某型發動機加力蜂鳴故障分析

陳代富（海裝西安局,西安　710054）

某型發動機加力蜂鳴故障分析

陳代富
（海裝西安局,西安710054）

摘 要：發動機在加力工作過程中，因加力燃燒室氧氣含量低、氣流速度大等先天條件限制，容易發生加力蜂鳴故障，對發動機的危害較大。本文從蜂鳴故障發生的機理入手，對某型發動機加力蜂鳴的測量、判別和故障的排除方法等進行了初步分析。

關鍵詞：發動機；加力；蜂鳴；分析

1　引言

隨著航空發動機性能要求的提高，為達到增加推力的目的，往往在發動機主燃燒室之后，增設加力燃燒室，通過二次噴油，利用尾氣中的剩余氧氣進行燃燒增推。但是，由于受氧氣含量低、氣流速度大等先天條件限制，加力火焰穩定燃燒條件較差，容易出現燃燒故障，加力蜂鳴就是其中一種難以排除的典型故障。

加力蜂鳴故障實際上就是發動機加力燃燒室在工作過程中因為振蕩燃燒而發出的一種噪音。某型發動機的加力燃燒室由于采用直射噴嘴順噴的方式，燃油的霧化質量較差，當局部燃油過多時會導致富油熄火，未燃的油氣混合氣在向后流動的過程中，可能被再次點燃，這種熄滅——點燃——熄滅的燃燒過程會引起燃氣壓力的脈動，發出蜂鳴聲。某型發動機在外場使用過程中多次發生加力蜂鳴故障，導致發動機低壓渦輪軸承支承整流支板和加力催化點火器損壞，給使用帶來了一定的安全隱患。

2　故障模式

發生蜂鳴時，加力燃燒室的主要燃燒形式為振蕩燃燒，且可細分為高頻、中頻和間歇振蕩燃燒三種模式，其脈動波形如圖1所示。

（1）高頻振蕩。接通加力后可以聽到尖叫聲，噪聲刺耳，波形有周期性，壓力脈動幅度△P≥10%P0。P0是加力燃燒室平均工作壓力，頻率為200～300Hz。高頻振蕩燃燒雖不至于造成熄火，但可能激起零件或薄殼件的顫振和筒體過熱；

（2）中頻振蕩。接通加力后持續振蕩。音調低沉如滾雷，波形有周期性，壓力脈動較大，△P≥20%P0。頻率在50～200Hz，燃燒不穩定會引起發動機轉速波動，加力燃燒室筒體過熱，加力推力減小。筒體內的零件可能被震松、變形、震裂乃至掉塊，也可能很快熄火，還能激起噴口及筒體顫振；

（3）間歇振蕩。接通加力后，無節拍地間歇放炮，可能放幾炮后就熄火，破壞性很大，波形周期長短不一，在波峰上重疊有高頻增幅的小波動。壓力波動很大，△P≥(50～100%)P0頻率很低，變化不定，每秒幾周到十幾周。

3　機理分析

某型發動機加力燃燒室由于采用了外函冷空氣參與燃燒的技術，為解決低溫穩定燃燒問題，采用了三圈蒸發管式火焰穩定器。在工作中，蒸發管中噴射由加力燃調提供的附加燃油，并與引入的少量燃氣混合，形成富油混合氣，然后經蒸發管噴入V形槽穩定器內，再與V形槽穩定器頂端進氣槽孔引入的氣體混合，形成可燃混合氣，當V形槽內回流區的可燃混合氣與V形槽穩定器后的大回流區的燃氣相遇，即可點燃穩定燃燒。該型發動機在發展階段，加力主燃油的分配試驗中發現，1號和4號燃油總管的燃油對“蜂鳴”的產生起的作用最大，最后取消了1號總管，代之以催化點火器；4號燃油總管供油量占加力總流量的23%，且離噴管壁較近，壓力波撞擊噴管壁易引起共鳴，因此對加力燃燒室的隔熱屏進行了周向呈波紋狀設計，同時減小了4號總管的流量。

發動機加力燃燒穩定工作的條件用公式表示為：

其中，NT—燃燒穩定性；P—燃氣壓力；V—氣流速度；T—氣流溫度

其中，φ—回流區當量比；θ—總的當量比；β1—穩定器前的蒸發系數；β2—穩定器上的液熵收集系數；β3—穩定器上液膜蒸發系數；K—尾跡回流系數。

理論分析和試驗表明：某型發動機加力燃燒室內氣流振蕩振頻為100～120Hz，振幅在1.1磅/平方英寸以下，屬于中頻振蕩燃燒范圍。從發動機結構和加力系統控制規律可以看出，某型發動機加力燃燒的影響因素主要有5個方面（關系曲線見圖2，影響因素見表1）：①加力供油量；②內外函混合器形狀、位置、尾噴管的幾何形狀，火焰穩定器的形狀及位置等；③發動機進氣部件；④飛機進氣道；⑤尾噴口面積。

