某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低故障分析

華繼偉 王立 郭林林 劉創(chuàng)

摘 要：本文針對(duì)某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)加裝Pt2探針后出現(xiàn)的性能超出預(yù)期下降故障，建立了故障樹，通過孔探儀檢查等方法逐級(jí)排查，確定Pt2探針上的O型密封圈損傷導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部串流是本次故障的原因，針對(duì)故障原因提出整改措施并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合本故障提出了徑向進(jìn)氣壓氣機(jī)進(jìn)口總壓測試的改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī);改裝;性能降低;故障分析

中圖分類號(hào)：V235 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）18-0101-04

某在研渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)為徑向進(jìn)氣離心式壓氣機(jī)。因測試需要，在兩臺(tái)測試用用發(fā)動(dòng)機(jī)（編號(hào)1#和2#）的壓氣機(jī)進(jìn)口加裝總壓探針（Pt2探針）。根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果可知，Pt2探針的安裝帶來進(jìn)口總壓損失在0.6%以內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)在相同換算轉(zhuǎn)速（nc）下的換算功率（Pc）下降幅度不會(huì)高于1%（預(yù)期值）[1]。通過發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，1#發(fā)動(dòng)機(jī)加裝Pt2探針后，Pc變化不大，與計(jì)算預(yù)期值相符;2#發(fā)動(dòng)機(jī)加裝Pt2探針后，Pc出現(xiàn)明顯下降，遠(yuǎn)超計(jì)算預(yù)期值。針對(duì)2#發(fā)動(dòng)機(jī)Pc下降幅度超出計(jì)算預(yù)期值故障，開展了分析工作，進(jìn)行了排故檢查和驗(yàn)證，最終確定了故障原因，提出了整改措施，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，并結(jié)合本故障提出了徑向進(jìn)氣壓氣機(jī)進(jìn)口總壓測試的改進(jìn)方案。

1 故障描述

1.1 Pt2探針安裝情況

某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的Pt2探針，安裝在壓氣機(jī)進(jìn)口截面，共9支，周向均布。

1.2 加裝Pt2探針性能變化情況

圖1是1#發(fā)動(dòng)機(jī)加裝Pt2探針后性能的變化情況，可以看出在nc為95～99%范圍內(nèi)進(jìn)氣流量降低了0.22～0.45%，壓比降低了0.32～0.42%，功率降低了0.1～0.3%，T45升高0.1～0.17%。圖2是2#發(fā)動(dòng)機(jī)加裝Pt2探針后性能的變化情況，可以看出在nc為95～99%范圍內(nèi)進(jìn)氣流量降低1.14～ 1.5%，壓比降低2～2.24%，功率降低2.6～2.8%，T45降低0.4～0.44%。

裝Pt2探針后1#機(jī)的Pc下降符合預(yù)期，而2#機(jī)的Pc下降最大幅度達(dá)到2.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期值，需要查找原因，排除故障。需要查找原因，排除故障。

2 故障分析和排查

2.1 故障樹

根據(jù)故障現(xiàn)象，結(jié)合試驗(yàn)流程，建立發(fā)動(dòng)機(jī)裝Pt2探針Pc超預(yù)期下降故障樹[2]，見圖3。故障樹分四個(gè)方向進(jìn)行排查分析：

流道件損傷和流道件污染是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降最常見的原因，所以將其作為故障樹最先排查的兩個(gè)方向;原機(jī)狀態(tài)和加裝Pt2探針狀態(tài)的車臺(tái)性能試驗(yàn)之間，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件進(jìn)行了孔探儀檢查，所以將內(nèi)窺孔密封故障作為故障樹第三個(gè)排查方向;Pt2探針加裝作為故障樹最后一個(gè)排查方向。

2.2 故障排查及定位

對(duì)故障樹底事件進(jìn)行逐項(xiàng)排查。

2.2.1 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)流道件進(jìn)行孔探儀檢查

通過孔探儀檢查，發(fā)動(dòng)機(jī)流道完好未受損傷，排除X1～X4;發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道和壓氣機(jī)流道件清潔未受到污染，排除X5和X6。

2.2.2 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外部漏氣檢查

發(fā)動(dòng)機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)外部漏氣檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)有兩處內(nèi)窺孔安裝位置漏氣，重新安裝后重復(fù)上述檢查工作，沒有發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。再次對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能錄取試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能沒有明顯的改善，排除X7～X9，X16。

2.2.3 對(duì)加裝Pt2探針故障進(jìn)行排查

為保證Pt2探針測試的精度，盡量保證探針伸入流道的方向與氣流方向垂直，但是受機(jī)匣幾何形狀和尺寸的限制，設(shè)計(jì)方案上存在以下兩個(gè)缺陷：Pt2探針上選取的O型密封圈截面直徑較小，容易受到損傷;其次Pt2探針O型密封圈安裝孔為斜孔，當(dāng)Pt2探針伸入流道時(shí)，O型密封圈一側(cè)先接觸機(jī)匣壁，存在受力不均造成損傷的隱患。假設(shè)O型密封圈發(fā)生損傷，密封失效，第一級(jí)離心葉輪出口引向輸出軸組件密封用氣體將從Pt2探針密封位置進(jìn)入壓氣機(jī)進(jìn)口，如圖4所示，這種情況與開啟防冰引氣類似，對(duì)此情況建立模型進(jìn)行計(jì)算模擬。

第一級(jí)離心葉輪出口引氣比：

B=Wa引氣/Wa2

9個(gè)膠圈間隙與離心葉輪出口引氣間隙面積之比：

b=S膠圈間隙/S引氣間隙

密封失效系數(shù)K=1/3、2/3、1進(jìn)性能計(jì)算。

密封故障，泄露進(jìn)入壓氣機(jī)進(jìn)口的氣體流量為：

Wa泄露=B*b*K*Wa2

根據(jù)流量連續(xù)可以得到：

Wa2=Wa0+B*b*K*Wa2

即為：Wa2=

根據(jù)能量平衡可以計(jì)算出：

Wa2*T2=Wa0*T0+B*b*K*Wa2*T25

經(jīng)變換可得壓氣機(jī)進(jìn)口溫度為：

T2=（Wa0*T0+B*b*K*Wa2*T2.5）/Wa2

上式中，T2.5為引氣溫度，其計(jì)算公式為：

T25=（T3-T2 ）+T2

式中與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)基本無關(guān)，本文取為常數(shù)θ;而（T3-T2）為燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)算轉(zhuǎn)速和T2的函數(shù)關(guān)系，令其為f1（nc，T2）則：T25=θ*f1（nc，T2）+T2

已知發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度T0、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量Wa0、燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速ng、引氣處的溫比θ等參數(shù)，根據(jù)上述公式可以計(jì)算出在密封故障下的壓氣機(jī)進(jìn)口各未知參數(shù)，計(jì)算流程見圖5。

假設(shè)密封故障出現(xiàn)后，泄露氣體與進(jìn)口空氣在壓氣機(jī)前充分摻混，沒有畸變。根據(jù)不同密封失效系數(shù)下計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)，與相同換算轉(zhuǎn)速狀態(tài)下沒有泄露時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)對(duì)比，見圖6～圖8。

通過比較，試驗(yàn)得到的性能變化趨勢(shì)和不同泄露系數(shù)下的計(jì)算的性能變化趨勢(shì)基本一致，試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)性能變化值介于K=1/3和K=2/3計(jì)算性能變化值之間，初步推斷膠圈損傷個(gè)數(shù)在3個(gè)以上。拆卸Pt2探針后確認(rèn)探針上有5個(gè)膠圈出現(xiàn)損傷，與初步推斷相符。