航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擺動(dòng)故障分析與排除

李小彪 ，馬慶巖 ，張立偉 ，谷雪花

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015；2.中國人民解放軍31434部隊(duì)，沈陽 110000）

0 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)正常使用過程中，由油門桿來控制高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化。當(dāng)油門桿不動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速應(yīng)處于穩(wěn)定位置。在使用過程中，如果出現(xiàn)油門桿不動(dòng)而高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擺動(dòng)情況，會(huì)發(fā)生其他參數(shù)隨動(dòng)的故障現(xiàn)象。這種故障極易造成發(fā)動(dòng)機(jī)推力波動(dòng)、進(jìn)氣流量擾動(dòng)、整機(jī)穩(wěn)定性降低等問題，對(duì)飛行安全產(chǎn)生不利影響[1-2]。

黃玉軍[3]分析了發(fā)動(dòng)機(jī)中與供油系統(tǒng)有關(guān)的性能工作參數(shù)擺動(dòng)故障的原因，即轉(zhuǎn)速限制機(jī)構(gòu)切油點(diǎn)提前、轉(zhuǎn)速放大器有故障或調(diào)整不當(dāng)，這些因素直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，并介紹了排除故障的方法；張立新等[4]針對(duì)燃油壓力、燃油耗量、扭矩等參數(shù)擺動(dòng)故障，列舉了粗細(xì)油濾臟和限溫、轉(zhuǎn)速校正系統(tǒng)、調(diào)速器、燃油調(diào)節(jié)器等故障發(fā)生的原因，并進(jìn)行了故障排除；孔祥興等[5]針對(duì)某型民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，通過改進(jìn)算法，在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程采用n-dot 閉環(huán)控制算法，設(shè)計(jì)了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程開環(huán)與閉環(huán)分段組合的控制計(jì)劃，在起動(dòng)初始階段采用基于油氣比的開環(huán)控制，之后進(jìn)入閉環(huán)控制和慢車穩(wěn)態(tài)控制模式，消除了起動(dòng)初始階段的參數(shù)擺動(dòng)，具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性；王磊等[6-8]參考國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果，提出了一種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與保成本容錯(cuò)控制器協(xié)同設(shè)計(jì)方法，建立MET-TOD 調(diào)度協(xié)議作用下狀態(tài)變量和控制變量的傳輸特性，仿真結(jié)果顯示，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超調(diào)量降低了80%，參數(shù)擺動(dòng)減小了66.7%，實(shí)現(xiàn)了控制器動(dòng)態(tài)性能最優(yōu)；殷孝勇[9]對(duì)渦槳五型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速擺動(dòng)故障進(jìn)行了分析，并分析了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速校正系統(tǒng)、限溫系統(tǒng)及交聯(lián)裝置、燃油系統(tǒng)等故障發(fā)生的原因，從地面試車、分解裝配、拆檢清洗、線路檢查等方面提出了轉(zhuǎn)速擺動(dòng)故障的預(yù)防措施。國外Ait 等[10]、Crusius 等[11]、Tarbouriech 等[12]通過設(shè)計(jì)PI 控制器，基本消除工作環(huán)境和發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化對(duì)起動(dòng)控制性能的影響，保證發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)穩(wěn)定；Walsh 等[13]提出了MEF-TOD 協(xié)議，可應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度，在減小參數(shù)擺動(dòng)值方面有一定的借鑒意義。

為保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，獲得良好的性能，本文基于高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制原理，列舉導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擺動(dòng)的因素，分析定位原因，并進(jìn)行了排故和外場驗(yàn)證。

1 高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擺動(dòng)故障現(xiàn)象

在發(fā)動(dòng)機(jī)使用過程中，在油門桿未動(dòng)、進(jìn)氣溫度沒有變化的穩(wěn)定狀態(tài)下，在地面和空中多次出現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無規(guī)則擺動(dòng)，其它參數(shù)隨動(dòng)的故障現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擺動(dòng)故障現(xiàn)象

