多級軸流式壓氣機防喘系統模擬排故方案設計

楊天賀

（南京航空航天大學金城學院,南京 211156）

多級軸流式壓氣機防喘系統模擬排故方案設計

楊天賀

（南京航空航天大學金城學院,南京 211156）

喘振是由壓氣機內的空氣流量和壓氣機轉速偏離設計狀態過多而引發的一種發動機工作不正常的一種狀態。喘振是發動機的致命故障，嚴重時可能導致發動機空中停車甚至發動機致命損壞。本文以V2500航空發動機為研究對象，對其多種防喘系統中的一種措施——可調靜子葉片（VSV）防喘系統進行了研究，歸納和整理出了VSV系統常發生的故障現象以及發生故障的零部件等，通過參考維修手冊和工卡，設計出VSV系統排故方案。

航空發動機；喘振；VSV；模擬排故

1 多級軸流式壓氣機喘振簡介

航空發動機是飛機的核心，而發動機的喘振問題一直制約著渦輪發動機的發展，影響發動機的性能，嚴重時會損壞發動機，屬于發動機故障中最具破壞力的故障，對民用客機安全以及整個航空事業的發展造成巨大威脅。飛機發動機的喘振具體是指壓氣機的喘振。

壓氣機是用來提高進入發動機內的空氣壓力，給發動機工作時提供所需的壓縮空氣，同時可為座艙增壓、渦輪散熱和其他發動機的起動提供壓縮空氣。

航空燃氣渦輪發動機中，一般采用三種基本類型的壓氣機：軸流式、離心式和混合式。壓氣機喘振是指非正常工況下氣流沿壓氣機軸線方向發生的低頻率（通常有幾赫或十幾赫）、高振幅（強烈的壓強和流量波動）的氣流振蕩現象。喘振時的現象是：發動機的聲音由尖哨轉變為低沉；發動機的振動變強；壓氣機出口總壓和流量大幅度波動；轉速不穩定，推力驟然下降并且伴有較強的波動；引擎排出氣體溫度上升，導致超過溫度界限；超出界限程度較大時會發生放炮，氣流出現流動不暢而造成發動機停車。所以，針對喘振現象必須立刻執行修復程序，使壓氣機脫離喘振狀態。

2 航空發動機幾種常規防喘措施介紹

壓氣機喘振會使壓氣機葉片斷裂，引起發動機熄火停車，嚴重威脅發動機的安全工作。因此在使用中應避免喘振現象的發生。主要的防喘措施有以下三種。

1.1 從多級軸流壓氣機的某一級或數個中間截面放氣

當壓氣機轉速低于一定數值時將放氣門打開，其目的是為了增加前幾級壓氣機的空氣流量，避免前幾級因攻角過大而產生氣流分離。中間級放氣也避免了后幾級壓氣機進口流速過大、攻角過小，甚至為負值，使增壓比和效率降低的現象，放氣孔的位置和排出空氣的數量需要根據具體情況經過試驗進行選擇。

與其他防喘方法比較，這種方法在結構上比較簡單，但是部分被壓縮的氣體排放到大氣中去，浪費了壓縮這部分氣體的機械工，所以缺乏經濟性。

1.2 采用一級或數級導流葉片

用這種方法防喘時，進口導流葉片通常裝在第一級壓氣機前面。因為前幾級和末幾級的攻角偏離程度在壓氣機低轉速工作時最大，首先產生了氣流分離，因此可調導流葉片通常安裝在多級軸流式壓氣機的前幾級和末幾級。

1.3 采用雙軸或三軸結構

將壓氣機分成兩個或三個轉子，分別由各自的渦輪來帶動，于是一臺高增壓比的壓氣機就成為兩個或三個低增壓比的壓氣機了。如果在設計工作狀態下，雙軸壓氣機的兩個轉子的轉速是相同的，當轉速降低后，壓氣機的前幾級攻角增大，而后幾級的攻角減小，因而帶動低壓壓氣機需要較大的功率，而帶動高壓壓氣機需要較小的功率。形象的說，轉動低壓壓氣機比較“重”，轉動高壓壓氣機比較“輕”。這兩個壓氣機是由各自的渦輪帶動的，于是低壓壓氣機就自動的處于較低的轉速下工作，而高壓壓氣機則處于較高的轉速下工作。這種轉速的自動調整使前幾級和末幾級的攻角變化較小，從而避免了喘振的發生。

