航空發動機轉速擺動故障分析

李 楊 韋周慶 馬寅月

（1.海軍裝備部駐沈陽地區第二軍事代表室，遼寧 沈陽 110043； 2.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 故障概況

某型01 號航空發動機，地面試車及飛行時均存在單一N1轉速擺動情況，擺動量超標。

后續使用過程再次發現08 號發動機出現N1轉速擺動問題，N1擺動幅度較大，個別點存在擺動量超標問題，其他參數無異常。

2 轉速測量原理

航空發動機轉速是監測發動機工作狀況的一個重要參數，它的轉速反映了發動機控制干流的調節品質及發動機各部件的匹配情況，航空發動機轉速通過機載的轉速傳感器進行測量[2]，其測量的基本原理是：先由傳感器將轉速轉變成頻率信號，再通過測量信號的頻率或周期來測量轉速。轉速傳感器的結構原理如圖1 所示，當安裝在被測轉軸上的齒輪（導磁體）跟隨發動機轉子旋轉時，轉速傳感器的齒輪依次通過磁鐵兩磁極間的間隙，使磁路的磁阻和磁通發生周期性變化，從而在線圈上感應出頻率和幅值均與軸轉速成比例的交流電壓信號，通過測量模塊顯示發動機轉速數值[2]，由于航空發動機工作狀況非常復雜，航空發動機在實際使用中均容易出現轉速擺動現象[3]。

圖1 磁電式轉速傳感器示意圖

某型航空發動機測量轉速共有2 種轉速傳感器：感應式及頻率式，去往飛機座艙的指示儀表信號由感應式轉速傳感器產生，當轉子旋轉時，傳感器的靜子繞組中感應出三相電壓，其頻率和發動機轉速成正比。去往飛參和綜調的信號由頻率式傳感器產生，當安裝在發動機主軸上的測速齒輪旋轉時，每一個齒接近傳感器的端面，傳感器的線圈中產生的正弦電勢信號，其頻率與通過傳感器端面的齒數頻率對應，即與發動機轉速相對應。

轉速傳感器定子繞組內的感應電勢為：

e=Wc·Bx·l·v

式中：

e—測速發電機定子繞組感應電勢，單位V。

Wc—單相定子繞組匝數。

Bx—測速發電機內磁感強度，單位T。

l—測速發電機定子繞組有效長度，單位m。

v—測速發電機定子相對于轉子的線速度，單位m/s。

轉速傳感器輸出電勢與發動機轉速關系如圖2 所示。

圖2 轉速傳感器接負載時輸出特性

轉速傳感器輸出電勢頻率U（單位V）和發動機轉速N（單位rpm）成正比，發電機輸出電勢在轉速較低時，隨轉速的升高近似成線性關系，隨著轉速的進一步升高，增長曲線逐步變緩，到最高轉速時趨于平穩[4]。

某型航空發動機抵押轉子轉速N1和高壓轉子轉速N2經轉速傳感器測量后，N2轉速用飛機座艙中的指示表目視檢查，座艙中“監視與警告”系統的信號裝置顯示有N1極限值的信息，同時送出語音指令。N1信號送入進氣道自動調節器、綜合電子調節器及飛參記錄系統中，根據發動機地面檢查臺的指示目視檢查N1和N2。

發動機機載的3 支轉速傳感器測量信號分別通往數采、綜調及飛參，其中一路輸出信號通過發動機電纜插頭XC3 輸出至測量模塊進入數采系統顯示，另外一路輸出信號經發動機電纜插頭XC4 連接綜合電子調節器，進入綜調最終再引入數采顯示，最后一路輸出信號通過發動機電纜插頭XC2 進入飛參系統，最終再引入數采顯示。

