某型航空發動機α2 自動上升現象研究

胡宇超 錢倫凱 李鵬輝/成都航利（集團）實業有限公司

0 引言

在發動機工作過程中，每種參數的變化均反映了發動機狀態的改變，異常的參數變化往往是故障的征兆，但發動機結構方面具有的某些特點會在特定的條件下引發局部參數的特殊變化，這些變化并不完全是故障，通過對其分析可以更加深入地了解發動機工作的狀態。

1 現象描述

某型發動機的壓氣機共13 級，其中低壓壓氣機4 級，高壓壓氣機9 級。為保證高、低壓壓氣機的喘振裕度和效率，發動機設計上采用低壓壓氣機第一級進口導流葉片葉梢尾端1/3 段變彎度可調，高壓壓氣機前三級導流葉片可調。

一架該型發動機在使用過程中因高壓壓氣機進口可調葉片角度α2（以下簡稱α2）上升緩慢，在開涵道對高壓壓氣機進口可調葉片傳動機構進行清洗潤滑時，現場測量發動機高壓可調葉片傳動機構兩側合力共3.5kgf，高壓作動筒返廠檢查修理。該機地面開車，在飛機增壓泵接通、發動機未起動時，出現α2自動上升現象。

2 發動機α2 傳動機構

發動機α2傳動機構由主燃油泵調節器導向器控制機構、高壓導向葉片傳動連桿機構、反饋鋼索、作動筒及相連的導管等組成。作動筒兩腔供油由主燃油泵調節器導向器高壓分油活門控制，通過作動筒活塞桿的移動推動連桿機構運動，反饋鋼索進行負反饋調節，傳動結構如圖1 所示。

3 原因分析

發動機工作時，主燃油泵調節器所有活門工作在控制油壓（定壓油）和環境油壓（主燃油泵調節器內腔）建立的壓差環境中，高壓壓氣機進口可調葉片角度α2通過控制油壓和泵內腔環境油壓形成的壓差進行控制，主燃油泵調節器通過漏油管連通轉接管，使主燃油泵調節器內腔的油壓與轉接管油壓一致；發動機不工作時，主燃油泵調節器內部油壓與轉接管處油壓保持一致。

圖1 高壓壓氣機進口可調葉片控制原理圖

3.1 發動機工作時α2 角度的調節

發動機正常工作時，由主燃油泵調節器指令杠桿帶動高壓分油活門移動。當發動機轉速增加，分油活門從中立位置左移時，分油活門切斷主燃油泵調節器齒輪泵后油路與作動筒有桿腔的連通，打開作動筒有桿腔到主燃油泵調節器內腔的回油，同時打開主燃油泵調節器齒輪泵后油路與作動筒無桿腔的連通，關閉作動筒無桿腔到主燃油泵調節器內腔的回油。此時，因泵后油壓遠遠高于主燃油泵調節器內腔的油壓，在壓差作用下，作動筒活塞桿左移伸出，帶動α2角度增加，同時在反饋機構的作用下，帶動分油活門右移，限制α2角度繼續增大。反之，則活塞桿右移收回，α2角度下降。

3.2 發動機未起動、飛機增壓泵接通時的運動分析

發動機未起動、飛機增壓泵接通時，主燃油泵調節器進油口與轉接管回油油壓一致，泵后油壓與主燃油泵調節器內腔油壓一致。分油活門處于任何位置都會使有桿腔和無桿腔連通的油路油壓一致。此時，因無桿腔截面比有桿腔截面大（后者少一個活塞桿截面，見圖2），導致油液在無桿腔一側對活塞的作用力大于有桿腔一側，活塞有伸出的趨勢。

圖2 高壓作動筒活塞桿

以f活塞表示活塞運動阻力；f機構表示高壓可調靜子葉片機構運動阻力；f反饋表示反饋機構的運動阻力；P油表示泵增壓值；S活塞桿表示作動筒活塞桿截面；S有桿腔表示作動筒有桿腔油液的有效截面；S無桿腔表示作動筒無桿腔油液的有效截面。則：

S活塞桿=S無桿腔-S有桿腔

當f活塞+f機構+f反饋≤P油×S活塞桿時，作動筒活塞桿左移，活塞桿伸出，α2角度上升。

當f活塞+f機構+f反饋≥P油×S活塞桿時，作動筒活塞桿不伸出，α2角度不變。

3.3 案例發動機情況

上述發動機高壓可調葉片傳動機 構 兩 側 合 力 共3.5kgf，即f機構+f反饋= 3.5kgf。其作動筒經過廠內返修后阻力減小，統計測量廠內其他新修作動筒的阻力值約為2 ～3kgf，因此雙側作動筒活塞運動阻力f活塞min=4kgf，f活塞max=6kgf，因此

f活塞+f機構+f反饋=（7.5 ～9.5）kgf

廠內修理時，作動筒活塞桿的直徑尺寸控制在15.77 ～16.07mm，則雙側活塞桿總截面積為S活塞桿=2×3.14×（16/2）2/100=4cm2；根據外場所測泵增壓值為0.236MPa，即

P油=0.236/0.098=2.41kgf/cm2

P油×S活塞桿=9.64kgf

新修的作動筒活塞桿摩擦阻力普遍偏小。當作動筒活塞桿阻力小時，P油×S活塞桿>f活塞+f機構+f反饋，使 得 活塞桿在飛機增壓泵接通時伸出，α2上升；當作動筒活塞桿摩擦阻力較大時，P油×S活塞桿≤f活塞+f機構+f反饋，活塞桿在飛機增壓泵接通時不能伸出，α2不會上升。

上述發動機作動筒新修后摩擦阻力偏小，加之有油封滑油殘留等原因，導致作動筒活塞桿摩擦阻力低，在飛機增壓泵接通時P油×S活塞桿>f活塞+f機構+f反饋，使得活塞桿能夠克服較低的阻力伸出，α2上升。

3.4 同類現象梳理

另一臺同型發動機在外場開涵道潤滑α2傳動機構后也出現試車時接通增壓泵后α2自動上升到60°的情況。冷運轉時，隨著N2轉速的上升，α2自動回落到初始位置；模擬試驗試車過程中，也曾出現兩臺發動機在接通增壓泵后α2自動上升情況，發動機起動后，隨著N2轉速的上升，α2都自動回落到初始位置。

4 總結

因作動筒活塞桿有桿腔有效截面積小于無桿腔，導致相同油壓下活塞右側受力大于左側，存在使活塞桿伸出的作用力差。

如果活塞桿截面較小，增壓泵油壓較低，同時運動機構阻尼較大，那么接通增壓泵后該作用力差很難抵消運動機構的阻力，不會出現α2自動上升現象。但當運動機構潤滑較好、作動筒活塞桿摩擦力較小時，該作用力差可能克服阻力推動活塞桿伸出，出現α2上升現象。

該現象發生后不會影響發動機繼續使用，發動機起動后隨著轉速的增加，α2將自動回落；發動機繼續使用一段時間后，傳動機構阻尼將逐漸變大，作動筒活塞桿阻尼逐漸上升，該現象將消失。