某引進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障研究

劉芳明，蔣永寧，王章瑞，楊益

某引進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障研究

劉芳明1，蔣永寧1，王章瑞1，楊益2

（1.成都國(guó)營(yíng)錦江機(jī)器廠，四川 成都 610043，2.西南交通大學(xué) 軌道交通運(yùn)載系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610043）

針對(duì)某引進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)使用過程中出現(xiàn)頻次較高的喘振故障問題，基于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖解和放氣活門在不同工況下的作動(dòng)機(jī)制，闡釋了該型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的工作原理，并結(jié)合壓氣機(jī)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，深入剖析發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障的產(chǎn)生原因，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障主要是由于壓氣機(jī)前氣壓紊亂引起。為降低該發(fā)動(dòng)機(jī)故障發(fā)生幾率，進(jìn)一步研究了發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障的主要特征和表現(xiàn)形式，并基于此提出了一套新工藝方法和預(yù)防措施。本研究可為維護(hù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作以及保障發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過程中的可靠性和安全性提供參考。

發(fā)動(dòng)機(jī)；喘振故障；放氣活門；氣壓紊亂；可靠性；安全性

喘振是航空發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)遇到不正常現(xiàn)象，氣流沿著機(jī)體軸線方向發(fā)生振動(dòng)，誘發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速、輻射噪聲[1-3]。近幾年某型發(fā)動(dòng)機(jī)喘振問題突出，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能及飛行安全，其年累計(jì)發(fā)生次數(shù)在10次以上，故障率較高。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)問題進(jìn)行了一定研究，Saran[4]構(gòu)建了BR710型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)有限元模型，分析了靜剛度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。Philip[5]根據(jù)梁?jiǎn)卧獦?gòu)建了航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，引入非線性滾動(dòng)軸承的影響加以分析。Vincente等[6]采用三維殼單元對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)構(gòu)建了有限元模型，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，討論了沖擊載荷下機(jī)體振動(dòng)水平。臧朝平等[7]討論了超模型仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證概念和方法，研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的模型驗(yàn)證策略。羅貴火等[8]以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)建立了機(jī)體模型，并采取仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了機(jī)艙的振動(dòng)模態(tài)。但是，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振問題研究還相對(duì)較少。

本文圍繞某型發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振問題，通過對(duì)故障進(jìn)行研究，分析其故障原因，總結(jié)喘振問題的檢查及排除方法，研究喘振問題的維護(hù)方法及預(yù)防措施，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障率，提升直升機(jī)飛行安全裕度。重點(diǎn)對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障產(chǎn)生的原因作了分析，并研究出一套科學(xué)合理的工藝方法，對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)使用具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)工作分析

1.1 喘振現(xiàn)象分析

喘振是指發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)氣流發(fā)生分離而造成氣流回流，氣流來(lái)回運(yùn)動(dòng)，沿壓氣機(jī)軸線方向產(chǎn)生高振幅或低振幅的振蕩。直升機(jī)飛行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)軸線方向產(chǎn)生振蕩，產(chǎn)生劇烈聲響，其渦輪溫度迅速上升，扭矩明顯下降，影響直升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。喘振現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，直升機(jī)機(jī)身自身振動(dòng)振幅不大，但會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的壓氣機(jī)工作失穩(wěn)問題，其導(dǎo)流葉片與工作葉片間形成湍流，氣體分離，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣的劇烈振動(dòng)。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣流壓力和速度變化梯度較大，導(dǎo)致空氣從進(jìn)氣裝置噴射流出，使得壓氣機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)較低，從而影響燃?xì)鉁u輪的正常工作。同時(shí)，氣體流動(dòng)導(dǎo)致渦聲效應(yīng)，與結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)發(fā)聲疊加，誘發(fā)劇烈的噪聲問題。所以，在直升機(jī)飛行過程中，要盡可能避免喘振問題的發(fā)生。該型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)了防喘系統(tǒng)，該系統(tǒng)又稱預(yù)旋渦系統(tǒng)[9]，即在機(jī)匣上裝有電子放氣活門及活塞式活門，并在進(jìn)氣機(jī)匣支柱上設(shè)計(jì)了一定角度的預(yù)旋氣流孔，通過放氣活門及活塞式活門的工作可改變空氣流向壓氣機(jī)的相對(duì)角度，提高在低壓氣機(jī)速度條件下的喘振裕度[10]。