3 多級軸流式壓氣機防喘系統模擬排故演示面板設計

下面基于V2500發動機為例，進行模擬排故方案的設計。V2500發動機是先進的軸流式、雙轉子、高涵道比渦扇航空發動機。V2500發動機可調靜子葉片（VSV）通過調整高壓壓氣機進口導流葉片和三級靜子葉片的角度，保證低壓壓氣機的氣體流量和高壓壓氣機的氣體流量匹配，這樣能在較寬的工作范圍內使引擎保持正常的壓氣機特性，避免發動機發生喘振。在防止發動機喘振現象發生的同時，壓氣機的總效率也能獲得提升，并且引擎的燃油效率和經濟性得到了提高，因為可調靜子葉片的調節降低了氣體在壓氣機中的流動損失，可調靜子葉片是在當今民航客機上廣泛采用的高壓壓氣機防喘裝置，V2500發動機的可調靜子葉片系統則采用了進口導流葉片和前三級的靜子葉片可調的形式。

3.1 可調靜子葉片系統故障分析

可調靜子葉片系統的故障主要分為機械故障和電氣故障。VSV系統的機械傳動系統包括作動筒、靜子葉片等，靜子葉片的準確無誤的偏轉需要精密的配合與傳動來保證，從而保證整個可調靜子葉片系統的正常工作。

機械結構可能出現的故障有：VSV作動筒漏油；運動機構摩擦過大；操縱搖臂疲勞斷裂。

電氣故障有：作動筒位置反饋出錯（LVDT故障、LVDT反饋回路線路故障）；連接電氣插頭老化、松動；力矩馬達繞組故障；N2傳感器繞組故障；CIT傳感器故障；EEC故障。

電氣系統故障多由線路老化，電氣連接頭松動和傳感器出現故障造成。VSV系統電氣故障同樣會造成發動機控制的障礙。

3.2 可調靜子葉片的模擬排故方案的擬定

可調靜子葉片系統會因為各種原因導致故障。其中可能有VSV作動筒內活塞密封圈老化或受到腐蝕，不能起到完全密封的作用，從而作動筒驅動力降低并達不到驅動效果，使可調鏡子葉片驅動不良；若可調靜子葉片機械傳動機構由于滑油不足，導致傳動阻力增大甚至卡死，造成VSV的傳動不良，系統也不能正常運作。電氣連接插頭可能由于震動原因造成脫落，電氣導線也有可能由于被外物割傷、摩擦、腐蝕等造成絕緣體層破壞，引起斷路或短路。

電路的電氣連接傳輸出現問題，造成EEC檢測和傳輸限號出錯，EEC不能完成對可調靜子葉片系統的正常控制；如果可變差動反饋組件內的線圈老化或損壞，會造成作動筒反饋信號異常，也導致系統不能正常工作。若高壓壓氣機轉子轉速或發動機進口總溫傳感器出現故障不能獲取準確的參數，則造成發動機電子控制器檢測到傳感器異常。

排故流程

圖為排故流程：可調靜子葉片系統是一個相對復雜的控制系統，故障大多因為不同部件之間的故障相互影響、誘導而成。當可調靜子葉片系統出現故障時，第一步進行故障診斷。發動機的可調鏡子葉片控制系統、主動間隙控制系統、風冷式滑油冷卻器活門控制器、發動機低壓級放氣系統都是由來自燃油計量組件的高壓燃油驅動的，如果發生兩個或兩個以上的系統一同失效，則可以判斷出故障來自燃油計量組件或者燃油增壓泵。如果僅僅是可調靜子葉片控制系統發生故障，則檢查最近一次的飛行報告，將相關警告失效信息從ECAM中調出來。若警告ENGINE2 COMPRESSOR VANE的兩條信 息 是CHA VSV ACT/HC/EEC2和CHB VSV ACT/HC/EEC2， 同時滿足以下條件：引擎的新件使用循環數（CSN）大于2000，在起飛和爬升過程中ECAM的警告時間大于一分鐘，發動機出現了喘振現象、突破溫度界限或參數變化異常，出現了兩臺引擎持續的參數差異，那么故障是由于可調靜子葉片作動筒失效，需要及時修復或更新VSV作動筒。

4 總結與展望

本文以V2500航空發動機為研究背景，根據其壓氣機防喘系統中的一種——可調靜子葉片系統進行深入研究，了解其中的結構部件、常見故障，給出相應的模擬排故的方案。日后可以根據模擬排故方案制作模擬排故的面板，更加直觀的觀測可能出現的故障和排故流程。

[1]丁蓬勃,王仲生.航空發動機喘振故障機理及監控方法研究[J].科學技術與工程,2010 (15):3805-3809.

[2]王云.航空發動機原理[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009(96).

[3]夏存江.CFM56—3發動機可變幾何控制系統對發動機性能的影響[J].航空發動機,2008(03):42-45.

[4]李世林.VSV系統對CFM56發動機喘振的影響分析[J].科學技術與工程，2011(20):4934-4936.

楊天賀(1985—)，女，江蘇南京人，碩士，助教，主要從事：飛機系統故障診斷與維修方面的教學。