某型航空發(fā)動機加力參數(shù)異常故障原因分析

張帆，唐建根，李凱，李鵬輝，陳盼，蔡震

（成都航利（集團）實業(yè)有限公司，四川 彭州 611930）

0 引言

某型航空發(fā)動機為模擬電子-機械液壓控制的軍用雙轉(zhuǎn)子加力渦輪風(fēng)扇發(fā)動機[1]。受噴口喉道面積與加力供油量的匹配性影響，某型航空發(fā)動機接通加力控制規(guī)律復(fù)雜，燃燒條件惡劣，涉及因素較多，為準(zhǔn)確定位某型航空發(fā)動機加力參數(shù)異常故障誘因，以發(fā)動機加力狀態(tài)控制計劃和調(diào)節(jié)規(guī)律為基礎(chǔ)，建立了以“發(fā)動機參數(shù)異?！睘轫斒录墓收蠘?。按照故障樹進行性能試驗、分解檢查與故障原因分析，準(zhǔn)確定位故障源。

1 故障現(xiàn)象

某型飛機飛行過程中，該機飛行后半程長時間有加力接通信號。機組檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動機停車時噴口噴出一團火焰，停車后加II、III號輸油圈有燃油滴出，2 min后漏油現(xiàn)象消失。飛參判讀該機在工作中退出加力后，加力仍然接通。飛機滑回后收油門停車期間，長時間有加力接通信號（中間有幾次短時間加力斷開）。同時噴口收放轉(zhuǎn)速異常，收油門退出加力后，當(dāng)N2轉(zhuǎn)速下降到97%時噴口異常放大，著陸時噴口為大噴口（此時應(yīng)為小噴口）。檢查噴口加力調(diào)節(jié)器液壓延遲器、液壓放大器刻度盤在油門刻度盤為0°時，刻度為82°（規(guī)定值為58°～60°）。

2 發(fā)動機加力接通原理

發(fā)動機各個工作狀態(tài)是靠移動發(fā)動機的油門操縱桿來實現(xiàn)控制的。發(fā)動機起動過程進入加力域，高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速[2]N2R必須大于85%。當(dāng)高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速N2R達到85%時，發(fā)動機綜合電子調(diào)節(jié)器的加力控制與信號組合才能解除加力聯(lián)鎖，發(fā)動機進入加力狀態(tài)。油門角度從非加力位置到加力域的任意位置時，加力接通過程開始。此時，液壓延遲器活塞桿上的襯套隨油門桿下移到加力域的相應(yīng)位置，打開液壓延遲器活塞下腔回油路。液壓延遲器活塞位置與油門桿給定位置下活塞停止下移，液壓延遲器活塞位置匹配油門桿給定位置。隨著液壓延遲器活塞的下移，加力接通活門被液壓延遲器活塞推動向左移動，切斷執(zhí)行活門左腔的回油路，執(zhí)行活門投入工作，使壓力信號器前和控制壓力活門前的油壓升高。此時壓力信號器向發(fā)動機綜合電子調(diào)節(jié)器內(nèi)的加力控制與信號組合發(fā)送“已向加力燃燒室供油”的信號，發(fā)動機綜合電子調(diào)節(jié)器向加力點火裝置發(fā)送點火信號，執(zhí)行點火命令后，使加力燃燒室產(chǎn)生30 s的電火花。同時，加力控制與信號組合使最小加力電磁活門通電，打開定壓油的來油路，使頂桿活塞在定壓油的作用下向上移動到最小加力原來的加力域任意位置。加力燃油按最小加力狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，避免發(fā)動機因加力接通而帶來較大波動。當(dāng)加力燃燒室內(nèi)離子火焰探測器檢測到穩(wěn)定火焰信號后，向發(fā)動機綜合調(diào)節(jié)器發(fā)出指令，最小加力電磁活門斷電，作用在頂桿活塞下腔的定壓油被關(guān)閉，頂桿活塞下移解除對液壓延遲器活塞桿的作用，液壓延遲器活塞下移到油門桿給定的襯套位置。工作原理如圖1所示。

