某涡扇发动机转速摆动故障研究

2020-01-08赵静云顾雪波潘高升

教练机 2019年4期

赵静云，顾雪波，潘高升

（中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西西安，710077）

0 引言

某发动机是小型双转子涡扇发动机，目前该发动机在国内得到了广泛应用，在早期使用中经常出现转速摆动故障，具体故障现象为：在慢车状态发动机无法稳定，摆动幅度达±2%；个别在转速60%～70%状态或大状态会出现转速摆动幅度达到±2%甚至更高。这些转速摆动幅度远远超过了发动机技术文件规定的摆动范围，有时甚至能导致发动机出现推力脉动等现象，严重影响了发动机的正常使用。

1 分析

发动机转速摆动故障原因较多，本文仅从该发动机燃油调节器工作机理、转速调节模式进行分析，重点从发动机整体的控制规律入手，充分考虑该发动机燃油调节器系统转速调节器的具体工作原理和相关零组件功能、结构，从系统的角度对影响该发动机转速摆动相关因素进行逐条分析。

1.1 发动机控制规律简介

该发动机起动时，由起动控制器进行控制，这是一个开环控制器，在整个起动过程中直至慢车状态，流量调节器和转速调节器均不参与工作。在慢车及以上状态时，是由流量调节器、转速调节器这两个控制器共同完成对发动机的状态控制，流量调节器控制供油量随油门杆位置变化而变化，并根据发动机进口空气总压对供油量进行修正；转速调节器控制高压转子转速随油门杆位置变化而变化，在这两个调节器的共同参与下，保证了一个油门杆对应一个供油量或一个转速。

起动过程只是一个过渡状态，与发动机使用过程中转速摆动故障没有关联，在这里不进行讨论。慢车及以上状态时，发动机的工作状态是由流量调节器和转速调节器共同控制，这些工作状态在使用过程中都曾出现过转速摆动的现象，因此重点讨论这两种控制器之间的相互关系。

标准大气条件下，转速调节器调节的转速和燃油流量随油门杆角度的变化规律如图1所示。

从图中可以看出，当油门杆位置确定，发动机工作状态供油量和高压压气机转速也随之确定，一个油门角度，对应一个供油量或一个转速，因此当油门杆确定时，转速变化引起的发动机调节过程与燃油调节器的转速调节器结构息息相关。

1.2 燃油调节器转速调节机理

该发动机转速主要是由燃油调节器的供油量决定的。在慢车及以上的稳定状态，发动机转速主要由燃油调节器转速传感器通过离心配重传感器和转速摆活门协同动作，对油门杆位置确定的计量油针伺服腔压力进行修正，在流量调节器调定的基础上进一步调节计量油针位置，保证燃油调节器供油量满足发动机需要，具体见图2。因此转速调节器调节的精度高于流量调节器，两者之间存在一定的相互关系，当转速调节器在给定的转速下，调节的供油量小于流量调节器调节的供油量时，发动机的工作状态由转速调节器控制；转速调节器调节的供油量大于燃油流量调节器调节的供油量时，发动机的工作状态则由燃油流量调节器控制，本文仅讨论由转速调节器引起的转速摆动故障，所以只分析转速调节器。

结合燃油调节器的结构原理（见图2），其转速调节器包括：转速给定装置（操纵杆、停车开关、转速凸轮、温度补偿器和调准弹簧）；转速测量装置（离心飞重组件）；比较放大装置（转速杠杆、转速摆活门组件）；执行装置（计量油针伺服活塞，这也是流量调节器核心执行元件）；速度反馈装置（稳定器和液压蓄压器）；计量油针压差控制器等。为找出这些结构相互之间的联系，突出主要因素，忽略摩擦、管路损失等次要因素的影响，对这些结构进行简化处理，得到图3所示的工作框图。

图2 燃油调节器工作原理示意图

图3 燃油调节器转速调节器工作框图

由图3可知，当油门杆位置确定时，计量油针基准位置是由油门角度指令转换成的滑套位置（该位置通过控制放油量，确定计量油针活塞腔内的压力基准）确定的，通过物理连接，油门杆角度指令通过转速凸轮转换成转速杠杆上的基准弹簧力；当由转速传感器形成的离心飞重轴向换算力与此基准弹簧力平衡时，摆锤活门开度确定，此时计量油针活塞腔内压力稳定在一个新的量值上，计量油针会重新确定一个新的平衡位置。此时发动机供油量与转速调节器调定的转速保持协调一致。为了在此过程保持调节速度均匀性，在摆锤活门杠杠处设置了速度反馈装置（相当于蓄压器和稳压器），将计量开关的活塞运动产生的容积变化与摆锤活门位移关联起来，使活塞的运动不致于过于剧烈。

因此，当油门杆位置一定时，由油门杆确定的计量油针基准位置就确定，转速调节器在此基础上形成一个闭环调节，由自动控制系统闭环调节原理，可以将转速调节器结构组成框图简化成系统图（如图4）。

