多级轴流式压气机防喘系统模拟排故方案设计

2014-01-15杨天贺

山东工业技术 2014年19期

关键词：静子排故压气机

杨天贺

（南京航空航天大学金城学院,南京 211156）

多级轴流式压气机防喘系统模拟排故方案设计

杨天贺

（南京航空航天大学金城学院,南京 211156）

喘振是由压气机内的空气流量和压气机转速偏离设计状态过多而引发的一种发动机工作不正常的一种状态。喘振是发动机的致命故障，严重时可能导致发动机空中停车甚至发动机致命损坏。本文以V2500航空发动机为研究对象，对其多种防喘系统中的一种措施——可调静子叶片（VSV）防喘系统进行了研究，归纳和整理出了VSV系统常发生的故障现象以及发生故障的零部件等，通过参考维修手册和工卡，设计出VSV系统排故方案。

航空发动机；喘振；VSV；模拟排故

1 多级轴流式压气机喘振简介

航空发动机是飞机的核心，而发动机的喘振问题一直制约着涡轮发动机的发展，影响发动机的性能，严重时会损坏发动机，属于发动机故障中最具破坏力的故障，对民用客机安全以及整个航空事业的发展造成巨大威胁。飞机发动机的喘振具体是指压气机的喘振。

压气机是用来提高进入发动机内的空气压力，给发动机工作时提供所需的压缩空气，同时可为座舱增压、涡轮散热和其他发动机的起动提供压缩空气。

航空燃气涡轮发动机中，一般采用三种基本类型的压气机：轴流式、离心式和混合式。压气机喘振是指非正常工况下气流沿压气机轴线方向发生的低频率（通常有几赫或十几赫）、高振幅（强烈的压强和流量波动）的气流振荡现象。喘振时的现象是：发动机的声音由尖哨转变为低沉；发动机的振动变强；压气机出口总压和流量大幅度波动；转速不稳定，推力骤然下降并且伴有较强的波动；引擎排出气体温度上升，导致超过温度界限；超出界限程度较大时会发生放炮，气流出现流动不畅而造成发动机停车。所以，针对喘振现象必须立刻执行修复程序，使压气机脱离喘振状态。

2 航空发动机几种常规防喘措施介绍

压气机喘振会使压气机叶片断裂，引起发动机熄火停车，严重威胁发动机的安全工作。因此在使用中应避免喘振现象的发生。主要的防喘措施有以下三种。

1.1 从多级轴流压气机的某一级或数个中间截面放气

当压气机转速低于一定数值时将放气门打开，其目的是为了增加前几级压气机的空气流量，避免前几级因攻角过大而产生气流分离。中间级放气也避免了后几级压气机进口流速过大、攻角过小，甚至为负值，使增压比和效率降低的现象，放气孔的位置和排出空气的数量需要根据具体情况经过试验进行选择。

与其他防喘方法比较，这种方法在结构上比较简单，但是部分被压缩的气体排放到大气中去，浪费了压缩这部分气体的机械工，所以缺乏经济性。

1.2 采用一级或数级导流叶片

用这种方法防喘时，进口导流叶片通常装在第一级压气机前面。因为前几级和末几级的攻角偏离程度在压气机低转速工作时最大，首先产生了气流分离，因此可调导流叶片通常安装在多级轴流式压气机的前几级和末几级。

1.3 采用双轴或三轴结构

将压气机分成两个或三个转子，分别由各自的涡轮来带动，于是一台高增压比的压气机就成为两个或三个低增压比的压气机了。如果在设计工作状态下，双轴压气机的两个转子的转速是相同的，当转速降低后，压气机的前几级攻角增大，而后几级的攻角减小，因而带动低压压气机需要较大的功率，而带动高压压气机需要较小的功率。形象的说，转动低压压气机比较“重”，转动高压压气机比较“轻”。这两个压气机是由各自的涡轮带动的，于是低压压气机就自动的处于较低的转速下工作，而高压压气机则处于较高的转速下工作。这种转速的自动调整使前几级和末几级的攻角变化较小，从而避免了喘振的发生。

