某渦槳發動機輸出功率降低故障原因分析與驗證

鐘櫚 黃慶 丁金濤

摘 ?要：針對某渦槳發動機出現輸出扭矩降低的現象，分析了功率下降的原因。采用整機臺架模擬試驗的方法，研究了進氣道不同堵塞面積對發動機功率的影響。針對進氣道膠圈提出了改進設計方案，并在車臺上進行了兩種密封膠圈的對比驗證試驗，試驗結果表明改進設計的密封膠圈方案將發動機最大狀態功率提升了17%。

關鍵詞：渦槳發動機;進氣堵塞;進氣道密封圈;改進設計;故障

中圖分類號：V263.6??文獻標識碼： A ???文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

航空發動機安裝到飛機上之后，由于進氣道、排氣管設計的固有形式，進氣分離系統（防砂濾系統）對進氣的影響，以及從發動機引氣等因素，會消耗一部分發動機功率，即發動機安裝損失。隨著飛機對發動機的要求變為更為專門化，飛機與發動機的匹配問題變得突出，20世紀60年代初期，美國裝TF30渦扇發動機的F-111戰斗機甚至由于匹配問題而被迫從戰場退役。直八型飛機也曾出現進氣道污染積垢后造成發動機功率下降，飛機無法在最大重量起飛。

某型渦槳發動機使用過程中出現多臺發動機輸出扭矩不足，造成飛機爬升率偏低，不能爬升至最大高度等問題。針對此問題進行原因分析排查和試驗驗證，并提出相關零件的改進設計方案。

1 飛發連接結構

發動機采用單平面安裝，通過三個減振器固定在飛機的承力框架上。來流經過S型進氣道后直接進入發動機軸流壓氣機內，渦輪后的尾氣由排氣裝置兩側向后排出。

飛機進氣道與發動機壓氣機機匣連接情況如圖1所示。半圓型的密封膠圈通過壓板螺釘固定在壓氣機機匣的法蘭邊上，發動機固定在飛機的承力框后，密封膠圈通過零件的制造公差保證壓在進氣道的出口法蘭邊上，實現密封、隔振和補償機匣軸向位移等功能。密封膠圈與進氣道只有接觸和軸向約束，無其它連接件固定。

2 故障現象

多架飛機在執行任務時，發現在滿載狀態下，由7000米高度向上爬升，發動機Ng處于最大轉速狀態，飛機的爬升率僅有0.2～0.3m/s，無法到達指定高度，爬升困難。即這些飛機性能沒有達到設計指標，功率不足。

3原因排查

一般造成發動機功率降低的原因可能為發動機的性能衰減，安裝損失增加等等。

3.1發動機本體性能檢查

將發動機本體返廠進行臺架性能檢查，在試車臺上使用測扭器精確測量發動機槳軸的輸出扭矩，得到發動機的輸出功率，考慮環境溫度轉換為換算轉速下的換算功率，如圖2所示。從圖中可以看出在返廠檢查的發動機換算功率曲線與出廠時的換算功率曲線基本重合，試車時環境溫度相差較大使得換算轉速的范圍不同。據此數據，可以排除發動機本體性能衰退因素造成輸出功率降低。

3.2 飛機安裝情況檢查

通過排查飛機進氣道與發動機的連接情況，發現多架飛機的連接密封膠圈向流道內凸起，凸起量約為3～5mm。如圖3所示，在發動機安裝完成后，由于膠圈內徑與壓氣機機匣內徑一致，膠圈受壓變形后膠圈必然向內側凸起，發動機工作時，壓氣機前流道內的靜壓P1要比環境壓力P0低，在壓差的作用下凸起量將進一步增大，且發動機功率狀態越高壓差越大，凸起量也將隨著增加。

為了確定密封膠圈的凸起量對發動機功率的影響，進行整機臺架試驗模擬進氣道被膠圈凸起時發動機的工作情況。

4地面臺架模擬進氣道堵塞試驗

4.1 試驗方案

為減少試驗變量，只模擬膠圈凸起高度對發動機性能的影響。如圖4所示，利用現有的試驗資源，在車臺進氣道和壓氣機機匣之間安裝一個模擬堵塞環形金屬板。設置三個零件加工方案，分別選擇凸起量△H為0mm、3mm和5mm，模擬堵塞板的具體參數如表1所示。

4.2試驗結果

安裝三種不同的模擬堵塞板時錄取發動機各轉速狀態下的穩態性能參數和加速時的數據。

4.2.1 功率影響

圖5為試驗各狀態下發動機換算功率與換算轉速關系曲線，從圖中可以看出，在低換算轉速下，模擬板的影響較小，隨著換算轉速增加，功率降低的絕對量值有非常明顯的增加。

功率下降量值統計如圖6所示，圖中可以看出方案B的最大狀態功率損失達到7.6%，而方案C的最大狀態功率損失高達26.1%。

4.2.2 溫度影響

圖7為發動機換算轉速下的渦輪見溫度T4.5曲線，方案B和方案A的T4.5數據基本一致，而方案C較方案A在低功率狀態時T4.5要高，高功率狀態時兩者基本一致。

4.2.3 壓氣機后壓力影響

圖8為壓氣機后的氣流靜壓參數，其變化趨勢與發動機功率變化趨勢基本一致。

4.2.4 耗油率的影響

圖9為發動機換算轉速下的耗油率曲線，數據表明凸起量越大，耗油率上升越多。方案C的耗油率相比方案A，在慢車時，耗油率升高達到15.8%;在最大狀態時，耗油率升高了19.4%。

5 機理分析

發動機功率降低的機理分析如下：第一，膠圈凸起后使流動損失增加，壓氣機前的來流總壓降低，同時流通面積減少，導致流量減少，使發動機的功率下降。第二，由于膠圈凸起后使壓氣機前流場產生較大畸變，壓氣機效率降低，壓氣機出口壓力降低，循環壓比降低后導致輸出功減少。

基于以上分析，膠圈變形凸起將導致發動機輸出功率下降，耗油率上升，與模擬試驗數據變化趨勢一致。

6 改進設計

針對膠圈出現的變形情況，提出一種改進方案，改進前后的對比如圖10所示。

（1）在進氣道與機匣之間增加一個連接導套，進氣道增加一個連接槽;

（2）將軸向密封改為徑向密封。

7 臺架驗證試驗

在臺架上進行改進前后兩種結構的整機試驗，發動機試車數據如表2所示，可以看出，發動機更換密封膠圈后T4.5溫度下降6℃，功率上升17%，改進措施有效。

8 結語

（1）發動機輸出功率降低的原因為發動機與飛機進氣道連接密封膠圈變形凸起所致;

（2）地面模擬試驗表明當膠圈凸起堵塞面積分別為7.9%和13%時，發動機最大狀態的功率損失達7.6%和26.1%。

（3）改進設計飛機發動機連接方案裝機試驗表明發動機最大狀態功率提升17%。

收稿日期：2019-07-29

作者簡介：鐘櫚（1985—），男，江西贛州人，碩士研究生，主管，工程師，研究方向：發動機結構。