發動機放氣活門關閉引起座艙抖動和異響故障的檢查與分析

馬進恩 陳培偉 張志峰

【摘 要】為查明某發動機在3級放氣活門關閉后造成飛機座艙內抖動和異響的故障原因，采用DEWE-1201型振動分析儀等設備對座艙和發動機進行測試，確定了引起座艙內抖動和異響的振動頻率。通過逐步對壓氣機放氣活門和可調導葉進行一系列調整、測試，并分析每項工作對異常振動的影響，查明了產生激振力的原因，為排除、預防此類故障提供了解決途徑。

【關鍵詞】發動機 座艙 抖動和異響 放氣活門

某型渦扇發動機（以下簡稱發動機）采用雙轉子、內外涵道混合排氣結構，有3級風扇、9級高壓壓氣機、1級高壓渦輪和2級低壓渦輪。為了防止喘振，高壓壓氣機的第1級進氣導葉為可調結構，第3級和第5級設有放氣活門。

1 故障介紹

XXX號發動機在試車過程中，當3級放氣活門關閉后，高壓轉速在90%～95%范圍時，操作者感覺到座艙內有抖動和異響，但儀表顯示發動機性能參數和振動值均穩定正常。對發動機進行調整安裝和串換飛機檢查，座艙內抖動和異響的現象始終存在。

類似故障在此前曾有發生，但對故障發動機進行臺架試車時未測到異常的振動信號，分解檢查也未發現任何零件存在可能引發異常振動的問題。

為查明XXX號發動機在90%～95%高壓轉速引起飛機座艙抖動和異響的故障原因，決定對發動機和飛機進行測振檢查。

2 外場測試

2.1目的

測試的目的是查明造成座艙抖動和異響的振動頻率和變化規律，為故障分析其提供條件。根據操作者反映的現象，應重點關注發動機高壓轉速在90%～95%范圍時座艙內突然出現的低頻振動信號。

2.2測試方案

2.2.1測試設備

DEWE-1201型振動分析儀、BK-4508B型振動加速度傳感器、ENDEVCO-2510型噪聲傳感器。

2.2.2傳感器布置方案

在發動機的風扇機匣、分流機匣、壓氣機匣和渦輪機匣上安裝振動加速度傳感器；

在飛機座艙內安裝振動加速度傳感器和噪聲傳感器。

2.2.3試車方案

（1）振動掃描：緩慢的將高壓轉速從56%（慢車狀態）升高至106%（起飛狀態），然后緩慢收回至56%；

（2）階梯檢查：將高壓轉速置于88%，然后以1%為臺階，逐漸升高至97%，每個臺階停留1分鐘左右，然后以相同方式收回至88%。

2.3測試過程及分析

2.3.1初始狀態測試

座艙內布置的振動傳感器和噪聲傳感器采集的信號顯示，當推、收油門使高壓轉速進入90%～95%區域時，座艙內突然出現了頻率為41HZ的振動信號和噪聲信號，在92%時達到峰值。該信號的出現時機和變化規律與座艙操作人員體感吻合，其頻率從出現到消失始終為41HZ，不跟隨發動機高、低壓轉速的變化而改變。

安裝在發動機上的振動傳感器在高壓轉速處在90%～95%的區域時，未采集到與座艙內41HZ振動對應的頻率信號。

對其他飛機和發動機采取相同的方法進行對比測試，未發現類似的異常振動信號。

本次試驗的分析意見：

（1）90%～95%高壓轉速下，座艙內突然出現的頻率為41HZ的振動（以下簡稱座艙異常振動）是操作人員感受到抖動和異響的來源，應作為后續檢查分析的主要關注對象。

（2）根據座艙異常振動頻率始終處在41HZ這一特征來看，該振動不是發動機內部機械運轉造成的；

（3）從發生的時機來看，座艙異常振動可能與三級放氣活門關閉有關（規定為86%～90%，該臺發動機實測值為88%）。

2.3.2調整放氣活門關閉/打開轉速后測試

（1）將三級放氣活門關閉/打開轉速調整至84%試車檢查，座艙異常振動信號無任何變化；

（2）將三級放氣活門關閉/打開轉速調整至92%試車檢查，座艙異常振動聲信號出現范圍變為92%～95%。

本次試驗進一步證明，座艙異常振動與三級放氣活門關閉有關。

2.3.3打磨放氣活門密封面后測試

拆卸發動機外涵機匣后，著色檢查放氣活門與壓氣機集氣室放氣孔密封面的貼合度，發現位于左上方的三級放氣活門與放氣孔密封面僅有3/4圓周有貼合印跡，且大部分為線狀貼合，其余3個放氣活門貼合印跡周向連續，大部分為面狀貼合，局部為線狀貼合。（技術標準要求貼合印跡周向連續，面積不低于80%）。

對壓氣機匣左上方的三級放氣孔與放氣活門密封面進行研磨，使著色印跡周向連續（但無法滿足貼合面積要求）。

復裝發動機后試車，測試發現座艙異常振動信號出現的范圍變為90%～92%，且強度明顯減弱。該變化與座艙操作人員體感吻合。

本次測試證明，提高三級放氣活門與壓氣機匣放氣孔密封面的貼合程度，可以縮小座艙異常振動區域、降低振動強度。

2.3.4調整進氣導葉片角度后測試

將壓氣機進氣導向器從-1°調整至-8°，目的是改變（略微增大）發動機涵道比，以改變內、外涵氣流。

試車檢查發現座艙內41HZ的振動和噪聲信號出現范圍變為88%～89%，且強度進一步減弱。該變化與座艙操作人員體感吻合。

本次測試證明，當改變發動機內、外涵氣流條件時，座艙異常振動會隨之發生改變。

3機理分析

通過對系列測試工作的結果進行綜合分析，可以得出結論：XXX號發動機高壓轉速在90%～95%區間時，飛機座艙內出現抖動和異響的問題，是壓氣機匣左上方的三級放氣孔密封面與放氣活門貼合不嚴導致內涵壓縮空氣泄漏，在高壓轉速處在90%～95%的區域時，內涵泄漏的氣流與外涵氣流共同作產生激振力，引起座艙響應造成的。

考慮到壓氣機匣的結構（鈑金焊接件）和工作條件（載荷與溫度從前往后遞增，且隨時變化），初步分析放氣活門孔密封面與放氣活門貼合不嚴，是由于機匣在制造殘余應力、工作載荷與熱應力共同作用下產生變形造成的。為了避免這種變形對發動機使用造成影響，現已開展了解決方案的研究工作。

參考文獻：

[1]《XXX發動機技術說明書》.中航工業航空動力機械研究所，2011年版.

作者簡介：馬進恩，男，中國南方航空工業（集團）有限公司，工程師，專業主攻：航空發動機外場故障診斷與分析；陳培偉，男，中國南方航空工業（集團）有限公司，工程師，專業主攻：航空發動機外場測試；張志峰，男，中國南方航空工業（集團）有限公司，工程師，專業主攻：航空發動機技術狀態管理。