某型發動機低壓壓氣機導葉角度偏關故障分析與排除

李小彪，張秀云，邱續茂，馬 征

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

為保證航空發動機工作穩定，獲得良好的性能，通常會對低壓壓氣機進口導葉角度進行控制[1-2]。通過采用合適的控制系統調節導葉角度，可改變壓氣機工作狀態、增大發動機喘振裕度、提高發動機推力。導葉角度控制系統存在不同類型信號之間的轉換，同時還涉及到子系統之間的匹配問題，涉及面廣且內容復雜[3-5]。在實際應用過程中經常出現導葉角度低于標準值即偏關的情況，對于發動機性能和飛行安全產生不利影響。目前針對該故障的公開文獻相對較少[6-8]。

本文針對某型發動機低壓壓氣機導葉角度偏關故障，基于低壓壓氣機導葉調節通道控制原理，列舉導致導葉角度偏關的因素，分析定位原因，最后經過排故和外場試車驗證，排除了故障。

1 低壓壓氣機導葉角度偏關故障現象

在某次飛行過程中，在相同油門桿狀態下，飛行員感到發動機推力突然不足，觀察座艙高壓轉子轉速表，轉速有所降低。飛行結束后，判讀飛參發現，前半程發動機參數正常，后半程在相同油門桿狀態下高低壓轉子物理轉速、高低壓轉子換算轉速、低壓壓氣機導葉角度偏小，見表1。表中：n1、n2分別為低、高壓轉子物理轉速；n1r、n2r分別為低、高壓轉子換算轉速；α1為低壓壓氣機導葉角度。

表1 故障數據

從表中數據可見，除低壓壓氣機導葉角度偏關以外，n1、n2等發動機轉速也有所降低，這是由于當低壓壓氣機導葉角度控制系統發生故障時，發動機控制系統會由電子系統控制轉為液壓機械備份調節，導致發動機工作狀態下降，發動機轉速隨之降低。

2 低壓壓氣機導葉調節通道控制原理

低壓壓氣機導葉控制系統的功用[9-11]是：根據低壓壓氣機轉子的換算轉速n1r調節低壓壓氣機進口導葉角度α1，保證低壓壓氣機的喘振裕度和效率。α1調節通道結構如圖1所示。圖中轉速包括n1和n2，溫度包括發動機進氣溫度T1和排氣溫度T6；S為平衡占空比信號；α1c、α1g分別低壓壓氣機導葉角度的測定值和給定值。

圖1 α1調節通道結構

電子控制部分原理[12-13]如圖1所示。α1通道電子部分將低壓轉子轉速傳感器和發動機進氣溫度傳感器的信號轉換為n1r電壓信號，并送到程序生成器。α1信號生成器將來自位移傳感器的信號換成電壓信號并送到程序生成器。低壓轉子換算轉速n1r的值經由程序生成器形成所需要的α1調節值信號。α1給定信號與α1信號生成器的α1測定信號值進行比較，形成失調信號 Δα1=α1c-α1g，Δα1經過校正電路輸入寬脈沖調制器。寬脈沖調制器將Δα1按給定的函數關系調制成S，再經功率放大器后，輸給執行機構電磁活門，實現對α1的調節。最終將α1調到與n1r相符的角度上，這時 Δα1=0，S=50%。

機械控制系統的基本工作原理如圖2所示[14]。電子控制部分形成控制電磁活門運動的S，機械系統的電磁活門根據S=f（Δα1）控制油路的放油量，控制襯筒活塞右腔的油壓，進而控制襯筒的位置（S減小，放油少，襯筒左移）；在液壓機械控制部分把測得的數據換算為發動機高壓轉子換算轉速n2r，并按給定的函數關系α1=f（n2r），通過杠桿機構轉換為分油活門的位置（n2r減小，分油活門向右移動；導葉角度減小，通過反饋裝置使分油活門左移）。分油活門與襯筒的相對位置改變了作動筒活塞左、右腔的油壓，從而控制進口導葉的角度[15-16]。