圖1 加力接通系統(tǒng)液壓延遲器原理圖

圖2 發(fā)動機加力參數(shù)異常故障樹

圖3 噴口加力調(diào)節(jié)器輸出桿叉件

3 故障樹建立與故障檢查

航空發(fā)動機加力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，加力燃燒室由于風(fēng)速高、壓力低，點火條件惡劣。整個加力點火所涉及的部件、附件有噴口加力調(diào)節(jié)器、加力燃油分布器等。如果參與加力點火的任意一環(huán)出現(xiàn)偏差就可能引起發(fā)動機加力參數(shù)異常故障。通過對加力燃油控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理分析可以看出，加力燃油控制系統(tǒng)基本上是一個全串聯(lián)的系統(tǒng)，用故障樹的方法來建立加力燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障樹[3]。故障樹建立的具體過程是選定加力燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)“發(fā)動機加力參數(shù)異?！惫收献鳛檎麄€系統(tǒng)（故障樹）的頂事件，建立故障樹，再根據(jù)故障樹對故障原因進行逐級檢查。

根據(jù)噴口加力燃油控制系統(tǒng)各子模塊工作原理分析，加力參數(shù)故障涉及飛參采集系統(tǒng)故障，噴口加力調(diào)節(jié)器故障與加力燃油分布器故障，結(jié)合本次加力參數(shù)異常伴隨噴口異常放大現(xiàn)象，重點對噴口加力調(diào)節(jié)器進行性能試驗與分解檢查。

3.1 性能試驗

根據(jù)故障現(xiàn)象，保持返廠狀態(tài)進行性能試驗，保持油門角度為小角度，上試驗器開機檢查加力輸出角度、加力輸油圈流量、檢查Ф10指令壓力。針對故障現(xiàn)象對加力輸油圈流量進行針對性檢查，結(jié)果如表1所示。

表1 流量特性曲線

檢查結(jié)果為當(dāng)油門角度為小角度時，加力輸出角度為81刻度，Ф10指令壓力為1.3 MPa。起動流量超出工藝要求范圍上限，試驗結(jié)果表明，油門角度與輸出角度匹配異常，噴口加力調(diào)節(jié)器一直維持在部分加力狀態(tài)。

3.2 分解檢查

根據(jù)噴口加力調(diào)節(jié)器性能試驗檢查情況與故障樹列舉的底事件，取下噴口加力調(diào)節(jié)器輸出桿叉件，分別檢查噴口輸出軸與加力輸出軸靈活性，發(fā)現(xiàn)噴口調(diào)節(jié)器輸出軸卡滯無法轉(zhuǎn)動，加力調(diào)節(jié)器輸出軸可轉(zhuǎn)動。

根據(jù)輸出軸卡滯情況著重分解噴口調(diào)節(jié)器，將噴口加力調(diào)節(jié)器分解至噴口調(diào)節(jié)器與加力調(diào)節(jié)器，分解小軸支架組件發(fā)現(xiàn)，小軸支架殼體結(jié)合面與噴口殼體間有1個螺帽和1個鎖片（如圖4），均為加力調(diào)節(jié)器擺錘活門組件上的螺帽與鎖片，且檢查加力調(diào)節(jié)器殼體內(nèi)腔發(fā)現(xiàn)擺錘活門組件螺帽與鎖片脫落。

圖4 擺錘活門組件螺帽、鎖片與加力調(diào)節(jié)器內(nèi)腔情況

小軸支架組件與噴口殼體存在卡滯夾傷，如圖5所示。初步分析為螺帽與鎖片在小軸支架與噴口內(nèi)腔殼體之間使小軸支架卡滯且造成小軸支架與噴口加力調(diào)節(jié)器殼體夾傷。

圖5 噴口調(diào)節(jié)器內(nèi)腔情況與小軸支架組件

進一步分解檢查，發(fā)現(xiàn)脫落的螺帽和鎖片來自擺錘活門組件。螺帽與鎖片脫落后，通過低壓腔進入噴口調(diào)節(jié)器，卡在小軸支架齒輪處，導(dǎo)致噴口調(diào)節(jié)器輸出軸卡滯。

分解其余噴口加力調(diào)節(jié)器零組件，未見異常。按照故障樹底事件排查，根據(jù)上述分解檢查情況，可以排除底事件X1～X4、X6～X15，無法排除底事件X5小軸支架組件卡滯造成本次故障的可能。

4 加力參數(shù)異常故障原因分析

4.1 加力退出異常原因分析

根據(jù)噴口加力調(diào)節(jié)器燃油系統(tǒng)原理（如圖6），當(dāng)小軸支架卡滯時，小軸支架通過傳動齒輪使噴口輸出軸無法轉(zhuǎn)動。噴口輸出軸與加力輸出軸通過輸出桿叉件相連，發(fā)動機收油門退出加力時，將油門桿從加力域收到非加力區(qū)域，油門指示臂帶動滑油轉(zhuǎn)換活門轉(zhuǎn)動，溝通滑油轉(zhuǎn)換活門下腔的回油路，使加力燃滑油熱交換器退出工作。液壓延遲器活塞桿上的襯套上移關(guān)閉液壓延遲器活塞下腔的回油路。由于液壓延遲器活塞桿與噴口輸出軸相連無法移動，加力泵左腔回油無法打開，加力泵無法停止供油。同時也無法將油門指令傳遞給加力調(diào)節(jié)器，加力調(diào)節(jié)器由于輸出軸卡滯停留在81刻度，發(fā)動機一直維持在部分加力狀態(tài)[4]，加力無法正常退出。

