某型發(fā)動機溫限調(diào)整時轉(zhuǎn)速擺動故障分析

■ 王小龍 劉克軍 呂亞宏 王瑞澤/空裝駐咸陽地區(qū)軍事代表室 國營四達機械制造公司

0 引言

某型發(fā)動機為防止發(fā)動機超溫，設(shè)置了排氣溫度限制系統(tǒng)（簡稱溫限系統(tǒng)，用于“0.7額定”至“起飛”狀態(tài)以及反推狀態(tài)的排氣溫度限制），如圖1所示。發(fā)動機溫限調(diào)整時出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速擺動現(xiàn)象會影響發(fā)動機溫度限制調(diào)整的準確性，嚴重時可造成溫限系統(tǒng)無法正常調(diào)整。

圖1 發(fā)動機排氣溫度限制系統(tǒng)

1 故障現(xiàn)象

該型發(fā)動機廠內(nèi)試車，檢查調(diào)整起飛狀態(tài)限制溫度時發(fā)動機出現(xiàn)轉(zhuǎn)速擺動，擺幅近100r/min且排氣溫度伴隨擺動；檢查9900r/min限制溫度時轉(zhuǎn)速也有擺動，但擺幅較小，發(fā)動機無法調(diào)整排氣限制溫度。

更換執(zhí)行機構(gòu)、溫度傳感器、狀態(tài)傳感器、溫度調(diào)節(jié)器等發(fā)動機溫度限制系統(tǒng)附件，故障未排除；更換裝有測量排氣溫度熱電偶的集電環(huán)組件、溫度補償器以及補償器與集電環(huán)之間的電纜后，發(fā)動機排氣溫度擺幅明顯減小；調(diào)整導流環(huán)調(diào)節(jié)器，使發(fā)動機導流環(huán)達到0°時的轉(zhuǎn)速小于10000r/min，再次檢查調(diào)整限制溫度，故障現(xiàn)象消失。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 發(fā)動機排氣溫度限制系統(tǒng)

發(fā)動機排氣溫度限制系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)的主要元件包括敏感元件、放大元件、執(zhí)行元件、供油元件[1]。為保證發(fā)動機渦輪前燃氣溫度不超過渦輪機件能承受的溫度極限，確保發(fā)動機長期安全工作，該型發(fā)動機采取渦輪后排氣溫度限制系統(tǒng)，限制渦輪后排氣溫度不超過最大限制值，從而間接限制渦輪前燃氣溫度。該系統(tǒng)是由熱電偶、熱電偶補償器、溫度傳感器、狀態(tài)傳感器、溫度調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構(gòu)、燃油泵調(diào)節(jié)器等附件及電纜構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

發(fā)動機排氣溫度由12個K型熱電偶分兩組測量并輸出[2]，其中，一路由補償器進行溫度補償后送到座艙指示儀表，用于操縱人員監(jiān)測發(fā)動機排氣溫度，另一路由補償器補償后輸入溫度調(diào)節(jié)器。為便于監(jiān)控測量，在臺架試車時臺架數(shù)采系統(tǒng)對補償器后的信號進行采集。兩路所測的溫度差不超過8℃。

狀態(tài)傳感器搖臂與燃油泵調(diào)節(jié)器油門搖臂通過連桿剛性連接，如圖2所示。油門搖臂的位置對應于發(fā)動機狀態(tài)。燃油泵調(diào)節(jié)器油門搖臂旋轉(zhuǎn)帶動狀態(tài)傳感器搖臂在“0.7額定”刻線與“起飛”刻線之間旋轉(zhuǎn)時，狀態(tài)傳感器輸出電壓與搖臂旋角成比例變化。在“0.7額定”刻線輸出最大電壓，“起飛”刻線輸出最小電壓；在兩刻線間區(qū)域之外的區(qū)域，狀態(tài)傳感器輸出電壓恒定在最大值或最小值。當發(fā)動機接通反推時，反推接通信號輸入溫度調(diào)節(jié)器，切斷狀態(tài)傳感器輸入溫度調(diào)節(jié)器的狀態(tài)信號。

