某型發動機溫限調整時轉速擺動故障分析

■ 王小龍 劉克軍 呂亞宏 王瑞澤/空裝駐咸陽地區軍事代表室 國營四達機械制造公司

0 引言

某型發動機為防止發動機超溫，設置了排氣溫度限制系統（簡稱溫限系統，用于“0.7額定”至“起飛”狀態以及反推狀態的排氣溫度限制），如圖1所示。發動機溫限調整時出現的轉速擺動現象會影響發動機溫度限制調整的準確性，嚴重時可造成溫限系統無法正常調整。

圖1 發動機排氣溫度限制系統

1 故障現象

該型發動機廠內試車，檢查調整起飛狀態限制溫度時發動機出現轉速擺動，擺幅近100r/min且排氣溫度伴隨擺動；檢查9900r/min限制溫度時轉速也有擺動，但擺幅較小，發動機無法調整排氣限制溫度。

更換執行機構、溫度傳感器、狀態傳感器、溫度調節器等發動機溫度限制系統附件，故障未排除；更換裝有測量排氣溫度熱電偶的集電環組件、溫度補償器以及補償器與集電環之間的電纜后，發動機排氣溫度擺幅明顯減小；調整導流環調節器，使發動機導流環達到0°時的轉速小于10000r/min，再次檢查調整限制溫度，故障現象消失。

2 系統工作原理

2.1 發動機排氣溫度限制系統

發動機排氣溫度限制系統由控制系統和被控制系統組成，控制系統的主要元件包括敏感元件、放大元件、執行元件、供油元件[1]。為保證發動機渦輪前燃氣溫度不超過渦輪機件能承受的溫度極限，確保發動機長期安全工作，該型發動機采取渦輪后排氣溫度限制系統，限制渦輪后排氣溫度不超過最大限制值，從而間接限制渦輪前燃氣溫度。該系統是由熱電偶、熱電偶補償器、溫度傳感器、狀態傳感器、溫度調節器、執行機構、燃油泵調節器等附件及電纜構成的閉環控制系統。

發動機排氣溫度由12個K型熱電偶分兩組測量并輸出[2]，其中，一路由補償器進行溫度補償后送到座艙指示儀表，用于操縱人員監測發動機排氣溫度，另一路由補償器補償后輸入溫度調節器。為便于監控測量，在臺架試車時臺架數采系統對補償器后的信號進行采集。兩路所測的溫度差不超過8℃。

狀態傳感器搖臂與燃油泵調節器油門搖臂通過連桿剛性連接，如圖2所示。油門搖臂的位置對應于發動機狀態。燃油泵調節器油門搖臂旋轉帶動狀態傳感器搖臂在“0.7額定”刻線與“起飛”刻線之間旋轉時，狀態傳感器輸出電壓與搖臂旋角成比例變化。在“0.7額定”刻線輸出最大電壓，“起飛”刻線輸出最小電壓；在兩刻線間區域之外的區域，狀態傳感器輸出電壓恒定在最大值或最小值。當發動機接通反推時，反推接通信號輸入溫度調節器，切斷狀態傳感器輸入溫度調節器的狀態信號。

圖2 狀態傳感器與燃油泵調節器的連接

溫度調節器根據進口溫度傳感器、狀態傳感器輸入的信號進行計算形成V設定（即發動機相應狀態下的排氣溫度限制值），V設定與補償器輸送的V測量進行比較形成△V，△V=V測量-V設定。溫度調節器根據△V的大小發出27V的電脈沖進入執行機構。執行機構是一個電磁鐵銜鐵活門，其根據電脈沖接通時間t通和電脈沖循環周期時間（即t通+t斷）的比值——充填系數（占空比）S（S=t通/（t通+t斷）），改變電磁鐵銜鐵活門在一個脈沖周期內的打開時間，從而改變燃油泵調節器的液壓延遲器活塞控制腔回油量，改變延遲器活塞控制腔壓力；延遲器軸向移動改變轉速調節器轉速彈簧預緊力，通過轉速調節器降低發動機供油量和發動機排氣溫度，保證發動機安全工作。為便于發動機限制溫度的設置，溫度調節器設有調節按鈕，按下調節按鈕，溫度調節器將使設置的限制溫度下降Δt=100℃[3]。當接通反推時，溫度調節器限制的溫度將比起飛狀態的限制溫度低40℃。

