航空發動機放氣帶提前關閉故障分析

楊 俊，艾軍軍，田慧清

(1.空裝西安局某軍事代表室，西安 710021；2.中國航發西安航空發動機有限公司，西安 710021)

1 引言

某型發動機防喘措施單一，沒有采用如多級可調導流葉片、可變彎度導流葉片等防喘措施，僅采用在低轉速時打開放氣帶來預防喘振發生，可靠性低[1-5]。當發動機轉速低于3 800+50r/min 偏離設計狀態較多時，通過打開放氣帶放掉部分空氣，避免發動機進入喘振。當轉速達到3 800+50r/min時，放氣帶關閉。如果放氣帶在發動機轉速低于3 800+50r/min時提前關閉，會導致發動機進氣量過大而無法排出，容易發生喘振[6]。

該型發動機在地面試車過程中，推最大工作狀態時發生喘振故障。飛參顯示放氣帶關閉時轉速低于3 800+50r/min，說明放氣帶發生了提前關閉，喘振故障是由放氣帶提前關閉所致[7]。但該故障發動機返廠后在試車臺進行復試的過程中，放氣帶提前關閉現象并未捕捉到，故障未得到復現。

由于故障表現為“快推全程加速性過程中放氣帶提前關閉”，而快推全程加速性是在飛機起飛過程中使用，一旦發生放氣帶提前關閉引起發動機喘振，很可能造成空中停車并引發等級事故，對飛行安全危害極大，亟需解決此類問題。針對該故障，本文進行了相應的故障分析，并提出了解決措施。

2 放氣帶結構

放氣帶位于壓氣機第3、4 級之間的中機匣前、后艙接合處的圓周上，由放氣窗口、放氣帶、傳感器和作動筒等操縱系統組成，如圖1 所示。放氣帶作動筒由外殼、活塞、彈簧、固定銷等部件組成，通過2個支臂固定在中機匣上。放氣帶通過耳環及固定銷固定在作動筒上，作動筒內部彈簧的張力把活塞推向作動筒兩端，使放氣帶打開，空氣從環形間隙放出。當壓縮空氣輸入放氣機構作動筒后，活塞克服彈簧力向中間靠攏，于是放氣帶關閉，停止向大氣放氣。

圖1 放氣帶結構示意圖Fig.1 Bleed belt structure

3 故障分析

3.1 故障樹分析

根據可能引起放氣帶提前關閉的原因，如冷氣電磁閥異常工作、離心傳感器提前工作、AN-2C 按鈕異常工作、發動機電氣連接短路、飛機防火系統異常工作等，繪制故障樹(圖2)，并逐條分析和排除。

(1)冷氣電磁閥異常工作：作為執行機構，冷氣電磁閥接收電流信號，控制壓縮空氣進入作動筒。根據試車結果，放氣帶動作與電流信號對應準確，執行機構響應及時，可排除此項。

(2)AN-2C按鈕異常工作：AN-2C按鈕為檢查放氣帶關閉功能的手動按鈕，若該按鈕異常接通，會導致冷氣電磁閥電路提前接通。由于該按鈕已取消功能，用密封膠封死，所以不存在異常接通故障。

圖2 放氣帶提前關閉故障樹Fig.2 Failure tree of early closing of bleed blet

(3)發動機電氣連接短路：若該回路不經過離心傳感器而短路，會導致冷氣電磁閥電路接通。若電氣系統出現異常短路，則發動機放氣帶異常接通的時機應該與轉速無關，在任何狀態下均可出現放氣帶提前關閉，與故障現象不符，可排除此項。

(4)飛機防火系統異常工作：當發動機的AKP2-2 微動開關和發動機艙的感溫器同時故障時，會導致冷氣電磁閥的電路接通，使放氣帶關閉。但發動機的AKP2-2微動開關只有在停車時才能接通，與故障現象不符，可排除此項。

