航空發動機高壓轉子轉速擺動故障分析與排除

李小彪 ，馬慶巖 ，張立偉 ，谷雪花

（1.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015；2.中國人民解放軍31434部隊，沈陽 110000）

0 引言

在航空發動機正常使用過程中，由油門桿來控制高壓轉子轉速的變化。當油門桿不動時，發動機高壓轉子轉速應處于穩定位置。在使用過程中，如果出現油門桿不動而高壓轉子轉速擺動情況，會發生其他參數隨動的故障現象。這種故障極易造成發動機推力波動、進氣流量擾動、整機穩定性降低等問題，對飛行安全產生不利影響[1-2]。

黃玉軍[3]分析了發動機中與供油系統有關的性能工作參數擺動故障的原因，即轉速限制機構切油點提前、轉速放大器有故障或調整不當，這些因素直接影響發動機的工作性能，并介紹了排除故障的方法；張立新等[4]針對燃油壓力、燃油耗量、扭矩等參數擺動故障，列舉了粗細油濾臟和限溫、轉速校正系統、調速器、燃油調節器等故障發生的原因，并進行了故障排除；孔祥興等[5]針對某型民用渦扇發動機，通過改進算法，在渦扇發動機起動過程采用n-dot 閉環控制算法，設計了渦扇發動機起動過程開環與閉環分段組合的控制計劃，在起動初始階段采用基于油氣比的開環控制，之后進入閉環控制和慢車穩態控制模式，消除了起動初始階段的參數擺動，具有良好的穩定性和重復性；王磊等[6-8]參考國內外相關研究結果，提出了一種網絡參數與保成本容錯控制器協同設計方法，建立MET-TOD 調度協議作用下狀態變量和控制變量的傳輸特性，仿真結果顯示，低壓轉子轉速超調量降低了80%，參數擺動減小了66.7%，實現了控制器動態性能最優；殷孝勇[9]對渦槳五型發動機轉速擺動故障進行了分析，并分析了轉速調節系統、轉速校正系統、限溫系統及交聯裝置、燃油系統等故障發生的原因，從地面試車、分解裝配、拆檢清洗、線路檢查等方面提出了轉速擺動故障的預防措施。國外Ait 等[10]、Crusius 等[11]、Tarbouriech 等[12]通過設計PI 控制器，基本消除工作環境和發動機性能變化對起動控制性能的影響，保證發動機參數穩定；Walsh 等[13]提出了MEF-TOD 協議，可應用于數據傳輸調度，在減小參數擺動值方面有一定的借鑒意義。

為保證發動機轉速穩定，獲得良好的性能，本文基于高壓轉子轉速控制原理，列舉導致高壓轉子轉速擺動的因素，分析定位原因，并進行了排故和外場驗證。

1 高壓轉子轉速擺動故障現象

在發動機使用過程中，在油門桿未動、進氣溫度沒有變化的穩定狀態下，在地面和空中多次出現高壓轉子轉速無規則擺動，其它參數隨動的故障現象，如圖1所示。

圖1 高壓轉子轉速擺動故障現象

判讀飛參，高壓轉子轉速、低壓轉子轉速、排氣溫度、高壓進口導葉角度擺動幅值較大，超過規定值；操作者在座艙中明顯感到推力變化。

2 高壓轉子轉速控制原理

轉速調節器自動保持高壓轉子的給定速度并按進氣溫度修正，靠改變主燃燒室的供油量來實現[14]。計量開關的位置決定燃油供油量，取決于主燃油泵調節器的離心調節器和綜合電子調節器[15-16]。高壓轉子轉速控制原理如圖2所示。

圖2 高壓轉子轉速控制原理

在離心調節器的擺錘活門上，受配重的離心力和彈簧的共同作用。當擺錘活門偏離均衡位置時，通過改變放油孔口的面積來改變擺錘內腔中的燃油壓力，從而改變供油量，直到轉速恢復平衡為止。

用主燃油泵調節器油門桿調節高壓轉子轉速，發動機進口溫度感受附件的指令通過型面凸輪修正轉速。當燃油溫度變化時，利用溫度補償器保證轉速調節器穩定工作。發動機綜合電子調節器根據占空比S1，參與控制主燃燒室供油量。