其中②、③、④項，在發動機、飛機定型以后，對振蕩燃燒的影響就基本確定，①、⑤項為可調且直接影響振蕩燃燒的。圖2中的縱坐標FR/0.9M8為加力燃燒室油氣比，如燃油流量FR大，空氣流量M8（噴口面積決定）小，則容易發生富油燃燒而進入蜂鳴區；橫坐標PWT/V稱為穩定性參數，具體影響因素見表1。

從圖2中可以看出：

（1）蜂鳴故障在加力比還比較小的情況下也可能發生；

（2）穩定性參數受唇緣總溫T、靜壓P及流速V的影響較大；

（3）減少燃油流量FR或增大空氣流量M8能消除蜂鳴。

某型發動機加力蜂鳴的影響因素

4　測量技術

加力振蕩燃燒有時很難以人的聽覺來判斷，發動機燃燒不良時有時也發生低（中）頻隆隆噪聲。但是，振蕩燃燒可以通過測量、判讀的方法來確定，技術也不復雜。即：將振蕩燃燒指示表、經過濾波器、壓力傳感器接到發動機排氣混合器出口靜壓測量管上，為避免壓力波傳遞的滯后，金屬管的長度規定為1米。輸入壓力傳感器的脈動壓力，經過膜盒轉變為電的信號，送到紫外線記錄儀，在記錄紙上繪出脈動壓力波形，根據波形的頻率和振幅來鑒別故障（見圖3）。

4.1振蕩燃燒的檢查和測量

當懷疑發動機發生加力蜂鳴故障時，先進行如下工作：

（1）檢查發動機低壓壓氣機工作線和低壓渦輪出口溫度是否偏低；

（2）檢查加力燃燒室的各種調整是否準確無誤。

如檢查未發現問題，將振蕩燃燒指示表按圖3所示接到發動機靜壓接頭處，并接通壓力傳感器和紫外線記錄儀之間的接線，此傳感器在紫外線記錄紙上（使用寬度為28cm）對應的壓力標準范圍為0～28 磅/平方英寸。按下列開車程序進行測試：

（1）起動發動機，將油門推到最大不加力狀態；

（2）選擇加力，將油門桿拉到比出現振蕩燃燒蜂鳴狀態的推力低500磅位置，穩定后用紫外線記錄儀記錄約6秒鐘，記錄紙的速度為4英寸/秒；

（3）推油門桿直到出現振蕩燃燒蜂鳴噪音，穩定后進行紫外線記錄；

（4）停車，分析兩次紫外線記錄結果。

4.2振蕩燃燒的識別

4.2.1基準波形

在5.1節中，測量低于振蕩燃燒狀態的推力500磅的紫外線記錄，是用作比較基準的基準波形，便于比較振蕩燃燒出現前后的波形變化，以便識別振蕩燃燒波形的變化規律，其典型波形如圖4所示。

4.2.2蜂鳴波形

當聽到加力燃燒室振蕩燃燒蜂鳴噪音后，紫外線記錄紙上可以記錄下兩種波形：

（1）當加力燃燒室剛開始出現振蕩燃燒的蜂鳴噪聲，噪音斷續出現，記錄波形多變，頻率時高時低，表明已到振蕩燃燒的邊界，波形如圖5所示。

（2）當發動機出現劇烈振蕩燃燒蜂鳴時，從紫外線記錄紙上可以很容易地看出較整齊的頻率圖形，如圖6所示。

5　排故措施

（1）通過調節加力燃油流量調節器齒形墊圈改變凸輪箱操縱桿長度，減小加力供油量，同時檢查加力燃油流量調節器的最大止動釘間隙是否在3.43～0.38mm范圍內；

（2）檢查并調整發動機的高壓轉子轉速調整至96-98%之間，改變激起氣流脈動的原始頻率；

（3）對低壓壓氣機轉子的可見部分進行清洗，保證發動機流量；

（4）清洗加力燃燒室噴嘴；

（5）用外場測試儀檢查低壓轉子工作線和排氣溫度，必要時重調；

（6）重新調整壓比調節器；

（7）重新匹配發動機。

6　小結

從某型發動機加力蜂鳴故障的分析和測試可以看出，控制發動機加力供油量，匹配好油和氣的關系，改善加力燃燒室工作條件是控制和消除加力蜂鳴故障的基本措施，從長遠來看，在加力燃油系統中采用數字電調技術也是改善油氣匹配關系的措施之一。

作者簡介：陳代富（1977—），男，四川簡陽人，漢，1999年畢業于西北工業大學，主管航空裝備質量臨督。