由图4可知，在发动机的实际工作中，转速传感器实时感受发动机高压压气机转速n，并将此转速与给定的转速进行对比，形成一个负反馈实时调节系统，这种系统工作时，若转速调节器系统动态特性差，系统响应滞后，就会造成调节器超调量大，系统出现振荡，如果系统阻尼不能消除这种震荡，就可能出现持续的摆动。

1.3 引起转速摆动的因素分析

由前面的分析可知，转速调节器是在油门杆指令确定的计量油针的基准位置上进行调节的，其调节范围较油门角度指令转化的计量油针基准精准，范围不会超出计量油针滑套所形成的最大分油能力的范围。

转速摆动说明了发动机转速调节系统稳定性不好，在实际工作中，转速调节器是在油门杆角度指令转换成计量油针开度的基础上进行精准调节的，其调节范围不是太大，不会超过基准值过多。当出现转速调节器标定的基准值差异较大时，就会出现转速调节器不能调定到给定的转速值，这时就会造成系统多次反复调整，形成转速摆动，这种情况即是转速调节和流量调节不协调（正常情况下流量调节线在转速调节线之上），摆动规律明显，若对转速进行示波，可以看出，其波形近似标准的正弦波，而且周期较长。当基准期不稳定时，也会出现转速反复调整，这时波动没有明显的规律。

当基准值稳定，也满足转速调节器稳定工作范围时，还出现转速摆动，原因来自转速调节器本身，或是因为其动态调节品质差，或是因为转速调节器系统阻尼过大，造成系统存在迟滞环节。

图4 闭环控制系统框图

由此可知，由燃油调节器引起的发动机转速摆动主要是由于转速调节器和流量调节器（计量开关开度不匹配）、转速调节器动态调节品质差、调节器系统阻尼不匹配调节器的动态参数、系统中敏感、放大、执行元件存在迟滞环节。因此需要逐条进行分析：

1.3.1 转速调节器和流量调节器不协调分析

根据该涡扇发动机工作原理，转速调节器是在流量调节器的基准上进行调节的，由自动控制原理可知，当有两种控制规律同时参与工作时，必须进行解耦操作，一般情况下需要精确调节的控制规律线要比粗略调节的低，在正常调节过程中，以精确调节线为主，基准的粗略调节范围包含了精确的调整范围，基本上是不处于调节工作的，这时系统是稳定的。

当出现某种因素导致粗略调节范围与精确调节范围重合或是比精确调节范围还要小时，就会出现两种调节规律互相干扰情况，造成系统工作的不稳定。由该型燃油调节器的结构分析可知，流量调节器的上边界和下边界若出现调整或是其它因素会导致上边界和下边界不能吻合发动机在这两个边界的稳定工作的流量需求，这时因为给定的转速需要的燃油流量与实际流量不协调（一般情况下，下边界时给定转速发动机所需的燃油流量低于流量调节器的下边界、上边界时给定转速发动机所需的燃油流量高于流量调节器的上边界），会出现转速调节器调节的范围多次超出了流量调节器的边界，造成系统出现反复调整，这时出现的摆动非常有规律，为类似标准正弦波的波形。对照具体的情况，这时发动机转速摆动故障多体现为慢车、大车摆动，这时只要解除相应的流量调节器的限制即可消除。

另一种不协调的情况是，流量调节器调定的基准值始终处于变动之中，这时转速调节器始终跟着基准值变动，当流量调节器调定的基准值变动幅度较大时，就会出现发动机转速摆动幅度超出规定值。这种情况下，发动机转速摆动的波形不规则，结合燃油调节器的结构进行分析，主要形成原因为流量调节器中油量操纵套轴带动滑套移动，改变滑套与计量油针放油孔的开度，从而改变计量油针右腔伺服油压，使计量油针移动，进而改变供油量，其中遮蔽套封油边光洁锐边不好、主计量油针衬套内孔封油边密封性不好、操作套轴凸轮型面参数不合格、滚轮过度磨损等均会对供油系统稳定性产生影响。这时必须检查流量调节器基准指令形成的环节是不是存在过度磨损、控制尖边出现异常、压差控制器不稳定等情况，然后制定有针对性的措施。

1.3.2 转速调节器工作稳定性不足

发动机转速控制主要是由燃油调节器中的转速调节器完成的，转速控制系统由转速给定装置、转速测量装置、比较装置、放大器、执行机构、速度反馈装置及计量油针压差控制装置等组成（具体见图3），当其中某一独立的控制部件稳定性变差，易诱发转速摆动。具体影响分析如下：