圖3 右部傳動系統結構Fig.3 Structure of the right part of transmission system

通過以上排查，最終將故障定為離心傳感器提前工作。離心傳感器是控制放氣帶開閉的附件，安裝在發動機附件機匣右部，位于右部傳動系統(包括中央傳動機構、右中介傳動機構、發動機附件機匣傳動機構及發動機附件機匣，如圖3 所示)最末端。該發動機發生提前關閉故障時，其預調關閉轉速為3 960 r/min，實際使用過程中關閉轉速向下漂移至3 710 r/min，轉速相差250 r/min。如此大的差異必然與離心傳感器輸入轉速波動或離心傳感器異常工作相關。離心傳感器感受的是由發動機轉軸經右部傳動系統傳遞給它的轉速，涉及9 個直齒輪、6 個錐齒輪及右傳動桿、水平傳動桿等幾十個零件，結構關系復雜。可見，右部傳動系統是否平穩、傳遞到離心傳感器輸入端的轉速與發動機軸線處的轉速是否一致非常重要，必須進行離心傳感器輸入轉速測試。

3.2 測試系統及測試結果

為了確定發動機輸出轉速以及右部傳動系統轉速是否存在波動，采用如圖4 所示的測試系統[8-9]進行測試。

圖4 發動機測試系統結構Fig.4 Diagram of aero-engine test system

(1)測試信號

測試時，發動機轉速信號從試車臺轉速儀表輸出端引出；放氣帶指示燈信號從試車臺放氣帶指示燈兩端并出；放氣帶動作位移信號從發動機左側放氣帶上方位移傳感器接入；離心傳感器工作電流信號由串接在主電纜中的電流傳感器接入；離心傳感器輸入轉速信號由離心傳感器輸入轉接段裝置中的電渦流傳感器接入。測試時采樣頻率設置為10 kHz，整個試車過程連續采樣。

(2)濾波器硬件設置

由于測試系統采樣頻率高，且沒有濾波處理，測試時試車過程中的各類干擾信號也被疊加進去作為測試信號進行處理，導致測試出的轉速信號波動較大。發動機最高轉頻為78 Hz，換算到離心傳感器處為415 Hz，按照分析頻率為其2.56倍規律計算，濾波頻率最小應為1 062 Hz。為不丟失信號，在測試數采轉速通道增加2 kHz硬件濾波器以濾除高頻干擾信號。

(3)濾波器軟件設置

由于電渦流傳感器探頭在高頻狀態工作時會產生較多雜波信號，影響所采正常信號的判讀，且試車時一些環境因素也會造成干擾信號，故采用IIR 濾波器對轉速信號進行濾波處理。選取10 Hz IIR 低通濾波器，將所測轉速信號中每秒變化10次以上的干擾信號進行濾波處理，濾波后的信號不會濾掉轉速的真實信號。

(4)試驗準備

離心傳感器輸入轉速測試裝置(圖5、圖6)是在離心傳感器與發動機附件機匣之間增加的一個轉接段。它既要保證離心傳感器的正常工作，又要保證電渦流傳感器能監測到離心傳感器的輸入轉速。為提高離心傳感器輸入轉速測試精度，在轉接段中增加一個4 齒計數齒輪。測試時，齒輪凹凸槽尺寸的變化引起電渦流傳感器電壓變化，從而轉換成脈沖信號，實現轉速測量。

圖5 轉速測速裝置裝配圖Fig.5 Assembling drawing of speed measurement device

圖6 轉速測速裝置安裝位置Fig.6 Assembling position of speed measurement device

通過該測試系統測量發動機輸出轉速、離心傳感器輸入轉速及離心傳感器接通時與放氣帶關閉的對應關系，來判斷轉速的波動是源于發動機本身還是其右部傳動系統。另外，測速裝置所測離心傳感器輸入轉速比試車臺所測發動機轉速精度高，能夠對離心傳感器接通和斷開瞬間的轉速值和平穩度，以及與發動機轉速、信號燈信號、放氣帶位移信號和離心傳感器工作電流信號的對應關系等進行精確測量。

