直升機的發動機喘振的分析及處理方法探討

李斌

摘 要：在直升機檢修維護工作中，時常會遇到發動機喘振問題。根據實踐工作經驗，本文結合直升機發動機喘振故障實例，對直升機發動機工作原理和喘振機理展開了分析，并通過確認喘振原因提出了相應處理方法。從分析結果來看，直升機發動機喘振與發動機排氣口與進氣口距離過近造成的壓氣機進氣口溫度不均和活門排氣量不足有關，通過優化改造發動機排氣結構，能夠有效排除發動機喘振故障。

關鍵詞：直升機渦輪軸發動機 喘振故障 壓氣機

中圖分類號：V26 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0017-03

在直升機設計和使用階段，發動機性能好壞至關重要，將直接影響直升機飛行安全。所以在直升機檢修維護的過程中，還要加強對直升機發動機故障的有效防治，以免直升機出現安全問題。而喘振現象為發動機常見故障，因此還應加強對直升機發動機的喘振分析，以便結合喘振原因采取有效的處理方法，實現對發動機喘振問題的有效預防，為直升機飛行安全提供更多保障。

1 直升機的發動機喘振現象

某型號發動機為自由渦輪式渦輪軸發動機，其采用的壓氣機為混合式壓氣機，由跨音軸流壓氣機和超音離心壓氣機構成。發動機本身結構較為簡單，并且體積較小，性能穩定，能夠為直升機使用維護提供便利。但在直升機試飛初期，發動機多次出現喘振現象，產生類似“嘭”的放炮聲，渦輪間溫度大幅度上升，扭矩明顯下降，同時伴隨著燃氣及動力渦輪轉速等參數變化。在發動機喘振期間，直升機機身振動并未發生較大變化，發動機喘振幅度輕微，持續時間在1～5sec之間。而直升機發動機喘振意味壓氣機工作不穩，其導流葉片與工作葉片間產生了氣體分離問題，進而造成發動機內部空氣流路產生空氣振動。在此期間，由于發動機內部氣流壓力和速度迅速變化，空氣將從進氣裝置噴射出來，造成壓氣機內空氣壓力不足，燃氣渦輪燃燒不穩，葉片及發動機將伴隨氣體溫度升高而發生抖振，并發出異常聲音。所以在直升機飛行過程中，喘振的發生意味著發動機功率降低，可能造成燃燒室熄火，引發發動機過熱或停車，甚至造成發動機零部件損壞。因此還應找到直升機發動機喘振原因，并通過有效處理喘振故障確保直升機飛行安全。

2 直升機發動機喘振原因分析

從實踐經驗來看，不同型號直升機發動機發生喘振的原因并不相同，喘振的發生與發動機壓氣機工作特點存在直接關系。為確認直升機發動機喘振原因，還要結合直升機發動機內部空氣流路對發動機喘振機理展開分析。

2.1 發動機內部空氣流路

從該型號直升機發動機工作原理來看，在工作過程中，外界空氣將由進氣道進入壓氣機，在軸流壓氣機中得到首次壓縮，然后進入離心壓氣機得到再次壓縮，最后進入燃氣室與燃油混合燃燒，從而向渦輪排出高壓高溫燃氣。這些燃氣將在渦輪中膨脹做功，以驅動壓氣機工作，并驅動直升機旋翼工作。從空氣流動過程來看，發動機內部空氣流路可劃分為前部、中部和后部3個部分，前部由軸流壓氣機得到的壓縮空氣P1將在前后軸承篦齒封嚴裝置作用下從離心壓氣機葉輪間隙流入，使壓氣機后軸承得到密封。而篦齒封嚴裝置為密封裝置，可以利用篦齒前后空氣壓差進行裝置封閉。分析其工作原理可以發現，在增壓空氣進入篦齒封嚴裝置后，將從裝置間隙向壓力低的一側流動，從而使空氣流量得到有效限制，并始終由壓力高向壓力低的一側流動，繼而使壓力低的一側被空氣密閉，避免滑油外泄[1]。在P1進入后，其中一部分將從軸孔流入軸內腔，使前軸承得到密封。在發動機中部，從離心壓氣機得到的壓縮空氣P2可以使油盤篦齒封嚴裝置發揮密封作用。在發動機后部，在外界大氣P0作用下，自由渦輪導向器和燃氣發生器將得到冷卻。通過渦輪機匣引氣接頭將P2引入，并由空氣導管傳送至減速器空氣接頭，并從機匣內部通道傳輸至渦輪前軸承篦齒封嚴裝置，可使空氣始終沿著從壓力高到低的方向流動，以形成內部空氣流路。

2.2 發動機喘振機理分析

從發動機壓氣機工作原理來看，壓氣機需要與發動機各部件配合才能完成工作。在設計階段，由于發動機點火流量固定不變，需要按照預定程序提供加速燃油流量，所以發動機燃油流量可用式（1）表達各參數間的函數關系。式中，Ngco為燃氣渦輪換算轉速，T2和P3分別為壓氣機進口溫度及離心壓氣機出口壓力。在發動機啟動的過程中，不同環境溫度下發動機油氣比Wf/P3將會隨著渦輪換算轉速發生變化[2]。如圖1所示，為不同環境溫暖下發動機啟動過程的參數變化情況。利用Wf/P3，可用于進行渦輪進口溫度的反映。根據Wf/P3和Ngco的關系，可對壓氣機喘振特性進行反映。在外界環境溫度有所提升的情況下，發動機在初步啟動階段會出現Wf/P3隨發動機換算轉速增加而變小的情況，以免燃燒室出現富油情況。而進入供油加速階段后，會出現Wf/P3隨發動機換算轉速增加而增大的情況。在發動機穩定階段，會出現Wf/P3隨發動機換算轉速增加而變小的情況，以避免發動機出現超溫情況。在整個過程中，根據各參數函數關系，則能實現對計量活門軸向開度的控制，從而使發動機按照程序由加速發展至穩定運行階段。