判讀飛參，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、排氣溫度、高壓進(jìn)口導(dǎo)葉角度擺動(dòng)幅值較大，超過規(guī)定值；操作者在座艙中明顯感到推力變化。

2 高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制原理

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器自動(dòng)保持高壓轉(zhuǎn)子的給定速度并按進(jìn)氣溫度修正，靠改變主燃燒室的供油量來實(shí)現(xiàn)[14]。計(jì)量開關(guān)的位置決定燃油供油量，取決于主燃油泵調(diào)節(jié)器的離心調(diào)節(jié)器和綜合電子調(diào)節(jié)器[15-16]。高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制原理如圖2所示。

圖2 高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制原理

在離心調(diào)節(jié)器的擺錘活門上，受配重的離心力和彈簧的共同作用。當(dāng)擺錘活門偏離均衡位置時(shí)，通過改變放油孔口的面積來改變擺錘內(nèi)腔中的燃油壓力，從而改變供油量，直到轉(zhuǎn)速恢復(fù)平衡為止。

用主燃油泵調(diào)節(jié)器油門桿調(diào)節(jié)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度感受附件的指令通過型面凸輪修正轉(zhuǎn)速。當(dāng)燃油溫度變化時(shí)，利用溫度補(bǔ)償器保證轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器穩(wěn)定工作。發(fā)動(dòng)機(jī)綜合電子調(diào)節(jié)器根據(jù)占空比S1，參與控制主燃燒室供油量。

3 高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擺動(dòng)故障原因分析

基于該型發(fā)動(dòng)機(jī)的控制計(jì)劃和控制原理，高壓轉(zhuǎn)子相對(duì)轉(zhuǎn)速應(yīng)按與油門、進(jìn)氣溫度相關(guān)的調(diào)節(jié)計(jì)劃來控制主燃油流量，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的推力按規(guī)律變化。

（1）在進(jìn)口溫度感受附件方面，當(dāng)進(jìn)口溫度感受附件故障時(shí)，T1測(cè)量有誤，導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)子給定轉(zhuǎn)速不能按進(jìn)氣溫度修正，引起轉(zhuǎn)速擺動(dòng)。

（2）在綜合電子調(diào)節(jié)器方面，S1指令控制主燃油供油量時(shí)，若指令異常，導(dǎo)致供油量變化，進(jìn)而使轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)。綜合電子調(diào)節(jié)器消喘指令可導(dǎo)致主燃燒室短時(shí)切油，進(jìn)而使轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)。綜合電子調(diào)節(jié)器大車重調(diào)指令可導(dǎo)致重調(diào)特性改變發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，進(jìn)而使轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)。

（3）在燃油系統(tǒng)方面，主泵進(jìn)口油壓波動(dòng)量值較大，且低于允許最小進(jìn)口燃油壓力時(shí)，可能出現(xiàn)主燃油泵調(diào)節(jié)器工作異常情況，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動(dòng)。在主泵進(jìn)口油溫異常波動(dòng)時(shí)，主泵內(nèi)部溫度補(bǔ)償片來不及修正計(jì)量燃油流量，進(jìn)而使轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)。

（4）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)方面，計(jì)量裝置工作異常時(shí)，定壓差發(fā)生波動(dòng)，計(jì)量燃油流量發(fā)生變化，進(jìn)而使轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)；擺錘活門工作異常時(shí)，導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)子相對(duì)轉(zhuǎn)速按油門、進(jìn)氣溫度特性調(diào)節(jié)的靈敏性降低，進(jìn)而使轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)；加速控制器無法退出工作時(shí)，與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器共同耦合控制，使得系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

綜上所述，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擺動(dòng)故障與進(jìn)口溫度感受附件、綜合電子調(diào)節(jié)器、燃油系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)等有關(guān)。故障樹如圖3所示，共有9個(gè)底事件。

圖3 穩(wěn)態(tài)時(shí)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動(dòng)故障樹

