fā)生異常磨損的情況,即視為發(fā)動(dòng)機(jī)通過滑油中斷試車考核。
圖3 小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)滑油流量中斷試驗(yàn)程序
3.1.1 滑油中斷后未恢復(fù)供油故障
某次開展滑油中斷專項(xiàng)試車時(shí),出現(xiàn)過滑油中斷后未恢復(fù)供油故障,滑油系統(tǒng)試車曲線如圖4所示。故障現(xiàn)象如下:發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入預(yù)定狀態(tài)穩(wěn)定工作后接通控制閥門,切斷滑油供給;在滑油壓力下降至最低點(diǎn)停留30 s后恢復(fù)閥門重新供油,此時(shí)滑油供油壓力無上升跡象;繼續(xù)工作9 s后高壓轉(zhuǎn)速開始下降,發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生喘振,分解檢查發(fā)現(xiàn)某支點(diǎn)主軸承嚴(yán)重變形損壞,發(fā)動(dòng)機(jī)部分流道件有損傷,其中高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉尖磨損較嚴(yán)重。
圖4 滑油中斷未恢復(fù)供油故障參數(shù)曲線
排查造成滑油未恢復(fù)供應(yīng)情況的主要原因?yàn)樵O(shè)備故障,經(jīng)確認(rèn)為控制故障引起滑油中斷后無法恢復(fù)供油。斷油時(shí)間過長導(dǎo)致支點(diǎn)主軸承潤滑失效,軸承溫度劇烈升高造成主軸承損壞,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子與機(jī)匣發(fā)生碰磨,高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不匹配,引起發(fā)動(dòng)機(jī)喘振。
針對本次故障模式,采取如下解決措施:
(1)簡化閥門控制環(huán)節(jié):為避免軟件造成的控制異常,采用硬線連接直接控制常開、常閉閥門上的電磁閥;
(2)閥門狀態(tài)反饋:增加控制閥門的反饋信息顯示,以便在試車過程中掌握閥門狀態(tài);
(3)細(xì)化預(yù)案:制定詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案及處置措施,在試驗(yàn)前明確參試人員的崗位職責(zé)并進(jìn)行培訓(xùn)。
3.1.2 滑油中斷試驗(yàn)喘振故障
某次進(jìn)行滑油中斷摸底試車時(shí),發(fā)生過發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障,試車過程曲線如圖5所示,故障現(xiàn)象如下:發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到預(yù)定狀態(tài)穩(wěn)定后開始滑油中斷,30 s后恢復(fù)滑油供給,滑油壓力恢復(fù)迅速,在滑油壓力恢復(fù)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生喘振且噴口有火焰噴出,發(fā)動(dòng)機(jī)緊急停車。分解檢查發(fā)現(xiàn)某支點(diǎn)主軸承嚴(yán)重?fù)p壞,部分流道件有損傷,其中高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉尖磨損較嚴(yán)重。
圖5 滑油中斷試驗(yàn)喘振故障參數(shù)曲線
通過圖5的參數(shù)曲線可以看出,在滑油中斷期間的最后階段,滑油供油還未恢復(fù)時(shí),高壓轉(zhuǎn)速已經(jīng)開始下降,表明此時(shí)支點(diǎn)軸承已經(jīng)損壞。對故障軸承檢查和質(zhì)量復(fù)查的結(jié)果表明,該軸承故障模式首先為滑油流量中斷導(dǎo)致鋼球與滾道之間缺少潤滑油膜,金屬直接接觸后在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高溫,造成工作表面嚴(yán)重磨損、黏著損傷,從而發(fā)生機(jī)械故障引起高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降;其次,軸承止推作用失效,使得高壓壓氣機(jī)受軸向力作用發(fā)生軸向串動(dòng),導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣碰磨。
經(jīng)排查及理論分析表明:主軸承在正常工作時(shí),內(nèi)、外圈的溫度梯度一般不超過20 ℃。當(dāng)斷油工作時(shí),內(nèi)、外圈溫度梯度會超出安全范圍,軸承的徑向游隙會減少到工作極限范圍內(nèi),局部范圍內(nèi)產(chǎn)生三點(diǎn)接觸造成鋼球與套圈滾道接觸區(qū)出現(xiàn)滑動(dòng)磨損,溫度急升,軸承游隙進(jìn)一步減小,最終導(dǎo)致軸承卡滯磨損。軸承的游隙對軸承的斷油耐受能力影響較大,裝配過程中應(yīng)結(jié)合具體工作環(huán)境調(diào)整軸承的游隙要求,同時(shí)通過對滑油液位、供油壓力、供回油溫度、屑末含量的監(jiān)控,可以對軸承腔內(nèi)出現(xiàn)的磨損提前報(bào)警,保證試驗(yàn)過程的安全。
