航空用空气涡轮起动机典型故障诊断分析

2021-10-26蒋聪刘冕熊欣李皓冉

机械制造与自动化 2021年5期

蒋聪，刘冕，熊欣，李皓冉

(中国航空工业集团有限公司金城南京机电液压工程研究中心，江苏南京 210006)

0 引言

随着国内航空发动机技术成熟，越来越多的军用发动机逐步采用空气涡轮起动机来替代燃气涡轮起动机。空气涡轮起动机的可靠性也越来越受到重视，研究其故障诊断意义重大，不仅可以对起动机的故障状态、故障部位及原因作出及时且准确的判断，还可以预防起动机潜在故障的发生，不仅降低了维修成本，也保证了飞机的出勤率。

目前，在航空用空气涡轮起动机故障诊断中，我国起步较晚，且尚未有一套完善的故障诊断体系，同时使用的方法功能单一，诊断准确率较低[1]。因此建立用于军民两用航空用空气涡轮起动机故障诊断的专家系统，使普通维修人员也可以获得专家级的经验知识，以实现高效排故，是十分必要的。

1 故障诊断方法

本文以某型航空用空气涡轮起动机为研究对象，采用故障树分析法与基于规则的诊断专家系统相结合的方法[2]，根据维修专家的经验和维修一线数据建立起动机故障树，开展定性分析和研究，且重点集中在故障树的建立和故障树的定性分析[3]，为后续建立故障诊断系统积累样本。

2 结构与工作原理

某型空气涡轮起动机是目前国内体积最小、质量最轻、涡轮转速最高的单级涡轮起动机。正常工作时，一定压力和温度的压缩气体由进气壳体进入起动机，起动机利用压缩气体膨胀作功，通过单级涡轮获得轴功率，经减速机构和离合器传递功率，最终由输出轴输出转矩和转速，带动发动机起动。

3 典型故障诊断

3.1 故障统计

结合科研与维修一线数据，针对某型空气涡轮起动机近10年的故障开展统计分类，见表1。

表1 故障统计表

从表1可以发现导致该型起动机故障的主要原因是输出轴断裂、涡轮失稳碰擦和内部异常磨损3种情况[4]。下文将针对这几种情况开展故障树的建立和定性分析。

3.2 输出轴断裂诊断

输出轴是起动机与发动机附件机匣之间最重要的传扭部件，是决定发动机能否正常点火启动的关键部件之一。近年来随着大量的配装，输出轴断裂故障也成为航空用起动机故障诊断的重点。输出轴断裂通常有两种原因，需要通过断口形貌来判断是瞬时过载断裂(图1)或是材料疲劳断裂(图2)。在确定断口形貌后，再结合飞行参数曲线即可判断故障原因是冲击转矩过大还是材料承扭能力不足。

图1 过载韧窝形貌

图2 疲劳断裂形貌

航空旋转类部件上普遍存在冲击转矩，瞬时冲击转矩过大是导致空气涡轮起动机输出轴断裂最常见原因之一，同时过大的冲击转矩也将导致齿轮断裂和离合器磨损等影响产品安全性的问题发生，在产品设计时冲击转矩的形成和预防也越来越受到重视[5]。

过大的瞬时冲击转矩来自于进气压力超调、起动系统传动链齿侧间隙、发动机转动惯量等参数的随机性综合作用。往往单一因素导致的冲击转矩无法达到足够的断轴量值，但综合因素是可以达到的[6]。输出轴在以上因素作用下发生的断裂属于保护起动机和发动机免受继发破坏性质的主动断轴，断裂位置在输出轴设置的最薄弱位置。

根据以上的分析可以归纳出此类输出轴断裂故障诊断故障树，如图3所示。

图3 输出轴断裂诊断故障树

3.3 涡轮失稳碰擦诊断

空气涡轮起动机振动异常外在的直接表象就是涡轮失稳碰擦，而导致整个系统失稳最主要的振动源就是减速传动机构。目前国内外空气涡轮起动机的减速传动机构一般采用两种形式，一种是类似图4的偏置型简单二级齿轮，另一种是类似图5的行星齿轮。

图4 偏置二级齿轮

图5 行星齿轮

偏置二级齿轮减速机构结构简单，质量轻，但其在低转速条件下振动性能较差，而在高转速条件下，采用行星齿轮系的减速传动机构对系统的振动特性有较高的要求，一旦该两种减速机构零件的结构和制造精度存在偏差，都将会引发整个涡轮动力系统失稳，继而将导致涡轮叶片与外机匣严重的碰擦(图6和图7)，产生火花和卡滞[7]。