3 高壓轉子轉速擺動故障原因分析

基于該型發動機的控制計劃和控制原理，高壓轉子相對轉速應按與油門、進氣溫度相關的調節計劃來控制主燃油流量，以保證發動機的推力按規律變化。

（1）在進口溫度感受附件方面，當進口溫度感受附件故障時，T1測量有誤，導致高壓轉子給定轉速不能按進氣溫度修正，引起轉速擺動。

（2）在綜合電子調節器方面，S1指令控制主燃油供油量時，若指令異常，導致供油量變化，進而使轉速發生波動。綜合電子調節器消喘指令可導致主燃燒室短時切油，進而使轉速發生波動。綜合電子調節器大車重調指令可導致重調特性改變發動機當前狀態，進而使轉速發生波動。

（3）在燃油系統方面，主泵進口油壓波動量值較大，且低于允許最小進口燃油壓力時，可能出現主燃油泵調節器工作異常情況，導致轉速波動。在主泵進口油溫異常波動時，主泵內部溫度補償片來不及修正計量燃油流量，進而使轉速發生波動。

（4）在轉速調節系統方面，計量裝置工作異常時，定壓差發生波動，計量燃油流量發生變化，進而使轉速發生波動；擺錘活門工作異常時，導致高壓轉子相對轉速按油門、進氣溫度特性調節的靈敏性降低，進而使轉速發生波動；加速控制器無法退出工作時，與轉速調節器共同耦合控制，使得系統工作不穩定。

綜上所述，高壓轉子轉速擺動故障與進口溫度感受附件、綜合電子調節器、燃油系統、轉速調節系統等有關。故障樹如圖3所示，共有9個底事件。

圖3 穩態時高壓轉子轉速波動故障樹

對圖中故障因素分析可知：

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

（2）在試車過程中進行綜合電子調節器斷電檢查，轉速波動現象依然存在。X2、X3、X4因素可以排除。

（3）主泵為齒輪泵，容積泵的進口壓力即使波動，對泵后壓力影響甚微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量發生突變；溫度信號慣性較大，不太可能發生突變。X6因素可以排除。

（5）在試車時增設計量裝置前后壓力傳感器P22、P21，轉速波動時其壓差值保持恒定，未見波動；計量活門隨動活塞隨動活塞面積較大，對壓差響應很靈敏，其結構為皮碗結構，未見滯澀情況。X7因素可排除。

（6）查閱履歷資料，故障發動機的主泵出廠時擺錘活門靈活性檢查結果為±0.1%，遠遠小于此次波動量，壓力測試結果表明擺錘內腔壓力正常，單擺活門運動靈活。X8因素可排除。

判讀故障發動機的加速性，加速性慢，超出正常范圍。當加速性過慢，導致穩態時加速控制器無法退出工作，與轉速調節器共同耦合控制，使得系統工作不穩定。

在發動機穩定工作狀態下，自動加速活門關閉計量開關隨動活塞放油，用轉速調節器保持穩定工作狀態。當調整加速釘過多導致加速性變慢時，加速活門在彈簧作用下向右移動過多，不能完全關閉，計量活門偏開，隨動活塞控制內腔一直放油，達不到穩態系統建立時所需的油壓，加速控制系統會一直工作。在轉速調節器共同耦合控制下，主燃油泵離心調節器的擺錘活門，受離心式轉速傳感器配重的離心力和彈簧的共同作用，無法建立穩定工作時的平衡狀態，導致高壓轉子轉速波動，并引起低壓轉子轉速、排氣溫度、高壓進口導葉角度等其他發動機參數的隨動。

綜上分析，加速控制器未完全退出工作是轉速擺動的初步原因。

4 排故驗證

針對波動量較大的發動機，判讀飛參發現加速時間較長，通過調整加速釘，將加速性調至規定范圍內，進行試車和飛行驗證發現，高壓轉子轉速穩定，轉速波動現象消失，如圖4 所示。空中推力平穩，操作者未感受到推力脈動。

圖4 排故后發動機穩態參數

5 結束語

高壓轉子轉速穩定工作，對維持發動機的推力、保證發動機的整機穩定性和喘振裕度具有重要作用。本文針對高壓轉子轉速擺動故障現象，基于高壓轉子轉速控制原理，通過列舉故障樹的方法分析故障原因，并逐一排除，確定故障原因為加速性偏慢，導致穩態時加速控制器無法退出工作，與轉速調節器共同耦合控制，使得系統工作不穩定。經外場試車和飛行驗證，發動機工作參數正常，未見參數擺動現象，發動機推力穩定。