（1）

通過上述分析可知，在不同環境條件下，發送機加速控制參數可能發生變化。而在發動機其他部件流量受限條件下，渦輪轉速不變，壓氣機出口壓力將有所提升，最終造成發動機燃油流量下降，壓氣機工作點則會向喘振區域邊界移動。如果外界條件不變，但轉速發生變化，也會出現同樣問題，進而導致壓氣機喘振。因此在實際設計時，為確保壓氣機可靠工作，需進行喘振裕度定義，如式（2）。式中，πk*和q（λ1）均為壓氣機工作點參數，指的是相似轉速線上喘振邊界點參數。按照要求，直升機發動機喘振裕度應達到12%以上。

（2）

2.3 發動機喘振原因確認

結合直升機發動機喘振機理可知，想要避免發動機發生喘振，需對壓氣機的溫度分布和入口壓力進行調節。而該型號發動機在設計上采取了增加壓氣機中間級放氣活門的方法達到調節入口壓力的目的，以防止喘振發生。利用該放氣活門，可以在燃氣發生器轉速降低時將部分軸流壓氣機出口空氣放掉，以增強發動機起動時轉子加速。如圖2所示，在轉速較低的情況下，虛線表示活門關閉狀態，此時壓氣機工作線接近喘振邊界，容易導致發動機喘振。在將放氣活門打開后，伴隨著空氣流量G′的增加，壓氣機工作線距離喘振界線較遠，發動機擁有較大喘振裕度，因此可避免喘振現象發生。從放氣活門位置來看，其位于機匣錐形段上方，打開后可以使部分P1空氣進入外界大氣。結合P2/P0≈6.1這一比值，可確定活門開閉界線[3]。按照標準大氣條件，在發動機加速階段，如果渦輪轉速約92%，活門應處在關閉狀態，如果達到91%則應為開啟狀態。

結合上述分析可知，直升機發動機發生喘振，主要與3種因素有關，即進氣口溫度不均、放氣活門放氣不足、葉片損傷等其他原因。考慮到氣溫急劇升高可能造成壓氣機渦輪葉片受損、渦輪轉子阻滯等問題。為確認造成發動機喘振的具體原因，需確認發動機是否存在葉片損傷等問題。通過檢查發現，發動機不存在零部件損傷的問題，渦輪葉片位發生燒蝕、壓坑、變形和破損等問題，自由渦輪轉子也能輕松轉動。在此基礎上，對發動機壓氣機進氣道進行了檢查，確認進氣道內不存在外來物，并且渦輪轉子轉動無異常聲音。對進氣導向器進行檢查，可以確認葉片位置正常，能夠從一個邊緣位置向另一個邊緣位置移動。結合檢查結果、直升機飛行狀態和外界氣候條件等相關數據，可以排除其他因素對發動機的影響，確認直升機發動機喘振的產生主要與進氣口溫度不均和放氣活門放氣不足這兩項因素有關。

為進一步確認喘振原因，需要進行地面開車檢查，使用壓氣機入口溫度傳感器進行測量，并對放氣活門開閉情況進行確認。從檢查情況來看，在發動機喘振前后，進氣口畸變溫度值達到了11℃，較之60°扇形區內溫度梯度不超出5.5℃的要求要高出許多[4]。分析導致這一問題產生的原因可以發現，與發動機相連的主噴口的熱氣有一部分將由進氣口上游滑動散熱器出風口進入，繼而造成進氣區溫度過高。通過采取臨時遮擋措施降低進氣口溫度，發動機仍然出現喘振現象。所以可以認為，造成發動機喘振的還有其他原因。進一步檢查發動機放氣活門開閉情況可以發現，在發動機啟動階段，放氣活門出現了提前關閉情況，進而造成放氣量不足的問題。分析導致這一問題產生的原因可以發現，該型號發動機的進氣口與排氣口距離較近，排氣口位于機身兩側，靠近主減后方發動機進氣口，容易產生彼此間相互影響。而該型號發動機采用的啟動式放氣活門，即將根據P2/P0空氣壓力完成活門開閉自動控制。在控制部分，存在有用于感受壓力的膜合組，內部能過對P2空氣壓力產生作用，外部可以對P0空氣壓力產生作用。在達到P2/P0調定值時，膜盒會有所伸長，從而導致薄膜控制腔的泄露口關閉，造成腔內壓力升高，活塞腔泄漏口隨之關閉。伴隨著腔內壓力的持續增高，活塞可以對彈簧力進行克服，作用于扇形齒輪使活門關閉。但由于前后進氣口與排氣口相互影響，膜盒也將受到發動機余溫的影響，造成控制計量活門軸向開度不準，進而造成活門提前關閉。因此從總體來看，造車排氣量不足和進口溫度過高的原因均為排氣口與進氣口距離過近，從而引發了發動機喘振問題的產生。

3 直升機發動機喘振處理方法

3.1 處理方法

針對直升機發動機喘振原因，還要通過優化改造避免喘振問題的再次發生。首先，需要對發動機主噴管進行修改。原本主噴管為直管，還應改造為偏轉角度達到30°的彎管，以便使發動機排氣方向有所變化，減少排氣口對進氣口的影響。其次，需要對排氣管切口形狀進行修改，通過將其延長120mm和切除出口端彎曲部分減少排氣管彎曲角度，從而使排氣流動損失得到降低。在此基礎上，則可以使排氣出口面向機身兩側排氣，繼而達成減少排氣口與進氣口相互影響