對(duì)圖中故障因素分析可知：

（1）在試車過程中測(cè)量主、副溫包指令壓力及穩(wěn)定放油壓力，壓力值穩(wěn)定，符合技術(shù)要求。X1因素可以排除。

（2）在試車過程中進(jìn)行綜合電子調(diào)節(jié)器斷電檢查，轉(zhuǎn)速波動(dòng)現(xiàn)象依然存在。X2、X3、X4因素可以排除。

（3）主泵為齒輪泵，容積泵的進(jìn)口壓力即使波動(dòng)，對(duì)泵后壓力影響甚微X5因素可以排除。

（4）在飛參中無燃油超溫告警，且油溫變化也不至于引起燃油計(jì)量發(fā)生突變；溫度信號(hào)慣性較大，不太可能發(fā)生突變。X6因素可以排除。

（5）在試車時(shí)增設(shè)計(jì)量裝置前后壓力傳感器P22、P21，轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)其壓差值保持恒定，未見波動(dòng)；計(jì)量活門隨動(dòng)活塞隨動(dòng)活塞面積較大，對(duì)壓差響應(yīng)很靈敏，其結(jié)構(gòu)為皮碗結(jié)構(gòu)，未見滯澀情況。X7因素可排除。

（6）查閱履歷資料，故障發(fā)動(dòng)機(jī)的主泵出廠時(shí)擺錘活門靈活性檢查結(jié)果為±0.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此次波動(dòng)量，壓力測(cè)試結(jié)果表明擺錘內(nèi)腔壓力正常，單擺活門運(yùn)動(dòng)靈活。X8因素可排除。

判讀故障發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性，加速性慢，超出正常范圍。當(dāng)加速性過慢，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)時(shí)加速控制器無法退出工作，與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器共同耦合控制，使得系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作狀態(tài)下，自動(dòng)加速活門關(guān)閉計(jì)量開關(guān)隨動(dòng)活塞放油，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器保持穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)調(diào)整加速釘過多導(dǎo)致加速性變慢時(shí)，加速活門在彈簧作用下向右移動(dòng)過多，不能完全關(guān)閉，計(jì)量活門偏開，隨動(dòng)活塞控制內(nèi)腔一直放油，達(dá)不到穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)建立時(shí)所需的油壓，加速控制系統(tǒng)會(huì)一直工作。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器共同耦合控制下，主燃油泵離心調(diào)節(jié)器的擺錘活門，受離心式轉(zhuǎn)速傳感器配重的離心力和彈簧的共同作用，無法建立穩(wěn)定工作時(shí)的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動(dòng)，并引起低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、排氣溫度、高壓進(jìn)口導(dǎo)葉角度等其他發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的隨動(dòng)。

綜上分析，加速控制器未完全退出工作是轉(zhuǎn)速擺動(dòng)的初步原因。

4 排故驗(yàn)證

針對(duì)波動(dòng)量較大的發(fā)動(dòng)機(jī)，判讀飛參發(fā)現(xiàn)加速時(shí)間較長，通過調(diào)整加速釘，將加速性調(diào)至規(guī)定范圍內(nèi)，進(jìn)行試車和飛行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動(dòng)現(xiàn)象消失，如圖4 所示。空中推力平穩(wěn)，操作者未感受到推力脈動(dòng)。

圖4 排故后發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)參數(shù)

5 結(jié)束語

高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作，對(duì)維持發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、保證發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)穩(wěn)定性和喘振裕度具有重要作用。本文針對(duì)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擺動(dòng)故障現(xiàn)象，基于高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制原理，通過列舉故障樹的方法分析故障原因，并逐一排除，確定故障原因?yàn)榧铀傩云瑢?dǎo)致穩(wěn)態(tài)時(shí)加速控制器無法退出工作，與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器共同耦合控制，使得系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。經(jīng)外場試車和飛行驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)正常，未見參數(shù)擺動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)推力穩(wěn)定。