圖2 α1機械控制系統工作原理

低壓壓氣機進口導葉角度由電子系統控制，當電子系統發生故障時，轉為液壓機械備份調節。

3 低壓壓氣機導葉角度偏關故障原因分析

航空發動機推力是因外界氣流對發動機部件表面上的作用力而產生的。根據動量定理，通過計算發動機進口和出口氣流動量的變化來確定發動機推力[16]

式中：W1c1為發動機控制體出口截面上氣流的動量；W0c0為發動機遠前方未收擾動截面氣流的動量；p1為控制體出口截面上的氣流壓力；p0為發動機遠前方未收擾動截面上的氣流壓力；A1發動機控制體出口截面面積。

低壓壓氣機導葉角度控制規律為

在發動機不同工作狀態下，α1與n1r相對應。當低壓壓氣機導葉角度發生偏關故障時，α1不按照式（2）的規律控制，轉為液壓機械備份調節，發動機轉速隨之降低。α1、n1、n2值降低，導致發動機進氣流量偏小，式（1）中W1c1、p1A1減小，最終導致發動機推力減小。

發動機低壓轉子換算轉速與物理轉速間的關系為

式中：t1為發動機進口溫度。

結合式（2）、（3）可知，如果發動機進口溫度傳感器或α1角位移傳感器發生故障均會導致低壓壓氣機導葉角度偏關。

基于低壓壓氣機導葉調節通道控制原理及圖1可知，傳輸電路或綜合電子調節器發生故障會影響Δα1=α1c-α1g失調信號的形成，從而導致低壓壓氣機導葉角度異常。

綜上所述，發動機進口溫度傳感器、α1角位移傳感器、傳輸電路、綜合電子調節器發生故障是導致低壓壓氣機導葉偏關的原因，制定排故程序如圖3所示。

圖3 低壓壓氣機導葉角度偏關故障排故流程

接地面檢查儀對綜合電子調節器自檢，綜合電子調節器報故，報指定故障代碼，指示α1通道故障。經對綜合電子調節器進一步分解測試，發現α1通道電路板的達林頓管開路，導致電磁閥無法正常工作，發出α1通道故障信號。

檢測主燃油泵調節器電磁閥電阻為17.3 Ω，符合標準（10～20 Ω）。檢查與綜合電子調節器相連的進口總溫傳感器和α1角位移傳感器電路，電路完好、無短路現象。

檢查發動機進口溫度傳感器信號，插座的第1、2針的電阻為45 Ω，符合標準；插座的第3、7針的電阻為50 Ω，符合標準。證明發動機進口溫度傳感器沒有故障。

檢測α1傳感器組件，各檢驗點的電阻符合要求。檢查風扇可調葉片角度傳感器信號，插座的第44、46針的電阻為 188.9 Ω，符合標準（100～210 Ω）；第 45、46 針的電阻為 5.6 Ω，符合標準（3～7Ω）；第 49、50針的電阻為 125.5 Ω，符合標準（80～150 Ω）。證明α1角位移傳感器沒有故障。

綜上所述，分析原因為α1通道故障并自鎖，發出α1通道故障信號，綜合電子調節器退出對α1的控制，轉由機械液壓調節，導致低壓壓氣機導葉角度偏關。

4 試車驗證

基于以上分析，更換發生故障的綜合電子調節器，地面開車驗證。開車結束后，判讀飛參，在相同油門桿狀態下選取有代表性的數據，結果見表2。試驗數據表明，在整個試車過程中高低壓轉子物理轉速、高低壓轉子換算轉速、低壓壓氣機導葉角度等發動機參數與表1相比均有提升，推力正常，滿足發動機使用要求。

表2 驗證試驗數據

5 結束語

低壓壓氣機進口導葉角度α1對于保證壓氣機工作穩定性，并獲得發動機的最優性能具有重要作用。為避免α1低于標準值即偏關、對發動機性能和飛行安全產生不利影響，本文基于剖析低壓壓氣機導葉調節通道控制計劃及工作原理，分析故障原因，確定綜合電子調節器故障導致α1低于標準值。更換綜合電子調節器后經外場試車驗證，發動機工作參數正常，α1符合要求，發動機推力穩定。