航空發動機飛行試驗喘振故障分析研究

雷 杰，許艷芝，郭政波

(中國飛行試驗研究院 發動機所，陜西 西安 710089)

1 引 言

發動機喘振是氣流沿壓縮系統軸線方向發生低頻高幅振蕩現象[1-2]，在飛行試驗中具有多發性、突發性等特點，輕則造成發動機工況急劇惡化,重則導致發動機機械損傷，嚴重危及飛行安全[3-4]。喘振發生時，可以觀察到發動機工作不連續，轉速擺動或下降，排氣溫度升高，有喘聲并急劇振動，同時發出低沉的噪聲，推力急劇下降[5-7]。

引起發動機喘振的原因很多，主要包括以下3類：(1)發動機幾何調節機構工作異常、燃油控制異常以及機械故障引起的發動機氣動失穩[8]；(2)發動機進氣畸變和進氣道斜板調節系統故障等引起的進氣擾動[9-10]；(3)發動機喘振裕度不足，導致發動機穩定裕度過低[8]。

某發動機在飛行試驗中出現了喘振停車故障，本文從引起發動機喘振的3個方面影響因素入手，分析了該發動機喘振停車故障原因，有針對性地給出了發動機調整措施，并對調整措施進行了試驗驗證。

2 喘振故障現象

發動機風扇可調導向葉片角度α1、壓氣機可調導向葉片角度α2、尾噴口喉部面積D8以及飛機進氣道斜板可調。喘振故障發生在高空發動機加速過程中，圖1為喘振發生時發動機主要參數變化曲線。

圖1 喘振時發動機主要參數變化曲線

由圖1可知，發動機喘振出現在節流狀態油門上推過程中，9.1s喘振后受消喘切油影響，發動機轉速、排氣溫度以及壓氣機出口總壓P31開始下降，其中排氣溫度以及P31在下降過程中均出現擺動現象，9.9s高壓轉速下降至空中慢車轉速以下，排氣溫度開始出現大幅上升并伴有轉速懸掛，28s排氣溫度超溫，發動機觸發2次切油保護程序后手動拉停。

3 喘振停車故障分析

根據上述發動機喘振故障現象，可以看出存在兩個方面問題：發動機喘振和消喘失效。下文針對這兩個問題進行研究和分析。

3.1 風扇和壓氣機可調導向葉片調節

圖2和圖3分別為發動機風扇前導向葉片α1和壓氣機前導向葉片α2調節過程變化曲線，圖中α1和α2的值越大，代表風扇和壓氣機葉柵級間流通面積越大。由圖2和圖3可知，發動機喘振前首先處于減速過程，α1減速過程調節處于瞬態控制線范圍內，并停留在最小極限調節位置。α2減速過程調節出現部分小于允許使用下界的現象，屬于發動機減速過程超前調節，可以提高發動機的穩定工作裕度。發動機喘振時，α1和α2均處于正常調節位置，后續受發動機消喘影響，α2先后出現5次關小消喘調節過程，α1由于已經處于最小調節極限位置，消喘時其調節位置不變。綜上可知，發動機喘振前后α1和α2調節過程均正常。

圖2 α1調節過程變化曲線

圖3 α2調節過程變化曲線

3.2 尾噴管喉道面積調節

圖4為發動機尾噴口喉部面積D8隨高壓換算轉速的變化曲線圖。由圖4可知，發動機喘振前，D8按照高壓轉速控制正常處于小喉部面積位置，發動機喘振后，D8正常執行了4次面積適當放大的消喘措施，后續由于高壓換算轉速降低，D8按照高壓轉速調節為大喉部面積狀態，發動機喘振前后D8調節未見異常情況。

圖4 發動機D8調節過程變化曲線

3.3 主燃油控制

喘振時發動機會自動執行消喘切油以及遭遇啟動程序，消喘切油結束后，主燃燒室供油會自動恢復，使發動機恢復到喘振前穩定狀態。圖5為發動機主燃燒室燃油壓力變化曲線。由圖5可知，喘振前在油門桿上推后，燃燒室燃油壓力正常上升。喘振后發動機先后執行了5次切油程序，其中第1次切油后發動機高壓轉速降至慢車以下，出現停車現象。后續在消喘切油和啟動供油影響下，主燃燒室燃油壓力在空中最小供油量上下波動，發動機出現轉速懸掛、排氣超溫，發動機拉停前執行了2次正常的超溫切油保護程序?？梢钥闯觯駮r發動機主機消喘切油出現異常，正常消喘系統切油后，發動機主燃燒室供油量不低于空中最小供油量限制，發動機出現停車是由消喘切油過深導致，而啟動供油和消喘切油二者綜合作用則使發動機轉速出現懸掛。

