某型燃氣渦輪起動機動力狀態超轉故障研究

葉忠陽，應 勇，楊朝瑞

（1.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016；2.成都國營錦江機器廠，四川 成都 610043）

引言

燃氣渦輪起動機以其體積小、重量輕、大推重比、大功率、環境適應能力強及自啟動等多方面的優點，被廣泛應用于航空發動機的起動系統中。某型燃氣渦輪起動機在工作時通過電起動機帶轉起動，再通過燃氣發生器產生的燃氣推動自由渦輪，自由渦輪軸輸出轉速經減速器帶動發動機轉動實現扭矩的傳遞，其主要功能包括發動機地面起動、發動機冷運轉、燃氣渦輪起動機冷運轉、發動機空中起動、飛機備份電源等，而每一個功能實現的背后都包含著一套或多套針對性控制系統的精準調控。本文將從某型燃氣渦輪起動機供電的工作狀態（動力狀態）出發，對其工作過程中出現的自由渦輪轉速超轉故障進行分析研究，同時為其他型號燃氣渦輪起動機或發動機類似故障提供修復參考[1-2]。

1 起動機轉速調節工作原理

機械液壓式調控是航空推進系統最早也是最常見的調控方式，隨著科技的進步、材料的升級及加工工藝的不斷發展，機械液壓式調控系統的設計及制造技術也在不斷完善，目前已經能夠實現較高精度的狀態反饋，滿足發動機多種復雜情況的自動調節需求[3]。

作為某型燃氣渦輪起動機控制系統的燃滑油附件，主要由滑油系統、燃油供給和調節系統、空氣系統等組成，通過停車電磁鐵、慢車電磁鐵、動力狀態電磁鐵的通斷控制實現起動機工作狀態的切換。在燃氣渦輪起動機工作過程中，調控系統通過感受燃氣渦輪起動機壓氣機渦輪轉速NTK、壓氣機渦輪后P2壓力、自由渦輪轉速NTC實現燃氣渦輪起動機狀態的自動調節，在進入正常工作狀態后，通過關斷活門控制燃油通路，并由壓力信號器輸出電動起動機斷開信號使電動起動機退出起動帶轉狀態。當燃氣渦輪起動機進入穩定工作狀態后，其壓氣機渦輪轉速與自由渦輪轉速也保持相對穩定以實現起動機穩定輸出的目的。燃氣渦輪起動機穩定工作時主要通過控制燃油供給來進行工作狀態的調整，當壓氣機渦輪或自由渦輪出現超轉時，其對應的轉速調節器離心飛重在旋轉過程中離心力增加，克服彈簧彈力，帶動活門移動，減小活門開度，降低燃油通路上供給燃燒室的燃油流量，導致輸出功率下降，渦輪轉速降低；伴隨渦輪轉速下降，轉速調節器轉速等比例降低，彈簧彈力大于離心飛重的旋轉離心力，活門位置回移，開度增大，燃油供給量增加，輸出功率增加，渦輪轉速回升。通過反復動態調節，實現起動機工作狀態的動態穩定[4-5]。

2 起動機動力狀態說明

燃氣渦輪起動機動力狀態控制部分主要由動力狀態活門組件、錐形彈簧、杠桿機構和自由渦輪轉速調節器組成（見圖1），燃氣渦輪起動機正常啟動時，動力狀態電磁鐵處于斷開狀態，壓力燃油連通低壓腔并同時作用于動力狀態活門組件的左右腔實現油液壓力平衡，此時動力狀態活門組件維持原有的力學平衡狀態，燃油控制系統中油液壓力變化對動力狀態活門組件的影響可以忽略不計。當起動機進入動力狀態時，動力狀態電磁鐵通電，切斷了壓力燃油通往低壓腔及動力狀態活門組件右側腔體的油路，導致動力狀態活門組件左側腔體內油壓升高，原有的平衡被破壞，活門左側腔體油壓、錐形彈簧綜合作用力大于活門右側腔體油壓和彈簧綜合作用力，活門向右移動，此時錐形彈簧伸長、壓縮量減少，作用在杠桿機構上的彈力因彈簧壓縮量減小而減小，而杠桿上端由頂桿傳遞過來的自由渦輪轉速調節器壓力未變化，導致杠桿機構上端受到的頂桿壓力大于下端錐形彈簧施加的彈簧力，此時杠桿機構上、下端受力不再平衡，受不平衡力的影響，杠桿上端向燃油進口處（左側）旋轉，下端向錐形彈簧側（右側）旋轉。在此過程中，燃油進口油路被杠桿機構上端的擋板活門關小，輸送至燃燒室的燃油流量減小，起動機輸出功率降低，通過降低燃油供給量保證了燃氣渦輪起動機動力狀態下低輸出功率的需求；而錐形彈簧因杠桿機構下端右移，壓縮量增加，作用于杠桿的彈力因壓縮量的增加而增大，在動態變化中使杠桿機構形成新的平衡，并維持穩定。

