某型航空發動機主油路壓力擺動故障分析

王段 楊宏 黎強

摘要：以某型航空發動機主油路壓力擺動故障為契機，以發動機工作原理為研究手段，結合發動機大修指南、臺架試車和故障樹等方法，將故障點逐層逐級定位到溫度放大器中的切換活門油路尺寸，并進行了試驗驗證。此類故障的成功排除，為外場及修理廠排故提供了參考，同時也將信息反饋至制造廠，并提出了解決措施。

關鍵詞：航空發動機；主油路；溫度放大器；切換活門

Keywords：aero-engine；main oil circuit；temperature amplifier；switch valve

0 引言

航空發動機起動過程中，主燃油泵調節器控制發動機的起動供油規律及高壓壓氣機可調轉子葉片的轉角。起動供油規律由自動起動器感受高壓壓氣機出口壓力，通過逐漸減少最小燃油消耗量的放油，實現供向主燃燒室的燃油隨高壓壓氣機出口壓力增加而增加供油的目的。隨后，根據自動加速器的供油規律向主燃燒室供油，并最終達到與慢車油門桿角度對應的均衡轉速，然后保持慢車狀態。高壓壓氣機可調靜子葉片轉角是由主燃油泵調節器感受高壓轉子換算轉速，按一定規律進行控制的。

某型發動機自研制以來，長期存在起動成功率低、起動時間長及參數擺動等問題，大修之后的發動機更是如此。本文針對其中一種新型故障模式進行研究，對于該型發動機的起動排故具有重要意義。

1 故障情況

對發動機整機試車進行性能錄取時，通過觀察發動機的參數曲線（發動機油門角度為12°）發現，在慢車域時，發動機高壓壓氣機葉片（也稱高壓導向器）角度起調之后一直出現擺動，且角度無上升趨勢（見圖1），同時發動機副油路壓力一直擺動（見圖2）。

2 故障分析

2.1 發動機燃油壓力的工作規律

主燃油泵調節器是發動機的“心臟”，它是按照發動機不同工作狀態要求的規律調節供給燃燒室的燃油。

發動機起動時燃油壓力規律如下：

Pf=Pf0+K1（K2P31-PH） （1）

式中，Pf為燃油總管燃油壓力；Pf0為燃油壓力；K1為發動機結構系數，由發動機結構關系確定；K2為減壓系數，取決于氣嘴直徑。

由式（1）可知，在發動機加速過程中，P31壓力值隨著N2換算轉速的增加而逐漸增大，（K2P31-PH）一項始終大于0且逐漸增大，表明Pf隨著N2換算轉速的增大而增大。

2.2 高壓壓氣機可調靜葉的工作規律

高壓壓氣機可調靜子葉片的功能是控制高壓壓氣機可調靜子葉片的位置，進而控制發動機的進氣量及氣壓。主燃油泵調節器是高壓壓氣機可調靜子葉片的控制系統，通過控制發動機的供油流量及壓力來控制發動機的進氣量，從而控制高壓壓氣機葉片的位置，其控制規律如圖3所示。由圖3可知，該發動機的高壓壓氣機可調葉片的調節規律與理論不符，不能滿足發動機的正常使用。

2.3 與故障相關的結構

以發動機工作原理為手段，結合歷年故障檢查情況、修理經驗及故障詳細數據，分析對該故障有影響的相關結構。相關結構主要包括主燃油泵調節器上的溫度放大器、起動裝置及噴嘴等，由此建立故障樹，如圖4所示。

3 故障定位

3.1 故障定位過程

此次出現的主油路壓力擺動故障，由于出現在發動機試車過程中，噴嘴的更換極難操作，需要對發動機進行大分解，且分解完成后容易產生其他故障，對于排故的成本及時間不利。因此，根據發動機的工作原理及修理經驗，結合外場歷年來的排故方法，首先在發動機臺架試車時測量溫度放大器輸出壓力兩個輸出管接頭的壓力值，發現其值均在允許的合格使用范圍內，但發動機副油路壓力卻仍在擺動。因此，采取串件以鎖定故障點，通過對故障部件的進一步分解檢查、試驗等，最終定位到具體的零件。

1）更換起動裝置部分

起動裝置是主燃油調節器與噴嘴之間的獨立部件，其功能主要是為發動主燃燒室分配燃油，并調節發動機的起動供油壓力，與發動機的主油路壓力密切相關。為此，將合格的同型起動裝置串裝在該發動機上進行性能試驗，發現與之前并無差別，仍出現相同故障現象，故排除起動裝置引起的主油路壓力擺動，仍舊裝回原臺配置的起動裝置。

2）更換主調溫度放大器部分

溫度放大器是主燃油調節器上一個基礎的調節部分，其根據溫度傳感器感受的外界溫度，轉化為燃油壓力，為主燃油調節器輸入基本參數。若溫度放大器出現故障，將導致整個發動機的工作基點處于無規律狀態，從而使發動機處于紊亂狀態。因此，將試驗合格的溫度放大器裝配至該發動機，進行臺架試車。試車發現，高壓導向器可調導流葉片、燃燒室主油路壓力完全符合理論工作規律，表明故障件為溫度放大器。

對原臺溫度放大器進行分解檢查，發現其內部活門尺寸與標準活門有差異，如圖5所示。合格件的油路孔在槽的中央，而故障件的油路孔明顯有錯位。油路孔位于槽中央是為了保證油路的正常切換，顯然故障件無法實現此目標，因而造成其中一個方向的油路快速切換，而另一個方向的油路切換速度明顯較慢，導致發動機主油路壓力出現擺動。

3.2 故障機理分析

圖6所示為溫度放大器工作原理。溫度傳感器將感受到的溫度信號放大并轉換為執行機構三維凸輪和溫度凸輪軸上齒輪的轉動。例如，發動機進口溫度升高，分油活門左端壓力增大，套筒左移開大放油孔，齒條活塞左腔油壓下降而左移，帶動齒輪順轉，同時帶動反饋杠桿反轉，反饋杠桿使分油活門左移而關小放油口，齒條活塞左腔油壓回升，活塞左移速度減慢并很快與右腔油壓和放松了的彈簧力相平衡。

但是，若切換活門的油路孔尺寸不合格（如圖5所示的故障件），則會使回轉接管的油路快速打開或關閉（圖6中藍圈部分），進而引起分油活門上下腔的壓力快速變化，從而造成三維凸輪及溫度凸輪的參數變化，使得主調的基準參數變化，導致故障發生。

4 故障驗證

將符合設計圖紙要求的切換活門串裝到故障溫度放大器中，然后將其裝配至發動機上進行臺架試車，整個試車過程中未出現類似故障，故障得到成功排除。

此次主油路壓力擺動故障產生的原因是切換活門尺寸公差不符合設計圖紙要求，使回轉接管的油路快速打開或關閉，進而引起發動機基準參數出現偏差，導致主油路壓力、高壓導向器可調葉片角度等不符合要求。

5 改進措施

基于以上分析結果，參考該型主燃油泵調節器大修指南，研究制定了制造加工過程中的控制措施，確保切換活門各油路尺寸公差完全在設計要求的公差范圍內，從而保證發動機基準參數不出現較大偏差。

參考文獻

[1]周宗才，鄭鐵軍.某型發動機結構特性控制[Z].中國人民解放軍空軍裝備部外場部，2013.

[2]某型發動機主燃油調節器大修指南[Z].

[3]某型發動機地勤培訓教材[Z].沈陽發動機研究所，2017.