某型機故障分析及優化研究

呂一鳴，鄭 坤，王慧明

(昌河飛機工業集團有限責任公司，江西 景德鎮 333000)

直升機是20世紀航空領域中極具特色的飛行器之一，其廣泛應用在低高度作戰、運輸、巡邏、旅游、救護等多個領域。航空發動機為直升機的核心部件，是一種高度復雜和精密的熱力機械，是推動航空事業發展的重要系統[1]。目前，直升機正在使用的發動機多為渦輪軸發動機。發動機在科研階段，其伴隨性故障也較為復雜。

1 故障簡介

發動機燃氣發生器是產生具有一定壓力及溫度的燃燒氣體作為渦輪工質的裝置[2]。燃氣發生器出口溫度(T4)為發動機參數的一項重要指標，該參數指標有嚴格的范圍，通常說的發動機超溫就是依靠該項指標反饋的。當燃氣發生器出口溫度出現異常時，將會導致飛行員認為某一臺發動機出現異常，直接影響直升機的飛行安全，所以燃氣發生器出口溫度數據采集、傳輸和顯示的穩定性極其重要。

在某型機的科研階段，多次出現燃氣發生器出口溫度顯示異常，其故障在處理過程中進行了多次優化改進驗證，并在解決問題的基礎上持續改善直升機的性能。

2 故障現象及原理分析

2.1 故障現象

某型裝載渦輪軸發動機的直升機在進行大重量懸停時，在某一時刻，飛行員觀察到2#發動機的燃氣發生器出口溫度(T4)柱狀線指示突然下降，其溫度顯示掉落至360 ℃左右后穩定在該值，飛行員立即根據該型機的應急處置措施退出懸停狀態并進行緊急著陸，隨后關閉發動機。

2.2 原理分析

燃氣發生器出口溫度在直升機上的可視化涉及發動機參數采集、機電管理、數據綜合顯示，其各系統的交聯原理如圖1所示。

1)該機型的每臺發動機均裝載了一個GR-26帶接線盒的熱電偶傳感器，用于直接測量發動機燃氣發生器出口的溫度，并將溫度信號轉換成熱電動勢信號，此處采集的信號為熱端信號。

2)該機型還裝載了T4溫度傳感器(安裝在發動機參數采集器附近)，用于采集冷端處的溫度。

3)發動機參數采集器通過采集熱端及冷端的信號，在內部進行處理后，將信號通過RS422A總線傳輸給機電管理計算機和機電參數顯示器；機電管理計算機通過RS422A總線將數據傳輸給機上綜合顯示處理系統。

4)扭矩測量轉換盒為備份數據采集路線。

圖1 T4溫度采集原理示意圖

3 故障分析及處理

3.1 故障初步分析

通過故障現象，結合系統原理可以判斷，故障是由成品采集與分析異常和線路異常引起的，因此可按照圖2所示進行機上檢查，并進行故障定位。

圖2 故障檢查示意圖

3.2 故障定位

按照故障的初步分析，依次對機上進行檢查。

1)使用三用表測量2#發動機熱電偶電阻值與1#、3#電阻值對比無異常，可排除發動機熱電偶傳感器故障引起指示異常。

2)更換發動機參數采集器后，經地面驗證故障依然存在。

3)更換機電管理計算機后，經地面驗證故障依然存在。

4)根據系統接線圖對應的關系，對發動機參數采集器與熱電偶傳感器之間的線路進行測量檢查，發現發動機參數采集器J1連接器處的24號與25號針腳為連通狀態，與系統接線圖上的線束要求不符。

5)根據線纜安裝敷設位置情況，對各連接處進行檢查發現，2#發動機過線盒處的T4溫度補償線纜在插座連接處出現燒蝕、短接的情況，部分連接處的焊錫出現脫落。2#發動機的T4補償電纜燒蝕造成短接，導致發動機參數采集器采集的熱端電動勢信號減小，在對比T4溫度冷端的信號經過發動機參數采集器分析處理后，傳輸給機電參數的信號值偏小，從而導致機電參數顯示器上的T4溫度穩定且其數值在300 ℃左右。因此，故障定位為2#發動機線路異常直接導致。

