某渦槳發動機空中異常順槳故障分析

鐘櫚　黃慶　李慈應

【摘? 要】針對某渦槳發動機發生空中順槳故障，對螺旋槳順槳的原理進行分析，建立故障樹，通過飛行參數分析、工業CT成像檢查、零件分解檢查，故障零件理化分析等，初步確定原因為：反槳連桿碳炭刷組件在螺旋槳進行復裝時安裝錯誤，反饋環與碳刷組件異常磨損后貝塔活門完全彈出導致。通過對故障原因進行分析，準確定位了故障原因，并通過地面整機試驗復現了轉速異常偏高的現象。最后提出改進措施，增加對照檢驗要求和慢車槳速異常告警。

【關鍵詞】渦槳發動機;順槳;調速器;貝塔活門;故障

1 故障情況

某型飛機在轉場后進行了螺旋槳復裝，在復裝后進行第二次飛行時，爬升過程中出現螺旋槳空中順槳，飛機應急返航。

飛參數據如圖1所示，爬升過程中在無任何操作指令的情況下螺旋槳轉速突然下降，5秒內螺旋槳轉速由100%下降至40%，燃氣發生器的轉速保持在100%不變，發動機輸出扭矩上升60%，燃氣渦輪后溫度T4.5上升約20℃，發動機滑油壓力由0.31Mpa上升至0.33MPa。

從數據上分析，螺旋槳轉速突然下降后，燃氣發生器的轉速依然保持在100%，表明燃氣發生器發出的功保持不變，輸出軸的轉速降低所以扭矩增大;自由渦輪與螺旋槳機械連接，順槳后轉速一同降低，致使發動機空氣流量減少，發動機T4.5溫度升高;滑油壓力上升表明滑油系統某處的用油量減少。

發動機在地面試車慢車時，進行順槳的操作發動機參數變化情況如圖2所示，可以發現其參數變化與事故架次的發動機參數變化趨勢一致，據此判斷螺旋槳異常進入順槳狀態。

2螺旋槳順槳原理

3故障樹分析

3.1故障樹

根據螺旋槳工作原理，以螺旋槳異常順槳為頂事件建立故障樹，排查螺旋槳順槳的原因。

3.2底事件排除

1）若調速器輸入軸驅動失效，發動機驅動力無法傳遞到調速器，調速器齒輪泵無法為滑油加壓，螺旋槳控制油路油壓將持續減小，則螺旋槳在順槳彈簧力和槳葉配重離心力的作用下變大距至低轉速或順槳狀態。若調速器閥套外部花鍵失效，齒輪泵亦無法對滑油加壓，后果與輸入軸失效一致。經現場實物檢查，調速器輸入軸、閥套外部花鍵和齒輪完好，轉動靈活，底事件X1、X2可以排除。

2）若選速手柄因某些原因異常回到零位，根據前述第一種順槳原理，螺旋槳將進入順槳狀態。查飛行指令系統和發動機操縱機構的連接情況，未發現異常情況，底事件X3可以排除。

3）若調速器彈簧失效，彈力變小，離心力將大于彈簧力，先導活門上移，將槳缸內控制油路接回油，油壓持續下降，螺旋槳槳速減小或順槳。軸承失效后同樣導致彈簧彈力變小，后果與上述彈簧失效一致。經調速器分解檢查，彈簧、軸承完好，底事件X4、X5可排除。

4）若調速器異物卡滯，如異物將先導活門卡滯在螺旋槳控制油路與回油路接通位置，螺旋槳腔油壓持續下降，槳速將降低直至順槳。經對調速器進行CT檢查，先導活門位于正常位置，分解檢查無異物卡滯，底事件X6可排除。

5）若貝塔活門完全彈出，活門將切斷來油，同時將螺旋槳槳缸內的滑油快速從活門另一端泄出，螺旋槳進入順槳狀態。反槳杠桿上的碳塊組件安裝位置異常或限位壓桿脫落，均會導致貝塔活門完全彈出。如圖5所示，現場檢查發現碳塊支架與反槳杠桿已分離（且未找到碳塊組件及碳塊支架實物），與反槳杠桿相連接的碳塊支架銷軸端頭出現嚴重異常磨損，反饋環靠發動機側約有1/2圓周長斷裂，經理化分析掉塊的斷口為疲勞斷口。底事件X7不能排除。