圖2 狀態(tài)傳感器與燃油泵調(diào)節(jié)器的連接

溫度調(diào)節(jié)器根據(jù)進口溫度傳感器、狀態(tài)傳感器輸入的信號進行計算形成V設(shè)定（即發(fā)動機相應狀態(tài)下的排氣溫度限制值），V設(shè)定與補償器輸送的V測量進行比較形成△V，△V=V測量-V設(shè)定。溫度調(diào)節(jié)器根據(jù)△V的大小發(fā)出27V的電脈沖進入執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)是一個電磁鐵銜鐵活門，其根據(jù)電脈沖接通時間t通和電脈沖循環(huán)周期時間（即t通+t斷）的比值——充填系數(shù)（占空比）S（S=t通/（t通+t斷）），改變電磁鐵銜鐵活門在一個脈沖周期內(nèi)的打開時間，從而改變?nèi)加捅谜{(diào)節(jié)器的液壓延遲器活塞控制腔回油量，改變延遲器活塞控制腔壓力；延遲器軸向移動改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速彈簧預緊力，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器降低發(fā)動機供油量和發(fā)動機排氣溫度，保證發(fā)動機安全工作。為便于發(fā)動機限制溫度的設(shè)置，溫度調(diào)節(jié)器設(shè)有調(diào)節(jié)按鈕，按下調(diào)節(jié)按鈕，溫度調(diào)節(jié)器將使設(shè)置的限制溫度下降Δt=100℃[3]。當接通反推時，溫度調(diào)節(jié)器限制的溫度將比起飛狀態(tài)的限制溫度低40℃。

2.2 發(fā)動機排氣溫度限制系統(tǒng)在試車臺的檢查調(diào)整

發(fā)動機排氣溫度限制系統(tǒng)的檢查和調(diào)整分別在發(fā)動機的起飛狀態(tài)、N2測量=9900r/min引氣狀態(tài)和最大反推狀態(tài)下進行。在溫限系統(tǒng)供電和“調(diào)整開關(guān)”接通的情況下，發(fā)動機油門推至起飛狀態(tài)時，溫度調(diào)節(jié)器將控制發(fā)動機狀態(tài)，此時的排氣溫度T6調(diào)整應等于根據(jù)性能計算所得的溫度，若不合格可通過溫度調(diào)節(jié)器上“主”調(diào)整旋鈕進行調(diào)節(jié)；發(fā)動機物理轉(zhuǎn)速在9900r/min，打開高壓壓氣機11引氣，在溫限系統(tǒng)供電和“調(diào)整開關(guān)”斷開的情況下，溫度調(diào)節(jié)器將控制發(fā)動機的排氣溫度為根據(jù)性能計算所得的溫度值；若不合格可用溫度調(diào)節(jié)器上的“0.7額定”調(diào)整旋鈕進行調(diào)整。在溫限系統(tǒng)供電和“調(diào)整開關(guān)”接通的情況下，發(fā)動機油門推至最大反推狀態(tài)時，檢查溫度調(diào)節(jié)器將控制發(fā)動機的排氣溫度為（T6調(diào)整-40）±8℃。

該發(fā)動機在起飛狀態(tài)溫限調(diào)整時轉(zhuǎn)速擺動較大，而N2測量=9900r/min引氣狀態(tài)下的溫限調(diào)整時的轉(zhuǎn)速擺動較小。

3 故障定位

通過上述故障現(xiàn)象和排除過程可以確定，造成發(fā)動機調(diào)整起飛狀態(tài)溫限時轉(zhuǎn)速擺動的原因有：發(fā)動機排氣溫度測量系統(tǒng)存在擺動；發(fā)動機在工作轉(zhuǎn)速區(qū)間導流環(huán)角度有輕微擺動。

4 故障原因分析

航空發(fā)動機工作狀態(tài)非常復雜，實際使用中容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速擺動現(xiàn)象[4]。導致發(fā)動機轉(zhuǎn)速擺動的原因很多，但通常把由指示系統(tǒng)及電磁干擾造成的擺動稱為假擺動，把由發(fā)動機機件故障或調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障引起的擺動稱為真實擺動[5]。根據(jù)發(fā)動機排氣溫度限制系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)工作和車臺排氣溫度的檢查和調(diào)整分析，導致發(fā)動機溫限檢查時轉(zhuǎn)速擺動的主要原因有發(fā)動機轉(zhuǎn)速擺動和發(fā)動機溫限系統(tǒng)故障，如圖3所示。造成發(fā)動機轉(zhuǎn)速擺動的原因有防喘系統(tǒng)導流環(huán)葉片角度擺動故障、發(fā)動機供油系統(tǒng)故障、發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)故障。另外，執(zhí)行系統(tǒng)、排氣測溫系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)器、進口溫度傳感器、狀態(tài)傳感器等出現(xiàn)故障均有可能導致溫限系統(tǒng)工作不正常。結(jié)合本次轉(zhuǎn)速擺動故障現(xiàn)象，重點檢查發(fā)動機轉(zhuǎn)速擺動和防喘系統(tǒng)導流環(huán)葉片角度擺動故障。