當(dāng)放氣活門打開時(shí)，經(jīng)過放氣活門調(diào)整的額定壓力P2.5（來(lái)自P2.5閥門）空氣流入機(jī)匣中空支柱中的預(yù)旋氣流孔，產(chǎn)生P2.5空氣噴射流，使吸入空氣在達(dá)到壓氣機(jī)之前形成漩渦，并沿著壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向旋轉(zhuǎn)，使得空氣更容易進(jìn)入，增加（補(bǔ)償）了壓氣機(jī)在低速時(shí)的空氣吸入量，從而提高在低壓氣機(jī)速度條件下的喘振裕度[11]。

綜上可以看出，壓氣機(jī)放氣活門是調(diào)整壓氣機(jī)喘振裕度的核心機(jī)件[12]。

1.2 放氣活門工作機(jī)理

如圖1、圖2所示，該型發(fā)動(dòng)機(jī)放氣活門主要包括安裝座內(nèi)側(cè)有彈簧作用的活塞滑塊、懸浮隔膜、用于P3空氣過濾的濾網(wǎng)、帶力矩馬達(dá)的電動(dòng)活門。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)放氣活門三維視圖

放氣活門工作原理為，兩個(gè)壓力（P、P2.5）作用于放氣活門活塞，P（調(diào)節(jié)后的P3壓力）或力矩馬達(dá)控制的壓力用于推動(dòng)放氣活門活塞的關(guān)閉，壓氣機(jī)中間級(jí)區(qū)域P2.5壓力和內(nèi)部彈簧用于推動(dòng)放氣活門活塞的打開。

FROM EEC（Electronic Engine Controller）：來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)電控。

放氣活門的開度由活塞位置決定。活塞在調(diào)節(jié)壓力P（調(diào)節(jié)后的P3壓力）和P2.5壓力的控制下運(yùn)動(dòng)。在低壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速下，由于P2.5比P高，活塞完全關(guān)閉，對(duì)應(yīng)的是放氣活門處于完全打開狀態(tài)；隨著壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速增高，P迅速增加，推動(dòng)活塞向下移動(dòng)，直至完全打開，對(duì)應(yīng)的是放氣活門完全關(guān)閉[13]。

放氣活門打開和關(guān)閉的工作時(shí)機(jī)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能。起動(dòng)初期，放氣活門在氣控作用下，為了保證壓氣機(jī)進(jìn)氣量，放氣活門處于打開狀態(tài)；隨著壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速增加，為保證壓氣機(jī)進(jìn)氣量與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速相匹配，放氣活門逐漸關(guān)閉；直至壓氣機(jī)在高轉(zhuǎn)速下，放氣活門的氣動(dòng)控制系統(tǒng)退出工作，由電控系統(tǒng)進(jìn)行控制。電調(diào)控制放氣活門的馬達(dá)扭矩從而調(diào)節(jié)活塞壓力P，抵消活塞的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速，使與進(jìn)氣量匹配，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的失速和加速[14]。

放氣活門關(guān)閉得早，壓氣機(jī)進(jìn)氣量達(dá)不到壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的需求，使壓氣機(jī)前形成一定的反壓，導(dǎo)致壓氣機(jī)前氣壓紊亂，氣流會(huì)沿著壓氣機(jī)軸向發(fā)生低頻、高振幅的氣流震蕩，引起工作部件的強(qiáng)烈振動(dòng)，產(chǎn)生連續(xù)低沉嘯聲，嚴(yán)重的會(huì)伴有放炮聲，故稱之為發(fā)動(dòng)機(jī)“放炮”現(xiàn)象[15]，即為發(fā)動(dòng)機(jī)喘振；放氣活門關(guān)閉得晚，電控系統(tǒng)無(wú)法介入工作，會(huì)造成壓氣機(jī)失速，即發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)失效。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析

該型發(fā)動(dòng)機(jī)典型故障現(xiàn)象為當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低壓氣機(jī)速度下，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量減少，如進(jìn)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作不正常，則出現(xiàn)上文提到的發(fā)動(dòng)機(jī)喘振現(xiàn)象。喘振直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作安全，強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)及共振會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件產(chǎn)生裂紋，葉片斷裂，嚴(yán)重的會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)失效、失火，直接影響地面試車、空中飛行安全。

