某涡桨发动机输出功率降低故障原因分析与验证

钟榈 黄庆 丁金涛

摘  要：针对某涡桨发动机出现输出扭矩降低的现象，分析了功率下降的原因。采用整机台架模拟试验的方法，研究了进气道不同堵塞面积对发动机功率的影响。针对进气道胶圈提出了改进设计方案，并在车台上进行了两种密封胶圈的对比验证试验，试验结果表明改进设计的密封胶圈方案将发动机最大状态功率提升了17%。

关键词：涡桨发动机;进气堵塞;进气道密封圈;改进设计;故障

中图分类号：V263.6  文献标识码： A    文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

航空发动机安装到飞机上之后，由于进气道、排气管设计的固有形式，进气分离系统（防砂滤系统）对进气的影响，以及从发动机引气等因素，会消耗一部分发动机功率，即发动机安装损失。随着飞机对发动机的要求变为更为专门化，飞机与发动机的匹配问题变得突出，20世纪60年代初期，美国装TF30涡扇发动机的F-111战斗机甚至由于匹配问题而被迫从战场退役。直八型飞机也曾出现进气道污染积垢后造成发动机功率下降，飞机无法在最大重量起飞。

某型涡桨发动机使用过程中出现多台发动机输出扭矩不足，造成飞机爬升率偏低，不能爬升至最大高度等问题。针对此问题进行原因分析排查和试验验证，并提出相关零件的改进设计方案。

1 飞发连接结构

发动机采用单平面安装，通过三个减振器固定在飞机的承力框架上。来流经过S型进气道后直接进入发动机轴流压气机内，涡轮后的尾气由排气装置两侧向后排出。

飞机进气道与发动机压气机机匣连接情况如图1所示。半圆型的密封胶圈通过压板螺钉固定在压气机机匣的法兰边上，发动机固定在飞机的承力框后，密封胶圈通过零件的制造公差保证压在进气道的出口法兰边上，实现密封、隔振和补偿机匣轴向位移等功能。密封胶圈与进气道只有接触和轴向约束，无其它连接件固定。

2 故障现象

多架飞机在执行任务时，发现在满载状态下，由7000米高度向上爬升，发动机Ng处于最大转速状态，飞机的爬升率仅有0.2～0.3m/s，无法到达指定高度，爬升困难。即这些飞机性能没有达到设计指标，功率不足。

3原因排查

一般造成發动机功率降低的原因可能为发动机的性能衰减，安装损失增加等等。

3.1发动机本体性能检查

将发动机本体返厂进行台架性能检查，在试车台上使用测扭器精确测量发动机桨轴的输出扭矩，得到发动机的输出功率，考虑环境温度转换为换算转速下的换算功率，如图2所示。从图中可以看出在返厂检查的发动机换算功率曲线与出厂时的换算功率曲线基本重合，试车时环境温度相差较大使得换算转速的范围不同。据此数据，可以排除发动机本体性能衰退因素造成输出功率降低。

3.2 飞机安装情况检查

通过排查飞机进气道与发动机的连接情况，发现多架飞机的连接密封胶圈向流道内凸起，凸起量约为3～5mm。如图3所示，在发动机安装完成后，由于胶圈内径与压气机机匣内径一致，胶圈受压变形后胶圈必然向内侧凸起，发动机工作时，压气机前流道内的静压P1要比环境压力P0低，在压差的作用下凸起量将进一步增大，且发动机功率状态越高压差越大，凸起量也将随着增加。

为了确定密封胶圈的凸起量对发动机功率的影响，进行整机台架试验模拟进气道被胶圈凸起时发动机的工作情况。

4地面台架模拟进气道堵塞试验

4.1 试验方案

为减少试验变量，只模拟胶圈凸起高度对发动机性能的影响。如图4所示，利用现有的试验资源，在车台进气道和压气机机匣之间安装一个模拟堵塞环形金属板。设置三个零件加工方案，分别选择凸起量△H为0mm、3mm和5mm，模拟堵塞板的具体参数如表1所示。

4.2试验结果

安装三种不同的模拟堵塞板时录取发动机各转速状态下的稳态性能参数和加速时的数据。

4.2.1 功率影响

图5为试验各状态下发动机换算功率与换算转速关系曲线，从图中可以看出，在低换算转速下，模拟板的影响较小，随着换算转速增加，功率降低的绝对量值有非常明显的增加。

功率下降量值统计如图6所示，图中可以看出方案B的最大状态功率损失达到7.6%，而方案C的最大状态功率损失高达26.1%。

4.2.2 温度影响

图7为发动机换算转速下的涡轮见温度T4.5曲线，方案B和方案A的T4.5数据基本一致，而方案C较方案A在低功率状态时T4.5要高，高功率状态时两者基本一致。

4.2.3 压气机后压力影响

图8为压气机后的气流静压参数，其变化趋势与发动机功率变化趋势基本一致。

4.2.4 耗油率的影响

图9为发动机换算转速下的耗油率曲线，数据表明凸起量越大，耗油率上升越多。方案C的耗油率相比方案A，在慢车时，耗油率升高达到15.8%;在最大状态时，耗油率升高了19.4%。

5 机理分析

发动机功率降低的机理分析如下：第一，胶圈凸起后使流动损失增加，压气机前的来流总压降低，同时流通面积减少，导致流量减少，使发动机的功率下降。第二，由于胶圈凸起后使压气机前流场产生较大畸变，压气机效率降低，压气机出口压力降低，循环压比降低后导致输出功减少。

基于以上分析，胶圈变形凸起将导致发动机输出功率下降，耗油率上升，与模拟试验数据变化趋势一致。

6 改进设计

针对胶圈出现的变形情况，提出一种改进方案，改进前后的对比如图10所示。

（1）在进气道与机匣之间增加一个连接导套，进气道增加一个连接槽;

（2）将轴向密封改为径向密封。

7 台架验证试验

在台架上进行改进前后两种结构的整机试验，发动机试车数据如表2所示，可以看出，发动机更换密封胶圈后T4.5温度下降6℃，功率上升17%，改进措施有效。

8 结语

（1）发动机输出功率降低的原因为发动机与飞机进气道连接密封胶圈变形凸起所致;

（2）地面模拟试验表明当胶圈凸起堵塞面积分别为7.9%和13%时，发动机最大状态的功率损失达7.6%和26.1%。

（3）改进设计飞机发动机连接方案装机试验表明发动机最大状态功率提升17%。

收稿日期：2019-07-29

作者简介：钟榈（1985—），男，江西赣州人，硕士研究生，主管，工程师，研究方向：发动机结构。