某型直升機發動機異常停車故障分析

劉沖沖，林森什

（中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001）

發動機為直升機提供飛行所需的動力，是直升機的核心部件，被稱為直升機的“心臟”[1]。發動機一旦發生故障，輕則導致飛行任務無法完成，重則會導致重大飛行事故。

直升機通常采用渦軸發動機作為動力裝置。渦軸發動機通常由進氣道、壓氣機、燃燒室、燃氣渦輪、動力渦輪、減速器等組成[2]。環境空氣從進氣道進入發動機，經壓氣機壓縮后進入燃燒室與燃油混合燃燒，產生的高溫燃氣驅動燃氣渦輪和動力渦輪做功。動力渦輪通過減速器驅動旋翼，進而提供飛行所需的動力。

渦軸發動機工作原理和機械結構都非常復雜，故障模式較多。在發動機所有故障模式中，發動機停車的后果是非常嚴重的。發動機停車后必須立刻進行故障分析，一方面可為解決故障提供指導，另一方面可為其他型號的設計、排故工作提供參考。

1 故障現象

某型直升機懸停飛行時，在提總距過程中飛行員未做任何發動機操縱的情況下，2號發動機燃氣渦輪轉速（Ng）、渦輪間溫度（ITT）、扭矩快速下降，報“2號發動機停車”“2號發動機燃壓低”“2號發動機滑壓低”告警。

經判讀飛參，2號發動機停車過程中工作參數（燃油流量除外）、燃油壓力低告警、滑油壓力低告警、故障字和狀態字等均與正常停車一致，但是燃油流量存在異常。正常停車燃油流量在Ng下降到一定值時消失，但是本次停車過程中燃油流量在Ng下降到0才消失。

綜上所述，確認故障是2號發動機異常停車。

2 故障分析

根據直升機上各系統的故障模式，發動機異常停車故障樹如圖1所示。

圖1 發動機異常停車故障樹

吸入阻燃物質會使燃燒室熄火導致發動機異常停車。排故時發現2號發動機進氣兜未按圖紙要求開排水孔。故障前一天機場天氣情況為暴雨，導致進氣兜積水約5 kg。直升機配裝的發動機要求穩定工作時進氣含水量不高于λ，飛行中積水被吸入發動機可能會使燃燒室熄火導致發動機停車，無法排除底事件X1。

異常吸入固體會導致壓氣機失效使ITT上升，與故障現象不符，可排除底事件X2；進氣畸變會導致Ng波動、ITT異常升高，與故障現象不符，可排除底事件X3；現場檢測燃油品質為5級，可排除底事件X4；異常停車前未報燃壓低告警，進行了燃油管路檢查、油箱增壓泵檢查、通氣孔檢查及氣密性試驗，地面試車發動機工作正常，可排除底事件X5;檢查未發現異常防火斷油，可排除底事件X6。

異常停車時PMS開關在“飛行”位置未變化，可排除底事件X7；飛行中未報“油門偏”告警，可排除底事件X8；異常停車后燃油流量一直存在，發動機吸油未中斷，表明未發生線路故障和機械故障，可排除底事件X9、X10；檢查燃氣發生器轉子未發生卡滯，可排除底事件X11；機匣破裂和燃氣渦輪破裂會導致停車前Ng持續波動，與故障現象不符，可排除底事件X12、X13。

綜上所述，發動機異常停車的原因是吸入阻燃物質。

3 故障機理

3.1 故障前發動機進氣含水量分析

某型直升機配裝的發動機要求穩定工作時進氣含水量不高于λ。地面開車標定了進氣兜積水5 kg時發動機在不同工作狀態的進氣含水量。由于進氣兜水面距離發動機進口92.1 mm，試驗測得地慢狀態和飛慢狀態進氣含水量遠小于λ，因此故障前發動機可以正常工作。

3.2 提距過程中進氣兜水面運動模擬

發動機停車前13 s內直升機俯角變化如圖2所示。懸停飛行提距過程中，直升機俯仰角迅速增大。發動機停車前13 s內直升機俯仰角由0.3°增大至4.1°，尤其在發動機停車前2 s，直升機俯仰角由1.1°增大到4.1°。當直升機俯仰角為4.1°時，水面與發動機進氣口靜態距離縮小了11.6 mm，水面距離發動機進氣口僅80.5 mm，水更容易被吸入發動機。

圖2 發動機停車前13 s內直升機俯仰角變化

為進一步研究發動機異常的故障機理，需分析直升機俯仰角增大過程中進氣兜內水面的運動過程。考慮到飛行安全和試驗條件的限制，采用FLOW-3D進行數值仿真，模擬發動機異常停車前13 s進氣兜內水面運動過程。FLOW-3D采用Tru VOF方法對流體界面進行三維重構，模擬自由液面的運動[3]。考慮到水是不可壓縮流體，采用RNG方法應用于Navier-Stokes方程作為控制方程，采用有限差分法進行求解。

不考慮發動機狀態，2號發動機異常停車前13 s和2號發動機異常停車時刻水面運動如圖3和圖4所示。可以發現，2號發動機異常停車時刻水面劇烈震蕩，進氣兜內部分水脫離水面甚至可能被甩出進氣兜進入發動機。

圖3 2號發動機停車前13 s進氣兜水面運動圖

圖4 2號發動機異常停車時刻進氣兜水面運動圖

3.3 發動機停車故障復現

為進一步確認發動機異常停車的原因，本文進行了故障復現試驗。由于真實復現起飛過程中2號發動機異常停車存在較大風險，以地面試驗作為故障復現的依據。

第1次試驗模擬進氣兜積水5 kg。2號發動機PMS開關從“停車”撥到“地慢”，2 min后從“停車”撥到“飛行”，3 min后直升機提距。試驗過程中發動機正常工作，故障未復現。雖然進氣兜積水量和故障當天一致，但是直升機俯仰角沒有變化，所以進氣含水量低于規定值λ，發動機沒有停車。

第2次試驗模擬進氣兜積水12 kg。2號發動機PMS開關從“地慢”撥到“飛行”，9 s后ITT溫度不穩定，表明發動機燃燒室已經熄火。第2次試驗2號發動機停車前Ng、ITT上升比1、3號發動機慢，扭矩上升比1、3號發動機快，與故障當天現象相符。

上述理論分析、數值仿真、地面試驗表明，直升機提距過程中發動機吸入雨水導致進氣含水量大于λ是導致發動機異常停車的原因。

4 整改措施

為解決本次發動機異常停車故障，按照圖紙補開了進氣兜排水孔。后續進行多次試飛行驗證，2號發動機無異常，故障未復現。為防止類似故障發生，在本型號直升機和新研直升機維護手冊中增加了進氣兜排水孔應無堵塞的檢查要求。

5 結論

本文針對某型直升機懸停飛行過程中發動機異常停車問題，利用故障樹、理論分析、數值仿真和地面試驗分析器故障原因和機理。通過分析，可以得到以下結論。

（1）本次發動機異常停車故障是進氣兜積累雨水導致進氣含水量高于發動機規定值λ導致的。

（2）針對本次發動機異常停車，可通過在進氣兜補開排水口解決，試飛結果也表明措施有效。

（3）本文對排查發動機異常停車故障有指導意義，也對新研直升機進氣系統設計有一定的借鑒意義。