圖3 發(fā)動機溫限時轉(zhuǎn)速擺動故障樹

由于發(fā)動機只在檢查調(diào)整限制溫度時出現(xiàn)轉(zhuǎn)速擺動，斷開限溫系統(tǒng)電源后發(fā)動機各狀態(tài)的參數(shù)正常，未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速擺動超過±30r/min、溫度擺動超過±3℃的現(xiàn)象，因此可以排除發(fā)動機供油系統(tǒng)、發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)故障的可能性。

分別更換執(zhí)行機構(gòu)、溫度調(diào)節(jié)器、進口溫度傳感器、狀態(tài)傳感器，擺動現(xiàn)象未消失。進一步試車檢查，發(fā)現(xiàn)在導流葉片角度工作轉(zhuǎn)速區(qū)間的各穩(wěn)定狀態(tài)下，導流葉片角度擺動約為±0.1°，且數(shù)采采集顯示后的排氣溫度擺動為±2℃，其后所測溫度基本不擺動。由于補償器后的信號輸入溫度調(diào)節(jié)器參與排氣限制溫度的計算和調(diào)整，會導致輸出的占空比S擺動，為一次性排除故障，決定更換排氣溫度測量系統(tǒng)的熱電偶、溫度補償器及相連接的電纜組件。再次試車，溫度擺動現(xiàn)象消失，檢查調(diào)整限制溫度時轉(zhuǎn)速仍有擺動，擺幅約為60r/min，說明補償器后的排氣溫度擺動±2℃，對檢查調(diào)整限制溫度時出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速擺動有一定的“貢獻”。

接通發(fā)動機限溫系統(tǒng)電源，將發(fā)動機油門推至起飛狀態(tài)，通過溫度調(diào)節(jié)器的“主”調(diào)整旋鈕降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速至50～100r/min，使發(fā)動機由溫度調(diào)節(jié)器控制，觀察發(fā)動機各參數(shù)未出現(xiàn)超出工藝的擺動現(xiàn)象，說明發(fā)動機排氣溫度限制系統(tǒng)工作正常。按工藝規(guī)定調(diào)整導流環(huán)調(diào)節(jié)器1號釘，使發(fā)動機導流葉片角度在較小的轉(zhuǎn)速下達到0°（即降低導流葉片工作的對應轉(zhuǎn)速），使在檢查調(diào)整限制溫度時的轉(zhuǎn)速落在導流葉片工作區(qū)域的對應轉(zhuǎn)速之外，即檢查調(diào)整溫限時導流葉片角度處于0°狀態(tài)。再次檢查調(diào)整限制溫度，發(fā)動機各項參數(shù)正常，未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速擺動現(xiàn)象。

通過故障分析和排故過程可以確定，造成發(fā)動機檢查調(diào)整限制溫度時轉(zhuǎn)速擺動的原因有兩個，一是補償器后所測的排氣溫度擺動，造成參與計算的排氣溫度信號不穩(wěn)定；二是在一定的轉(zhuǎn)速區(qū)間，導流葉片角度有一定的擺動，會對發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性造成影響。當溫度調(diào)節(jié)器將限制溫度降低至100℃進行發(fā)動機限制溫度檢查時，排氣溫度限制系統(tǒng)處于一個動態(tài)調(diào)節(jié)過程，在此過程中又遇溫度和轉(zhuǎn)速擺動，兩者疊加經(jīng)溫度調(diào)節(jié)器放大，造成發(fā)動機轉(zhuǎn)速擺動。

5 預防措施

當檢查調(diào)整發(fā)動機起飛狀態(tài)限制溫度出現(xiàn)轉(zhuǎn)速擺動時，應首先在斷開溫限系統(tǒng)電源的情況下、發(fā)動機在“0.7額定”以上穩(wěn)定狀態(tài)時檢查補償器后的數(shù)采溫度是否有擺動現(xiàn)象，如有擺動應加以排除，再按要求進行檢查。