1）转速调节器中转速摆锤活门和离心飞重球窝、顶杆球面磨损，引起摆锤活门开度不规律摆动，易造成计量油针右腔伺服油不规律摆动；

2）转速摆锤活门带有磁性、转动不灵活、摆活门刀口处不平整、有飞边；

3）蓄压器两拉簧刚度不一致；稳定器、蓄压器薄膜外观破损；

4）极限转速活门不灵活、锐边不好、配合间隙不合格、性能试验不合格。

以上任何一个零部件灵活性不好，都可能造成转速调节器控制精度不好，系统动态特性差、系统响应欠阻尼，进而造成转速摆动。

1.3.3 燃油调节器内部磨损或装配不良

燃油调节器内部部分零组件因装配不当、1个或多个首翻期使用后出现一些传动偶件异常磨损等原因，造成部分控制元件产生滞涩；油滤、节流孔或节流器堵塞或油液气塞、泄漏造成油压不稳等，均会导致供油量与发动机动态品质不匹配从而引起转速摆动。此类原因导致的转速摆动在修理附件上居多。

2 改进措施

2.1 思路

燃油调节器根据发动机工作状态和飞行条件，自动调节供油量，将适量的燃油输至工作喷嘴，由工作喷嘴呈雾状喷入燃烧室，满足发动机在各个状态下的燃油需要，当燃油调节器供油系统稳定性差、调节品质变差时，会导致发动机出现转速摆动现象，该故障一般是在发动机使用过程中暴露，因此，针对此故障的解决应从两个层面入手，一是从制造过程控制入手，将故障产生的因素消除在萌芽之中；一是从外场使用维护入手，制定有效的调整方法，当外场出现此类故障时，消除或者降低故障发生的概率。以下从这方面进行改进措施的制定。

2.2 转速调节器相关零部件的改进

2.2.1 离心配重传感器

燃油调节器中转速调节器是附件实现转速功能的关键机构，其中重要的组成部分为离心飞重转速传感器，当转速发生变化时，离心飞重通过转速顶针移动来改变转速摆活门开度，在工作中如果顶针与顶针球窝这对球面摩擦副接触不好，在进行相对运动时，就会导致接触部位发生变化，影响位移输出，造成摆锤活门开度随接触部位不同而变动，就会导致其控制压力出现不稳定的状态，在整个系统的调节时，就会表现为转速调节的不稳定，这和外场发动机上转速摆动故障表现一致，因此需要对这对球面摩擦副配对情况进行进一步控制。

因顶针传递部位是个球面，离心飞重块上是一个球窝，当离心飞重旋转时，顶针相对离心飞重块的球窝旋转速度慢，两者之间会出现一个较大的转速差，这就要求两者球面的轮廓度和尺寸基本一致，才能在接触时保持理想的状态，因此需要在加工中对此接触球面副进行严格控制，严格控制此配对球窝的球面轮廓度和尺寸。

2.2.2 计量油针衬套导套组合件

主计量油针组件是转速调节器的流量执行机构，在使用中直接影响供油量的稳定性，当在使用中出现滑套封油边塌边、豁口现象时，油门杆对应的滑套位置会有偏差，导致计量油针基准位置稳定不到与发动机转速相对应的位置，会出现供油不稳定现象。因此需要在加工中控制导套总长尺寸方面进行工艺改进，同时控制导套总长尺寸差，并增加研磨端面和去毛刺工序，这种改进在一定程度上消除了研孔过程可能产生的孔口锐边碰伤、掉块现象及研磨孔口可能产生的喇叭口现象，确保导套和油针密封性能符合要求，进而保证滑套控制精度。

2.2.3 流量摆活门

流量摆活门为转速调节器的压差控制机构，由高空修正器和计量油针组件等组成，工作中高空修正器感受大气气压，采用压差活门结构，随飞行高度、速度的变化修正油针前后压差，以修正供油量，因此该活门摆杆弧面与喷嘴弧面间隙M太小或旋转支撑轴表面粗糙度均是影响摆活门灵活性的关键环节，因此对流量摆活门刀口间隙进行了调整，对旋转支撑轴表面进行了光整处理。

2.2.4 转速凸轮和流量凸轮

流量凸轮决定的供油量与转速凸轮决定的均衡转速相互影响，当供油量不准确时，可使转速稳定时间变长，均衡转速不准确时，供油量稳定时间变长，为提高转速凸轮和流量凸轮工作稳定性，提高转速凸轮和流量凸轮型面的尺寸精度和表面质量，并将转速凸轮操纵轴与轴承间隙进行调整，保证相互配合时，凸轮能旋转灵活。

2.3 外场排除方法

转速摆动故障发生后，一般先要认真研读飞参，明确故障原因，然后根据发动机摆动转速状态选择调整钉，具体方法如下：

1）系统放气；

2）当油滤堵塞时，由于通过油滤的液体阻力增大，所以油滤前后的压差也随之增大，这样容易造成供油的脉动，从而导致参数摆动，一般这种问题采用清洗油滤排除；

3）当系统出现慢车状态转速摆动时，一般先反时针旋转32号钉适当角度，通过试车看摆动故障能否排除，也可通过适当调整52号调整钉，避开转速摆动的慢车转速点，从而排除慢车转速摆动故障。当各状态下转速都出现转速摆动时，可调整84号钉；当大状态转速摆动时，可通过调整14号螺钉，提高发动机极限转速来降低转速摆动故障；当慢车状态或60%～70%状态转速摆动时，也可通过调整33号调整钉的方法排除。