圖6 噴口加力調(diào)節(jié)器燃油系統(tǒng)原理圖

4.2 噴口收放轉(zhuǎn)速異常原因分析

根據(jù)噴口加力調(diào)節(jié)器燃油系統(tǒng)原理（如圖6），當(dāng)小軸支架卡滯時，小軸支架通過傳動齒輪使噴口輸出軸無法轉(zhuǎn)動，發(fā)動機進入加力狀態(tài)后，噴口調(diào)節(jié)器程序機構(gòu)按Fk＝f（PLA，T1）調(diào)節(jié)規(guī)律給定噴口限動值。噴口分油活門下端襯套打開分油活門活塞上腔的回油路，使分油活門活塞上腔油壓降低，分油活門停止下移。從而限制噴口截面面積，使發(fā)動機噴口不能小于程序機構(gòu)給定的位置。噴口調(diào)節(jié)器程序機構(gòu)[5]按Fk＝f（PLA，T1）規(guī)律調(diào)節(jié)噴口液壓限動線，使發(fā)動機噴口截面面積在部分加力狀態(tài)不能小于其限定值。飛機著陸收噴口時，噴口加力調(diào)節(jié)器著陸關(guān)噴口電磁活門溝通定壓油使落壓比擋板活門關(guān)閉，但由于噴口調(diào)節(jié)器輸出軸處于81刻度，發(fā)動機處于部分加力狀態(tài)，液壓限動位限制使噴口處于部分加力噴口狀態(tài)的噴口位置，噴口無法正常收小導(dǎo)致著陸時噴口收放異常。N2轉(zhuǎn)速下降到97%時噴口異常也是由于液壓限動位限動噴口位置所致。

4.3 擺錘活門組件螺帽與鎖片脫落原因分析

根據(jù)擺錘活門組件結(jié)構(gòu)（如圖7），螺帽脫落的原因為擺錘活門組件螺帽擰緊未到位、鎖片鎖尖未貼緊到位。該結(jié)構(gòu)在飛行過程中受振動導(dǎo)致螺帽有略微松動，螺帽對鎖片的壓緊不足致使鎖片鎖尖一側(cè)向遠離螺帽的方向上產(chǎn)生微小位移，從而使螺帽繼續(xù)松脫，導(dǎo)致螺帽完全脫落。擺錘活門組件螺帽與鎖片模擬松動過程如圖8所示。

5 故障結(jié)論

根據(jù)返廠檢查情況，結(jié)合上述分析，導(dǎo)致本次故障的原因為噴口加力調(diào)節(jié)器擺錘活門組件螺帽擰緊未到位、鎖片鎖尖未貼緊到位，該結(jié)構(gòu)在飛行過程中受振動導(dǎo)致螺帽有略微松動，螺帽對鎖片的壓緊不足致使鎖片鎖尖一側(cè)向遠離螺帽的方向上產(chǎn)生微小位移，從而使螺帽繼續(xù)松脫，進而導(dǎo)致螺帽完全脫落。螺帽與鎖片通過低壓腔進入噴口調(diào)節(jié)器使小軸支架組件卡滯，進而輸出軸卡滯導(dǎo)致輸出角度停留在81刻度，發(fā)動機一直維持在部分加力狀態(tài)。發(fā)動機無法正常退出加力導(dǎo)致加力退出異常，液壓限動位限動噴口位置導(dǎo)致噴口收放轉(zhuǎn)速異常，進而引起發(fā)動機參數(shù)異常。

圖7 擺錘活門組件螺帽與鎖片結(jié)構(gòu)

圖8 擺錘活門組件螺帽與鎖片模擬松動過程

6 結(jié)語

本文通過對發(fā)動機加力參數(shù)異常故障的研究，通過故障機理分析，結(jié)合噴口加力調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)與特點，按照故障樹進行性能試驗、分解檢查與故障原因分析，最終定位故障源，并為發(fā)動機類似故障提供了可借鑒的思路與方法。