3 多级轴流式压气机防喘系统模拟排故演示面板设计

下面基于V2500发动机为例，进行模拟排故方案的设计。V2500发动机是先进的轴流式、双转子、高涵道比涡扇航空发动机。V2500发动机可调静子叶片（VSV）通过调整高压压气机进口导流叶片和三级静子叶片的角度，保证低压压气机的气体流量和高压压气机的气体流量匹配，这样能在较宽的工作范围内使引擎保持正常的压气机特性，避免发动机发生喘振。在防止发动机喘振现象发生的同时，压气机的总效率也能获得提升，并且引擎的燃油效率和经济性得到了提高，因为可调静子叶片的调节降低了气体在压气机中的流动损失，可调静子叶片是在当今民航客机上广泛采用的高压压气机防喘装置，V2500发动机的可调静子叶片系统则采用了进口导流叶片和前三级的静子叶片可调的形式。

3.1 可调静子叶片系统故障分析

可调静子叶片系统的故障主要分为机械故障和电气故障。VSV系统的机械传动系统包括作动筒、静子叶片等，静子叶片的准确无误的偏转需要精密的配合与传动来保证，从而保证整个可调静子叶片系统的正常工作。

机械结构可能出现的故障有：VSV作动筒漏油；运动机构摩擦过大；操纵摇臂疲劳断裂。

电气故障有：作动筒位置反馈出错（LVDT故障、LVDT反馈回路线路故障）；连接电气插头老化、松动；力矩马达绕组故障；N2传感器绕组故障；CIT传感器故障；EEC故障。

电气系统故障多由线路老化，电气连接头松动和传感器出现故障造成。VSV系统电气故障同样会造成发动机控制的障碍。

3.2 可调静子叶片的模拟排故方案的拟定

可调静子叶片系统会因为各种原因导致故障。其中可能有VSV作动筒内活塞密封圈老化或受到腐蚀，不能起到完全密封的作用，从而作动筒驱动力降低并达不到驱动效果，使可调镜子叶片驱动不良；若可调静子叶片机械传动机构由于滑油不足，导致传动阻力增大甚至卡死，造成VSV的传动不良，系统也不能正常运作。电气连接插头可能由于震动原因造成脱落，电气导线也有可能由于被外物割伤、摩擦、腐蚀等造成绝缘体层破坏，引起断路或短路。

电路的电气连接传输出现问题，造成EEC检测和传输限号出错，EEC不能完成对可调静子叶片系统的正常控制；如果可变差动反馈组件内的线圈老化或损坏，会造成作动筒反馈信号异常，也导致系统不能正常工作。若高压压气机转子转速或发动机进口总温传感器出现故障不能获取准确的参数，则造成发动机电子控制器检测到传感器异常。

排故流程

图为排故流程：可调静子叶片系统是一个相对复杂的控制系统，故障大多因为不同部件之间的故障相互影响、诱导而成。当可调静子叶片系统出现故障时，第一步进行故障诊断。发动机的可调镜子叶片控制系统、主动间隙控制系统、风冷式滑油冷却器活门控制器、发动机低压级放气系统都是由来自燃油计量组件的高压燃油驱动的，如果发生两个或两个以上的系统一同失效，则可以判断出故障来自燃油计量组件或者燃油增压泵。如果仅仅是可调静子叶片控制系统发生故障，则检查最近一次的飞行报告，将相关警告失效信息从ECAM中调出来。若警告ENGINE2 COMPRESSOR VANE的两条信息是CHA VSV ACT/HC/EEC2和CHB VSV ACT/HC/EEC2，同时满足以下条件：引擎的新件使用循环数（CSN）大于2000，在起飞和爬升过程中ECAM的警告时间大于一分钟，发动机出现了喘振现象、突破温度界限或参数变化异常，出现了两台引擎持续的参数差异，那么故障是由于可调静子叶片作动筒失效，需要及时修复或更新VSV作动筒。