通過大量試驗及統計，最終在故障發動機上精確測出放氣帶關閉和打開時離心傳感器輸入轉速存在較大波動，波動值分別為83 r/min和125 r/min，而發動機轉速的波動值僅為20 r/min并準確捕捉到快推過程中出現的放氣帶提前關閉現象(3 780 r/min關閉)，故障最終得到了復現，如圖7 所示。證明了發動機輸出轉速平穩，而右部傳動系統的輸出轉速波動較大，且這種波動超出離心傳感器轉差波動范圍時會導致離心傳感器提前工作。同時，通過測試排除了離心傳感器本身異常工作引起的放氣帶提前關閉。

圖7 3 780 r/min放氣帶關閉瞬間時域曲線Fig.7 Time domain curve of 3 780 r/min when bleed belt closed

3.3 齒輪參數測量

對右部傳動系統零件進行復查，最終將故障排查重點聚焦于6個傳動錐齒輪[10]。通過對21臺發動機(3 臺故障發動機、8 臺未發生過放氣帶異常關閉的大修發動機和10臺新發動機)右部傳動系統錐齒輪結構特性參數(相鄰齒距誤差、齒向誤差、齒形誤差、周節累計誤差和跳動值)的檢測，發現故障發動機的6 個錐齒輪，特別是中央傳動主動錐齒輪(1 號錐齒輪)，其周節累計誤差與未發生過放氣帶異常關閉的大修發動機相比偏大。由于錐齒輪設計圖紙無周節累計誤差控制標準，考慮到周節累計誤差是影響齒輪傳動精度和平穩性的關鍵特性參數，經過深入研究，對錐齒輪增加了周節累計誤差控制要求，并進行了優化和驗證。

結合中央傳動機構、右中介傳動機構錐齒輪的計量情況，為驗證右部傳動系統錐齒輪對放氣帶關閉轉速波動的影響，按新增的周節累計誤差控制標準挑選圖3中2號和4號錐齒輪共2套，分別裝配在故障發動機上進行對比試車。試車過程中，快推和慢推放氣帶關閉和打開時轉速一致性較好，效果明顯。試車中離心傳感器接通時放氣帶關閉轉速對比如圖8 所示。從中可看出，相比故障發動機在返廠狀態下的試車，在更換傳動錐齒輪后試車情況明顯改善，放氣帶關閉轉速明顯提高。其中，慢推時從最低約3 840 r/min 提高到3 900 r/min 左右，快推時從最低約3 780 r/min提高到3 880 r/min左右。

圖8 故障發動機快推和慢推離心傳感器接通時轉速對比Fig.8 Speed comparison with connecting of centrifugal sensor by slow/fast pushing

4 解決措施

基于對比試驗及離心傳感器試驗情況分析，故障發動機放氣帶提前關閉的主要原因為右部傳動系統傳輸轉速不平穩，而右部傳動系統傳輸轉速不平穩主要與右部傳動系統錐齒輪的周節累計誤差未制定控制措施有關。故新增右部傳動系統6個錐齒輪周節累計誤差控制要求：中央傳動主動錐齒輪(1 號錐齒輪)周節累計誤差≤0.13 mm，其他5個錐齒輪(2號～6 號錐齒輪)周節累積誤差≤0.08 mm。對因放氣帶故障返廠的發動機，采取更換控制周節累計誤差6 個錐齒輪方案進行排故；對裝配貫徹優化齒輪的發動機的外場使用情況進行跟蹤。后續地面試車，未再發生此類故障，有效解決了發動機放氣帶提前關閉引發的喘振故障。

5 結束語

針對某型發動機放氣帶提前關閉引起的發動機喘振，通過制定故障樹、設計測速裝置、進行相應對比試驗、測量齒輪尺寸等工作，最終明確了故障原因是由于右部傳動系統錐齒輪的周節累計誤差未控制造成右部傳動系統傳輸轉速不平穩導致。據此，新增右部傳動系統6 個錐齒輪的周節累計誤差控制，并對故障發動機進行優化齒輪更換。后續試驗結果表明，該措施可行、有效，排故效果令人滿意，可為同類故障分析提供參考。