圖1 動力狀態控制部分結構圖

綜上所述，燃氣渦輪起動機正常工作狀態與動力狀態的切換主要通過動力狀態活門組件左右側油路的通斷來實現，當燃氣渦輪起動機進入動力狀態并穩定工作后，其動力狀態的輸出功率由杠桿機構上端擋板活門的開度決定，此時可通過調節動力狀態活門組件和錐形彈簧，改變施加在杠桿機構下端作用力的方式，實現燃氣渦輪起動機動力狀態參數的調節。

3 動力狀態超轉故障現象

3.1 故障現象

某型燃氣渦輪起動機在試車臺上進行性能復查，當進行動力狀態性能檢查時，按下設備上動力狀態按鈕后，按照預設值給燃氣渦輪起動機增加扭矩負載，使燃氣渦輪起動機壓氣機渦輪轉子轉速達到90%，保持扭矩恒定，此時本該保持動態穩定的起動機壓氣機渦輪轉子轉速、自由渦輪轉子轉速、輸出軸轉速持續異常升高，出現超轉故障，試車臺立即停車。待檢查線路、自查設備合格后，再次開車驗證，故障依舊，換裝燃滑油附件后，故障消失，動力狀態功能正常。

3.2 風險分析

動力狀態是起動機的低功率工作狀態，主要為飛機的相關輔助功能提供動力。若起動機在動力狀態時出現超轉，其輸出的功率會隨之變化，不符合要求的輸出功率會造成起動機工作狀態的不穩定，導致附件損傷。

為理清故障原因，結合本次試車超轉故障，開展全面故障分析。

4 故障原因

結合產品工作原理，由故障表現分析原因可能有試車設備出現故障和燃滑油附件工作異常，導致供給渦輪起動機燃燒室的燃油量過大，燃油調節系統未按照動力狀態工作要求供給燃油。因該臺燃氣渦輪起動機更換燃滑油附件后，故障消失，判斷該故障原因應為產品燃油調節系統故障即燃滑油附件故障。

4.1 動力狀態活門故障

活門（見圖2）由皮碗、環形彈簧、擋圈、活門桿等主要部件組成，裝配時皮碗呈向外舒張狀態，安裝襯套后環形彈簧提供的壓力將氟塑料碗壁壓緊在襯套上，以保證活門內部密封，隔離活門組件腔體實現油液壓力反饋控制。

圖2 活門結構圖

4.1.1 活門密封失效

起動機進入動力狀態后，活門原有的受力平衡被打破，活門單側受到燃油壓力（F油=ΔP油·S面積）作用，抵消彈簧力（F彈=K系數·X變形量）開始移動，最終達到新的平衡狀態。在這個過程中若皮碗密封失效，則活門組件左右腔體串油，兩油腔壓力相同或壓力差無法滿足動力狀態的自動調節，等效于工作在高功率輸出的起動機狀態，加之負載降低導致發生超轉故障。

4.1.2 活門移動阻力超差

活門在襯套中移動有一定的阻力，若活門移動阻力過大或卡滯，雖然活門兩邊腔體壓力發生了變化，但是活門工作過程中并未產生移動，壓力反饋失效，導致起動機動力狀態失效，發生超轉故障。