該型發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣涵道較為復(fù)雜，故障調(diào)整排除難度較大。在故障分析過程中，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)及工作原理。故障排除涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括放氣活門本體故障和調(diào)整故障。

（1）放氣活門本體故障（放氣活門故障率分析）

放氣活門的關(guān)閉點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)電調(diào)系統(tǒng)啟調(diào)的工作時(shí)機(jī)。由于大氣溫度直接影響空氣密度，進(jìn)而影響壓氣機(jī)進(jìn)氣量，所以調(diào)整放氣活門的關(guān)閉點(diǎn)應(yīng)與大氣溫度相對(duì)應(yīng)，這也是在換季時(shí)放氣活門故障率升高主要原因。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)在直升機(jī)上的安裝位置不同，會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)進(jìn)氣的環(huán)境不同，進(jìn)而直接影響壓氣機(jī)的進(jìn)氣量。所研究的直升機(jī)上裝有三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，其安裝位置如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置

2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝于機(jī)身后側(cè)，其進(jìn)氣道位置并不是航向向前的，所以就進(jìn)氣量而言，其進(jìn)氣效果遠(yuǎn)不如1號(hào)、3號(hào)。同時(shí)，2號(hào)受1號(hào)、3號(hào)排氣管排氣的影響較大，進(jìn)口氣流不穩(wěn)定，加之吸入的空氣有部分1號(hào)、3號(hào)的尾氣，空氣質(zhì)量差，導(dǎo)致放氣活門故障率高。由以往故障放氣活門返廠修理的情況看，2號(hào)放氣活門懸浮隔膜出現(xiàn)老化裂紋或破裂的概率遠(yuǎn)大于1號(hào)、3號(hào)，放氣活門懸浮隔膜主要損壞現(xiàn)象如圖4所示。

圖4 放氣活門懸浮隔膜損壞現(xiàn)象

對(duì)放氣活門的故障原因進(jìn)行分析，其中四件懸浮隔膜出現(xiàn)老化裂紋或破裂，使得不密封不能正常調(diào)節(jié)放氣活門活塞上下腔的壓力，導(dǎo)致放氣活門失效。從日常維護(hù)情況看，這四件懸浮隔膜損壞均出現(xiàn)于換季時(shí)。直升機(jī)主要停放在露天環(huán)境，受空氣濕度影響較大。

放氣活門故障狀態(tài)下，懸浮隔膜工作面上會(huì)產(chǎn)生黑色碳化物顆，主要是燃燒室發(fā)生不完全燃燒，燃料中的碳元素燃燒后產(chǎn)生非常細(xì)小的碳顆粒，從而積碳增加。對(duì)于這樣的情況，需進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)“冷運(yùn)轉(zhuǎn)”。

（2）放氣活門調(diào)整故障（放氣活門調(diào)整失效分析）

放氣活門失效原因?yàn)椋{(diào)節(jié)螺釘固定保險(xiǎn)片松動(dòng)，導(dǎo)致放氣活門調(diào)節(jié)不正常。經(jīng)分析，該處調(diào)節(jié)螺釘保險(xiǎn)片易出現(xiàn)由于安裝不當(dāng)導(dǎo)致的未保險(xiǎn)作用，所以調(diào)節(jié)螺釘隨著發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)而松動(dòng)，調(diào)節(jié)氣針上下反復(fù)運(yùn)動(dòng)，使壓氣機(jī)進(jìn)氣量忽大忽小，進(jìn)而放氣活門工作失效。放氣活門的調(diào)節(jié)螺釘及保險(xiǎn)片如圖5所示。

圖5 調(diào)節(jié)螺釘及保險(xiǎn)片

3 發(fā)動(dòng)機(jī)故障梳理及排除措施

3.1 故障情況梳理

對(duì)近年發(fā)生故障的特征及故障排除情況進(jìn)行梳理，具體如圖6、表1所示。由圖6可以看出，1號(hào)和3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)故障發(fā)生次數(shù)較少，2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)故障次數(shù)較多，其中1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)故障排除方案為1次調(diào)整，1次更換；2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)故障排除方案為2次調(diào)整，4次更換；3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)故障排除方案為2次更換。由表1可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的排故方案中，調(diào)整放氣活門比較有效。