3.3 故障驗證

按照故障定位結果，將機上2#發動機T4溫度補償線進行了更換及重新焊接，并在完成線纜更換后進行地面工作驗證。

1)目視檢查。

再次對1#、2#、3#發動機過線盒處的導線狀態進行檢查，導線表面無破損，焊點處連接正常。

2)地面動態檢查。

a.按照正常程序啟動3臺發動機運轉一段時間，實時監控機電參數顯示器及綜合顯示器上T4溫度指示未見異常，且查看地面運轉時的飛參數據的T4溫度曲線未見異常。

b.在直升機地面運轉過程中，為了對T4溫度補償電纜出現燒蝕的情況加強監測，機組人員使用紅外溫度測試儀對貨艙內1#、2#、3#發動機過線盒處的溫度進行監控記錄，其鈑金件表面溫度曲線記錄如圖3所示(測試條件：氣壓高度為0 m，大氣溫度為30 ℃，風速≤3 m/s)[3]。

圖3 測量溫度曲線示意圖

c.從圖3溫度曲線可以看出，2#發動機過線盒處的溫度較1#、3#發動機過線盒處的溫度偏高約30 ℃，但其在導線可耐溫度范圍內。在直升機停車后，機組人員立即檢查1#、2#、3#發動機艙的過線盒導線情況，發現導線及連接處焊錫均正常。

3)飛行驗證。

a.為了在飛行驗證時繼續監控過線盒溫度，分別在1#、2#、3#發動機過線盒處平臺上方與下方粘貼溫度試紙。

b.機組人員將直升機配重至13 000 kg，飛行機組人員按照任務單執行飛行任務，在直升機進行30 m無地效懸停約45 min后，故障再次復現，飛行機組人員按照飛行手冊要求著陸，關閉發動機[4]。

c.機組人員分解檢查1#、2#、3#發動機過線盒處T4溫度補償導線均出現不同程度的燒傷，2#發動機溫度補償導線燒蝕情況較1#、3#發動機處嚴重。記錄溫度試紙數據見表1。

表1 測試溫度記錄表

3.4 故障處理

對比其他裝載該型發動機型機的T4溫度補償線，發現其補償電纜材質與該型機不一致。查閱資料發現該型機T4溫度補償電纜使用的是普通導線，型號為KHSMLG22，其可承受的溫度約為180 ℃，結合表1的溫度測試結果，2#發動機處的高溫將會導致其融化；而導線與分離插座連接的焊錫為低溫焊錫，也無法承受高溫。

經過上述溫度測試與分析，為解決導線和焊錫無法承受高溫的情況，需更換不同材質的導線。最后選擇PX-HB-FBR和KNX-HB-FBR的電纜，其可承受的溫度高達350 ℃，滿足使用要求；連接焊錫更換為HIAgPb-97，其熔點高于300 ℃，滿足使用要求，焊接工藝要求也隨之提升。

在更換新型號的耐高溫導線和高溫焊接工藝后，直升機后續飛行過程中未再次出現該類故障。

4 深入優化改進

4.1 初步分析

根據表1，比較1#、2#、3#發動機燃氣發生器出口溫度顯示，在直升機進行大功率懸停時，1#、3#發動機燃氣發生器出口溫度較2#發動機燃氣發生器出口溫度低45 ℃左右，其過線盒處導線與2#發動機過線盒處相比，也僅是輕微損傷，因此，應針對導致2#發動機過線盒處線路燒蝕的原因繼續深入研究。

根據2#發動機布局及成品情況進行如下初步分析。

1)2#發動機功率出現較大程度的損失或其內部出現異常，其在進行大功率懸停時所需功率比1#、3#發動機大，導致其燃氣發生器出口溫度也較高，較高的溫度通過平臺金屬的熱傳導后，導致分離插座處的溫度較高。