圖5 發動機燃燒室燃油壓力變化曲線

3.4 進氣擾動情況

圖6為發動機喘振前后飛行姿態變化情況。由圖6可知，喘振時飛機在同一高度水平飛行，其高度保持在0.647Hp.max(Hp.max表示飛機升限)附近，馬赫數保持在0.65，進氣道斜板未起調，迎角α不超過4.8°，俯仰角θ不超5.7°，側滑角β接近0，法向過載Nz變化范圍在0.9～1.1g(高度降低之前)，縱向過載Nx和側向過載Ny接近0?？梢钥闯觯l動機喘振時飛行姿態穩定，發動機進氣條件良好，不會造成嚴重的進氣擾動，可以排除進氣擾動影響。

圖6 發動機飛行姿態變化曲線

3.5 消喘機構工作情況

發動機喘振時，消喘系統會執行短時關小α1和α2、減小主機供油量、增大D8及進氣道斜板板位(起調條件下)、遭遇啟動等措施，使發動機恢復至喘振前油穩定狀態。從圖2可看出，發動機喘振時，α1受最小調節極限位置限制不再執行消喘關小措施。從圖3可看出，發動機喘振后，α2先后出現5次明顯關小消喘調節過程，說明α2正常執行了消喘措施。從圖4可看出，D8正常執行了4次D8放大消喘措施，其在執行的第5次消喘指令時，D8受轉速降低影響執行放大調節過程，故未能直接觀察到第5次的消喘調節過程。從圖5可看出，發動機喘振時先后執行了5次消喘切油和遭遇啟動程序，但在主機消喘切油后，主燃油室供油量出現低于空中最小供油量限制的異常情況，說明發動機消喘切油深度控制出現問題。地面整機檢查后，發現啟動裝置控制切油深度的節流嘴出現脫落，導致發動機消喘過度切油。

3.6 加速性檢查

表1 發動機慢車至中間狀態加速性對比

3.7 喘振停車故障原因

綜上可知，喘振發生時發動機參數正常，進氣穩定，幾何機構調節和燃油控制正常，發動機穩定裕度不足是導致加速過程中發動機出現喘振的主要原因。發動機空中出現停車是由啟動裝置機械問題導致發動機消喘切油過深引起，消喘切油和啟動供油的綜合作用使得發動機出現轉速懸掛現象，是發動機消喘失效的主要原因。

4 排故措施及驗證

4.1 排故措施

根據上文發動機喘振停車故障分析結果，為了解決發動機穩定裕度不足以及消喘切油過深問題，采取排故措施如下：

(1)減少發動機加速供油量，將壓氣機α2沿n2 cor減小方向適當關小(減小進氣攻角，改善葉片吸力面的氣流分離)，提高發動機穩定裕度；

(2)重新安裝脫落的啟動裝置節流嘴，進行地面消喘驗證。

4.2 試驗驗證

發動機啟動裝置節流嘴重新安裝后進行了地面消喘驗證，具體結果見表2，可知地面消喘后未見停車現象，發動機消喘切油控制恢復正常。

在0.647Hp.max(喘振高度)進行了發動機加速性對比試驗，并在0.647Hp.max喘振工作點進行3次復查驗證試驗，試驗時發動機工作均正常，未再出現喘振現象。其中，慢車至中間加速性對比驗證結果見表3，可知調整發動機后，0.647Hp.max上慢車至中間加速時間變長，由于發動機喘振故障未再復現，驗證了本文發動機喘振擴穩措施的有效性。

表2 消喘功能驗證結果

表3 加速性對比驗證結果

5 結 論

根據發動機喘振停車故障分析以及排故措施驗證結果，可以得到以下結論：

(1)發動機加速供油量設計與穩定裕度不匹配導致發動機在加速過程中出現了喘振，穩定裕度不足是發動機喘振的主要原因。

(2)機械故障導致主機消喘切油過深，喘振切油后發動機狀態降至慢車以下，主機出現停車現象。消喘切油和啟動供油的綜合作用使發動機出現轉速懸掛，直接導致發動機排氣超溫和消喘失效。

(3)減小發動機加速供油量以及關小壓氣機α2角度可以有效提高發動機穩定裕度，但會影響發動機加速性能。