圖6 故障梳理

按以往維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，排除放氣活門故障的方法主要為調(diào)整放氣活門關(guān)閉點(diǎn)或進(jìn)行更換。通過本文的分析，放氣活門故障主要為懸浮隔膜裂紋或破裂故障，或者調(diào)節(jié)螺釘保險(xiǎn)片松動(dòng)。

3.2 故障排除措施

針對(duì)以上兩種情況，制定了新工藝方法和預(yù)防措施：

（1）對(duì)于長(zhǎng)期庫(kù)外停放的直升機(jī)，在試車前進(jìn)行兩次發(fā)動(dòng)機(jī)“冷運(yùn)轉(zhuǎn)”，即冷吹，以達(dá)到一定的除濕除潮效果。由于放氣活門在起始打開位時(shí)，活塞處于最下部，懸浮隔膜兩面都可接觸到從壓氣機(jī)過來(lái)的引氣（空氣），通過冷吹使懸浮隔膜兩面上的水份蒸發(fā)，同時(shí)進(jìn)氣溫度使懸浮隔膜到達(dá)預(yù)熱，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)從起動(dòng)到正常工作時(shí)的溫差。通過試驗(yàn)對(duì)比，采用該措施后，故障率大大降低。

（2）對(duì)調(diào)整后失效的放氣活門進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保險(xiǎn)片安裝到位后，壓緊螺釘須將保險(xiǎn)墊片壓緊后，再順時(shí)針、逆時(shí)針兩方向?qū)φ{(diào)整螺釘進(jìn)行緊度檢查，保證調(diào)整螺釘不松動(dòng)。

（3）試車后對(duì)2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行兩次冷吹，以清除放氣活門懸浮隔膜工作面上的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣碳化物。

按上述新工藝方法及預(yù)防措施對(duì)10架直升機(jī)進(jìn)行地面試車驗(yàn)證，驗(yàn)證情況如表2所示。

表2 地面試車驗(yàn)證

4 結(jié)論

通過對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障的研究，分析出該型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生喘振故障的原因主要包括進(jìn)氣口溫度不均、放氣活門放氣不足、葉片損傷等。由此提出針對(duì)喘振故障的新工藝方法和預(yù)防措施。經(jīng)過驗(yàn)證，將新工藝方法納入相關(guān)操作手冊(cè)，能有效降低該型發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障發(fā)生頻次，為修理單位節(jié)約大量維修成本，同時(shí)也提高了某型直升機(jī)完好出勤率。

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Research on Surge Fault of an Imported Engine

LIU Fangming1，JIANG Yongning1，WANG Zhangrui1，YANG Yi2

(1.Chengdu State-owned Jinjiang Machinery Factory, Chengdu 610043, China;2.State Key Laboratory of Rail Transit Vehicle System, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 )

In this paper, aiming at the high-frequency surge fault problem of an engine used outdoors, on the basis of the engine structure diagram and the working mechanism of the bleed valve under different working conditions, the working principle of the air compressor of this type of engine is explained, and the cause of the engine surge failure is analyzed in combination with the air pressure adjustment system of the air compressor. It is found that the engine surge failure is mainly caused by the air pressure disorder in front of the air compressor. In order to reduce the probability of engine failure, the main characteristics and manifestations of engine surge failure are further studied, and a set of new process methods and preventive measures are proposed. This research can provide a reference for maintaining the normal operation of the aero-engine and ensuring the reliability and safety of the engine during use.

engine；surge failure；bleed valve；air pressure disorder；reliability；safety

V231.92

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.005

1006-0316 (2023) 10-0028-05

2022-09-26

國(guó)家青年基金項(xiàng)目——強(qiáng)湍流多物理場(chǎng)激勵(lì)下高速列車車體結(jié)構(gòu)聲振耦合機(jī)理研究（P111722G04001）

劉芳明（1978－），男，吉林遼源人，工程師，主要研究方向?yàn)槟承椭鄙龣C(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)維護(hù)，E-mail：40781147@qq.com。