2)直升機在進行大功率懸停時，2#發動機所產生的尾氣由于氣流的原因無法充分排放[5]，導致部分高溫氣體積壓在發動機艙內，從而導致平臺溫度提升，線纜燒蝕。

4.2 處理措施

針對2#發動機艙內溫度較高，考慮可能為發動機產品內部的問題，地面維護人員將2#與3#發動機進行了對調，在直升機進行試飛后發現其溫度未出現明顯的變化，排除是由于發動機異常導致。

為了解決發動機平臺溫度過高的問題，首先采用最直接的方式為在平臺處增加隔熱墊，減少發動機產生的熱量通過金屬的熱傳導。

經過在平臺增加隔熱墊，再次進行直升機大功率懸停后，對平臺各處進行溫度測量，其數據見表2。

表2 增加隔熱墊后溫度記錄表

從表2的數據可以判斷出，發動機艙內傳輸到平臺的溫度有少許的下降，但其相對溫度還是較高，并未得到明顯的改善。

直升機在進行懸停時，2#發動機所處的環境較差。由于2#發動機的進氣道位于直升機的后部，在直升機旋翼帶動的空氣擾動[6]和直升機進行前飛時，其所引入進氣道的初始大氣溫度較1#、3#發動機高，也將導致2#發動機進氣溫度高，所產生的排氣溫度也較1#、3#發動機高。

為了改善2#發動機進氣溫度較高以及2#發動機所排出的高溫氣體無法得到充分散出等問題，結合廠區其他機型的結構方式分析，可考慮對2#發動機的尾噴和進氣道進行優化。

通過設計人員對旋翼下洗氣流對2#發動機進氣及排氣系統的建模分析[7]，提出了如下更改意見。

1)進氣網材料更改：由原進氣網材料(1Cr18Ni9Ti(平)2/05)更改為(0Cr18Ni9 GF2W11.2/1.12(平紋)GB/T 5330)。

2)排氣管長度更改：排氣管進行了適應性的裁剪，并優化2#發動機排氣整流罩內罩，其更改方式如圖4所示。

圖4 排氣管更改示意圖

在同種高溫天氣下，直升機再次進行了大功率懸停[8]，并在直升機飛行時長2 h后，地面維護人員再次檢查發動機艙內溫度試紙的溫度，得出結果見表3。

表3 結構更改溫度記錄表

從表3的結果可以得出結論：在對直升機2#發動機進氣系統及排氣系統優化更改后，2#發動機艙內的溫度有了明顯的降低，優化更改方式有效。結合后續直升機長時間的飛行檢查結果來看，燃氣發生器出口溫度顯示正常。

5 優化總結

通過對該型機T4溫度顯示異常故障處理可以總結出如下2個結論。

1)在導線選取方面，選取耐高溫性能更好的導線及高溫焊錫，雖然提高了焊接的工藝要求，但是高溫區域該導線的穩定性得到了增強，最大程度地降低了T4溫度異常的可能性，提高了直升機參數顯示的穩定性。

2)在排氣系統方面，更改2#發動機進氣網材料并優化2#發動機排氣整流罩內罩后，明顯降低了2#發動機艙內溫度，提升了直升機飛行的穩定性能[9]。

在科研階段完成故障分析處理后，將其結論應用于設計改進，并將其推廣到批產架次中去，提升了直升機的穩定性能，降低了T4溫度顯示異常的發生率。

6 結語

直升機從研制階段到最后批產階段，會出現許許多多的問題，這些問題可能是直升機維護性能問題，也可能是選材問題，還可能是需進一步優化改進的問題；但是只有在遇到問題時，認真對待每一個問題，舉一反三并提出優化改進，直升機的維護性、穩定性、人機工效[10]等方面才會變得更加優越。