滑油中斷試驗(yàn)應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控的參數(shù)包括斷油時(shí)的各支點(diǎn)振動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)、軸承壁溫、滑油濾芯堵塞信號,恢復(fù)供油后的供油壓力、各軸承腔回油溫度及停車后的光譜結(jié)果、分解檢查結(jié)果等。正式考核試驗(yàn)程序包括滑油中斷前暖機(jī)過程、滑油中斷過程中及滑油中斷恢復(fù)供油后等3個(gè)階段,需根據(jù)特定場景開展相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)分析及制定應(yīng)急控制措施。
3.2.1 滑油中斷前暖機(jī)過程風(fēng)險(xiǎn)控制
(1) 若滑油濾堵塞報(bào)警,應(yīng)降轉(zhuǎn)至慢車,停車后檢查并清洗滑油濾,接取各腔滑油進(jìn)行光譜分析;
(2) 若滑油供油壓力急劇下降,應(yīng)降轉(zhuǎn)至慢車,若慢車狀態(tài)滑油系統(tǒng)壓力在正常范圍內(nèi),冷機(jī)停車,停車后檢查發(fā)動(dòng)機(jī)及滑油中斷設(shè)備;
(3) 監(jiān)測到滑油系統(tǒng)漏油時(shí),應(yīng)降轉(zhuǎn)至慢車,監(jiān)控滑油系統(tǒng)壓力是否正常、檢查漏油情況是否緩解,視情況停車。
3.2.2 滑油中斷過程中風(fēng)險(xiǎn)控制
(1) 切斷供油10 s后,檢查滑油壓力下降情況,若滑油壓力無明顯下降,則應(yīng)將滑油中斷開關(guān)恢復(fù)至“原位”檔,冷機(jī)停車后進(jìn)行設(shè)備檢查;
(2) 軸承壁溫超過限制值時(shí)恢復(fù)滑油供油,同時(shí)油門桿下拉至慢車狀態(tài),若參數(shù)恢復(fù)正常則冷機(jī)停車,若參數(shù)持續(xù)異常則緊急停車;
(3) 發(fā)動(dòng)機(jī)安全性監(jiān)控指數(shù)超過限制值,應(yīng)立即將滑油中斷開關(guān)撥到“原位”檔恢復(fù)滑油供給,降轉(zhuǎn)至慢車狀態(tài),若滑油恢復(fù)供給正常、監(jiān)控指數(shù)降低到規(guī)定范圍內(nèi),冷機(jī)停車,否則應(yīng)緊急停車;
(4) 發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重滑油泄漏,應(yīng)立即將滑油中斷開關(guān)撥到“原位”檔恢復(fù)滑油供給,降轉(zhuǎn)至慢車狀態(tài),若滑油恢復(fù)供給正常、漏油情況有緩解,冷機(jī)停車,否則應(yīng)緊急停車;
(5) 發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)喘振時(shí),應(yīng)立即將滑油中斷開關(guān)撥到“原位”檔恢復(fù)滑油供給,同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài);
(6) 發(fā)動(dòng)機(jī)或設(shè)備冒出異常煙霧或出現(xiàn)明火,應(yīng)立即將滑油中斷開關(guān)撥到“原位”檔恢復(fù)滑油供給,同時(shí)緊急停車。
3.2.3 滑油中斷恢復(fù)供油后風(fēng)險(xiǎn)控制
(1) 若開關(guān)撥到“原位”檔恢復(fù)滑油供給后計(jì)時(shí)2 s,供油壓差仍未達(dá)到規(guī)定值,立即降低發(fā)動(dòng)機(jī)至慢車狀態(tài)。慢車狀態(tài)供油壓差達(dá)到規(guī)定值,則冷機(jī)停車。若慢車狀態(tài)停留10 s后,供油壓差仍未達(dá)到規(guī)定值,則緊急停車;
(2) 滑油各腔回油溫度短時(shí)超出限制值,10s內(nèi)恢復(fù)正常可以繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn),否則需要降轉(zhuǎn)至慢車狀態(tài)。若回油溫度恢復(fù)正常則冷機(jī)停車,否則應(yīng)緊急停車;
(3) 滑油中斷恢復(fù)供給后若再次滑油供油壓差急劇下降,應(yīng)立即降低發(fā)動(dòng)機(jī)至慢車狀態(tài)。慢車狀態(tài)停留10 s后若滑油供油仍沒有恢復(fù),緊急停車;
(4) 發(fā)動(dòng)機(jī)安全性監(jiān)控指數(shù)超過限制值,降低至慢車狀態(tài)。若滑油恢復(fù)供給正常、監(jiān)控參數(shù)降低到規(guī)定范圍內(nèi),則冷機(jī)停車,否則應(yīng)緊急停車;
(5) 發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重滑油泄漏,降低至慢車狀態(tài)。若滑油恢復(fù)供給正常、漏油情況有緩解,則冷機(jī)停車,否則應(yīng)緊急停車;
(6) 發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)喘振,應(yīng)立即降低至慢車狀態(tài),如發(fā)動(dòng)機(jī)未退喘,應(yīng)緊急停車。
(1) 不同涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)實(shí)際使用要求制定相應(yīng)的考核試驗(yàn)方案,能夠滿足滑油流量中斷考核需求,為各型號發(fā)動(dòng)機(jī)開展滑油流量中斷試驗(yàn)提供借鑒;
(2) 借鑒滑油中斷試驗(yàn)中出現(xiàn)的未恢復(fù)供油和發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障下的各系統(tǒng)工作模式,依據(jù)考核試驗(yàn)方案中3個(gè)階段的特殊場景分別制定詳細(xì)的處理預(yù)案,能夠有效地控制試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn),保證試驗(yàn)順利完成。