3 故障排查

3.1 01號發動機排查情況

01 號發動機接地面檢查儀進行地面試車，發現地面檢查儀N1轉速無擺動現象。

清洗發動機接線盒插頭及N1傳感器至發動機接線盒之間線路的轉接插頭，地面試車，故障再現，擺動量超標。

更換全部3 支N1轉速傳感器后地面試車，故障再現，擺動量依然超標。

測量N1轉速傳感器阻值良好，測量發動機接線盒插頭至N1轉速傳感器之間線路絕緣性良好，檢查發動機至采集器間線路良好。

其間共更換多個采集器，進行地面試車故障均再現。

將3 個N1轉速傳感器互換安裝位置后進行地面試車，故障再現。

將發動機接線盒插頭直接引線至采集器，不使用相關飛機線路，進行地面試車，故障再現。

更換測速組件，測量發動機接線盒插頭至轉速傳感器之間線路絕緣性良好，轉速傳感器插頭插拔力良好，進行地面試車，故障再現。

經研究決定發動機裝回原有測速組件及轉速傳感器，進行原狀態驗證試車，試車時發現N1轉速正常，驗證試車后發動機進行大組件分解，分解前對N1線束及主電纜導通及絕緣性進行檢查，無異常；分解過程中對N1轉速相關傳動件進行外觀檢查，未發現異常。將N1線束及N1轉速傳感器更換新品，01 號發動機N1擺動量合格。

3.2 08號發動機排查情況

08 號發動機試車過程中全程單一N1參數擺動超標，為了解決故障，將發動機3 支轉速傳感器進行順時針串裝，并且更換采集器，地面試車N1擺動問題再現。

為了徹底排除N1轉速傳感器故障，對N1監控系統相關電纜插頭進行清洗，檢查相關電纜絕緣性及導通性，未發現異常。將前期N1參數基本無擺動的11 號發動機的N1轉速傳感器及采集器串安裝在08 號發動機上，地面試車N1擺動問題再現。

為了排除系統線路問題，外接引線送往采集器，地面試車N1擺動問題再現。

3.3 發動機復查情況

針對N1轉速擺動問題，對相關數據進行復查，發現有多臺發動機存在與08 號發動機N1轉速擺動超標類似情況。

3.4 信號線路屏蔽與接地

所用信號傳輸線纜均選用某電纜廠生產的雙絞屏蔽線，采取單端接地方式。

4 檢查驗證工作

針對該問題結合廠內及實際使用情況，組織相關專家到現場進行以下檢查驗證工作：對N1監控系統相關插頭進行清洗，檢查相關電纜絕緣性無異常。更換采集器、N1轉速傳感器，擺動問題依然存在。將飛機系統與發動機系統連接的插頭終端，外接引線送往飛參采集器，擺動問題依然存在。對廠內多臺發動機試車數據進行復查，發現存在與08 號發動機N1轉速單一參數擺動超標的類似情況。對在出現N1轉速單一參數擺動的發動機和隨機選取的其他臺架試車顯示參數進行復查，擺動量均合格。飛機更換擺動量未超標的發動機，擺動量依然存在，處于合格范圍內。將08 號發動機返廠在臺架進行試車驗證，擺動量合格。

5 結論

航空發動機采用保持渦輪膨脹比不變、噴口最小截面積、低壓轉子轉速N1，并限制高壓轉子最大轉速對發動機進行實時監控。當油門桿角度不變時，通過主燃油泵調節器的等壓差活門開環供油調節N1和離心式轉速調節器閉環調節保持N1不變。其轉速調節品質可通過N1的擺動量來衡量。在發動機實際使用過程中，由于供油系統和調節系統誤差，同時由于轉速測量系統精度的原因，允許轉速在一定范圍內擺動，不會對發動機正常工作產生影響，但是當轉速擺動量超過規定范圍時，容易造成發動機和飛機振動值超過規定值，嚴重時會損壞發動機和飛機機件，同時轉速擺動容易導致發動機控制規律紊亂，影響飛行員判斷，進而危及飛行安全。導致發動機轉速擺動的原因很多，但通常把由指示系統及電磁干擾造成的擺動稱為假擺動，由發動機機件故障或者調節系統故障引起的擺動稱為真實擺動[1]。

各相關單位就N1轉速單一參數擺動問題進行專題研討，認為該航空發動機在工作過程中，N2、T6、a1均未出現擺動現象，未出現推力脈動現象，可以判斷發動機工作穩定，N1轉速非真實擺動，不影響發動機的正常使用。