2.2 發動機排氣溫度限制系統在試車臺的檢查調整

發動機排氣溫度限制系統的檢查和調整分別在發動機的起飛狀態、N2測量=9900r/min引氣狀態和最大反推狀態下進行。在溫限系統供電和“調整開關”接通的情況下，發動機油門推至起飛狀態時，溫度調節器將控制發動機狀態，此時的排氣溫度T6調整應等于根據性能計算所得的溫度，若不合格可通過溫度調節器上“主”調整旋鈕進行調節；發動機物理轉速在9900r/min，打開高壓壓氣機11引氣，在溫限系統供電和“調整開關”斷開的情況下，溫度調節器將控制發動機的排氣溫度為根據性能計算所得的溫度值；若不合格可用溫度調節器上的“0.7額定”調整旋鈕進行調整。在溫限系統供電和“調整開關”接通的情況下，發動機油門推至最大反推狀態時，檢查溫度調節器將控制發動機的排氣溫度為（T6調整-40）±8℃。

該發動機在起飛狀態溫限調整時轉速擺動較大，而N2測量=9900r/min引氣狀態下的溫限調整時的轉速擺動較小。

3 故障定位

通過上述故障現象和排除過程可以確定，造成發動機調整起飛狀態溫限時轉速擺動的原因有：發動機排氣溫度測量系統存在擺動；發動機在工作轉速區間導流環角度有輕微擺動。

4 故障原因分析

航空發動機工作狀態非常復雜，實際使用中容易出現轉速擺動現象[4]。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，把由發動機機件故障或調節系統故障引起的擺動稱為真實擺動[5]。根據發動機排氣溫度限制系統的組成、系統工作和車臺排氣溫度的檢查和調整分析，導致發動機溫限檢查時轉速擺動的主要原因有發動機轉速擺動和發動機溫限系統故障，如圖3所示。造成發動機轉速擺動的原因有防喘系統導流環葉片角度擺動故障、發動機供油系統故障、發動機轉速控制系統故障。另外，執行系統、排氣測溫系統、溫度調節器、進口溫度傳感器、狀態傳感器等出現故障均有可能導致溫限系統工作不正常。結合本次轉速擺動故障現象，重點檢查發動機轉速擺動和防喘系統導流環葉片角度擺動故障。

圖3 發動機溫限時轉速擺動故障樹

由于發動機只在檢查調整限制溫度時出現轉速擺動，斷開限溫系統電源后發動機各狀態的參數正常，未出現轉速擺動超過±30r/min、溫度擺動超過±3℃的現象，因此可以排除發動機供油系統、發動機轉速控制系統故障的可能性。

分別更換執行機構、溫度調節器、進口溫度傳感器、狀態傳感器，擺動現象未消失。進一步試車檢查，發現在導流葉片角度工作轉速區間的各穩定狀態下，導流葉片角度擺動約為±0.1°，且數采采集顯示后的排氣溫度擺動為±2℃，其后所測溫度基本不擺動。由于補償器后的信號輸入溫度調節器參與排氣限制溫度的計算和調整，會導致輸出的占空比S擺動，為一次性排除故障，決定更換排氣溫度測量系統的熱電偶、溫度補償器及相連接的電纜組件。再次試車，溫度擺動現象消失，檢查調整限制溫度時轉速仍有擺動，擺幅約為60r/min，說明補償器后的排氣溫度擺動±2℃，對檢查調整限制溫度時出現的轉速擺動有一定的“貢獻”。

接通發動機限溫系統電源，將發動機油門推至起飛狀態，通過溫度調節器的“主”調整旋鈕降低發動機轉速至50～100r/min，使發動機由溫度調節器控制，觀察發動機各參數未出現超出工藝的擺動現象，說明發動機排氣溫度限制系統工作正常。按工藝規定調整導流環調節器1號釘，使發動機導流葉片角度在較小的轉速下達到0°（即降低導流葉片工作的對應轉速），使在檢查調整限制溫度時的轉速落在導流葉片工作區域的對應轉速之外，即檢查調整溫限時導流葉片角度處于0°狀態。再次檢查調整限制溫度，發動機各項參數正常，未出現轉速擺動現象。

通過故障分析和排故過程可以確定，造成發動機檢查調整限制溫度時轉速擺動的原因有兩個，一是補償器后所測的排氣溫度擺動，造成參與計算的排氣溫度信號不穩定；二是在一定的轉速區間，導流葉片角度有一定的擺動，會對發動機轉速穩定性造成影響。當溫度調節器將限制溫度降低至100℃進行發動機限制溫度檢查時，排氣溫度限制系統處于一個動態調節過程，在此過程中又遇溫度和轉速擺動，兩者疊加經溫度調節器放大，造成發動機轉速擺動。

5 預防措施

當檢查調整發動機起飛狀態限制溫度出現轉速擺動時，應首先在斷開溫限系統電源的情況下、發動機在“0.7額定”以上穩定狀態時檢查補償器后的數采溫度是否有擺動現象，如有擺動應加以排除，再按要求進行檢查。