6）若螺旋槳控制油路泄油或限速器泄油，槳缸內的滑油直接泄去，槳速下降，但由于調速器的目標轉速不變，將增加通往槳缸的滑油供給量，因此發動機滑油系統滑油用量增加，滑油壓力下降。此次故障出現順槳時滑油壓力出現明顯上升，與上述故障時參數的變化不符。據此可排除螺旋槳控制油路泄油的兩個底事件X8、X9，限速器泄油的三個底事件X10、X11、X12。

綜上所述，除底事件X7無法排除外，其他底事件均可排除。

4故障原因分析

通過故障樹分析，初步判斷螺旋槳異常順槳的原因為貝塔活門完全彈出。

下面分析貝塔活門的位置對螺旋槳槳速的影響。初始安裝時需將貝塔活門向里壓縮，使得貝塔活門到先導活門油路處于通路狀態。發動機起動至慢車后，選速桿置于最大位置，調速器打開先導活門將高壓油注入槳缸，由于發動機功率較低，槳距將持續減小并達到設定的最小值，此時伺服活塞向右運動接觸到貝塔螺母帶動反饋環向右運動，反饋環帶動貝塔活門右移減少注入的滑油壓力，這樣貝塔活門保持在一個平衡位置，維持了槳缸中恒定的滑油壓力從而保證槳葉角處于最小槳距狀態。貝塔活門的初始安裝位置關系到螺旋槳達到的最小槳距，當貝塔活門向左側壓縮偏多時，槳距要變得更低才能將貝塔活門移動到平衡位置，因此慢車槳速高;反之則最小槳距值變高（慢車槳速低）。

復查故障發生前所有慢車轉速下的螺旋槳慢車轉速如表1所示，5次慢車轉速下的螺旋槳轉速越來越高，說明貝塔活門的初始位置出現了偏移，向左側移動導致。

如果碳刷未正確安裝至反饋環內，而是被壓在減速器機匣和反饋環之間，此時貝塔的活門的位置和正常安裝時貝塔活門的位置相差不大，所以螺旋槳拆裝前后慢車螺旋槳槳速僅略有增加。發動機開車后，碳刷與反饋環、減速器機匣開始與進行異常碰磨，此時反饋環、碳刷、貝塔活門仍可繼續執行其控制功能，且反饋環向前擠壓碳刷，隨著碳刷越磨越薄，貝塔活門的壓縮量增大，導致復裝后4次慢車槳速逐漸升高。在反饋環將碳刷及碳刷支架磨損殆盡之后，反饋環和碳刷完全脫開，反槳杠桿失去約束，貝塔活門完全彈出，造成螺旋槳順槳。

5 故障復現

根據上述分析，進行了在不同貝塔活門壓縮量的發動機整機試驗。試驗數據如表2所示，隨著貝塔活門壓縮增加，慢車槳速成呈逐漸上升狀態，驗證了上述分析理論。

由于整機貝塔活門彈出試驗存在風險，在調速器模式試驗臺上，人工將貝塔活門彈出測量模擬腔的滑油壓力。試驗結果顯示，調速器模擬工作時將貝塔活門彈出腔壓迅速降為零。

6改進措施

針對故障發生故障的原因，提出兩點改進措施：

1）增加維護后的圖片對比檢驗要求，確保碳刷、限位桿安裝正確;

2）增加慢車槳速異常告警邏輯，慢車槳速超過限制值時，則進行告警。

7 結束語

1）順槳故障原因為炭塊組件在螺旋槳進行復裝時安裝錯位，反饋環與碳刷組件異常磨損后貝塔活門完全彈出，槳缸內的滑油全部泄出所致;

2）不同的順槳模式的發動機滑油壓力變化是不同，可據此初步判定順槳故障方向;

3）貝塔活門的初始安裝位置與慢車槳速相關，壓縮量越多槳速越高。