4.2 彈簧形變異常

動力狀態活門組件彈簧為圓柱形壓力彈簧，其兩端分別聯接活門和彈簧安裝座（見圖3）。在起動機動力狀態，該彈簧隨壓力變化進一步壓縮，若彈簧圓柱面與裝配腔的襯套壁發生接觸摩擦，則會導致彈簧狀態改變受阻，無法正常受力變化，進而導致活門無法移動或移動距離受限，影響起動機動力狀態的自動調整，出現超轉故障。

圖3 動力狀態活門組件

4.3 動力狀態電磁鐵功能失效

動力狀態電磁鐵安裝于燃滑油附件上，是起動機進入動力狀態的觸發開關，只有當電磁鐵通電將油路斷開形成壓力差，起動機動力狀態的相關調整原件才能正常進入工作狀態，發揮調控作用。若電磁鐵動作失敗或密封面未成功切斷油液通路，則起動機雖然發出狀態調整的信號，但是其仍未進入動力狀態工作模式。

5 故障排查

針對試車超轉故障，結合上述分析，技術人員隨即組織開展故障梳理排除工作。

5.1 產品調節系統故障排查

1）產品實物檢查。燃滑油附件上試驗臺性能復查。將該臺燃滑油附件上試驗臺進行動力狀態性能檢查，供油流量超標，特性調整失敗，故障復現。反復對電磁鐵通電，用手感受電磁鐵內銜鐵響應迅速、移動靈活，用耳朵聽銜鐵動作聲音清晰干脆。

2）燃滑油附件分解檢查。從燃滑油附件上分解開重調活門帽蓋，檢查發現柱形彈簧側面有磨損痕跡，壓縮彈簧存在肉眼可見的彎曲變形，檢查垂直度為2 mm，不合格。從燃滑油附件上分解下電磁鐵通電檢查，其銜鐵動作靈活無卡滯；檢查電磁鐵下密封擋板，其表面無異常且粗糙度合格。從燃滑油附件中取出動力狀態活門組件進行阻力檢查，開始移動及移動過程中阻力矩為4 N·m，滿足技術要求；隨后對活門組件進行密封性試驗檢查，活門密封性良好無滲漏，檢查合格。

結合故障現象及檢查情況判定故障原因應為柱形彈簧在受力壓縮過程中產生徑向移動變形，變形的彈簧側面與活門襯套壁擠壓接觸，導致活門移動受阻，調節失效。

5.2 復原驗證

為驗證分析的準確性，將燃滑油附件分別配裝原臺變形彈簧及合格彈簧進行對比驗證，裝配原臺變形彈簧的燃滑油附件故障依舊，而換裝合格彈簧的燃滑油附件動力狀態功能正常。隨后，將更換合格彈簧的燃滑油附件重新裝配起動機上試車臺進行試車，故障消失，動力狀態功能正常。通過對比驗證，確認彈簧變形量超差為導致本次動力狀態超轉故障的原因。

5.3 預防措施

1）柱形彈簧安裝前進行自然狀態及受力壓縮狀態下的垂直度檢查，發現形變超差及時更換合格件；

2）因彈簧安裝腔內空間相對寬裕，彈簧裝入安裝腔后未受力時有一定的活動余量，存在彈簧安裝座安裝并擰緊時彈簧姿態傾斜可能，致使彈簧長時間受力異常，產生結構變形。故而在彈簧裝配時，應保證彈簧安裝位置居中并平穩放置于安裝腔內后再裝配彈簧安裝座。

6 結語

本文結合某型燃氣渦輪起動機的超轉故障，系統地分析了故障的產生機理。柱形彈簧因結構異常，受力壓縮時產生徑向變形，接觸并擠壓襯套壁致使彈簧收縮受阻，進而影響動力狀態活門組件的活門移動，導致起動機進入動力狀態失敗，產生超轉故障。該故障可通過本文分析方法進行排除和預防，同時本文分析方法對后續該類型故障的識別、排除及預防工作具有借鑒意義。