航空发动机高压转子转速摆动故障分析与排除

李小彪 ，马庆岩 ，张立伟 ，谷雪花

（1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015；2.中国人民解放军31434部队，沈阳 110000）

0 引言

在航空发动机正常使用过程中，由油门杆来控制高压转子转速的变化。当油门杆不动时，发动机高压转子转速应处于稳定位置。在使用过程中，如果出现油门杆不动而高压转子转速摆动情况，会发生其他参数随动的故障现象。这种故障极易造成发动机推力波动、进气流量扰动、整机稳定性降低等问题，对飞行安全产生不利影响[1-2]。

黄玉军[3]分析了发动机中与供油系统有关的性能工作参数摆动故障的原因，即转速限制机构切油点提前、转速放大器有故障或调整不当，这些因素直接影响发动机的工作性能，并介绍了排除故障的方法；张立新等[4]针对燃油压力、燃油耗量、扭矩等参数摆动故障，列举了粗细油滤脏和限温、转速校正系统、调速器、燃油调节器等故障发生的原因，并进行了故障排除；孔祥兴等[5]针对某型民用涡扇发动机，通过改进算法，在涡扇发动机起动过程采用n-dot 闭环控制算法，设计了涡扇发动机起动过程开环与闭环分段组合的控制计划，在起动初始阶段采用基于油气比的开环控制，之后进入闭环控制和慢车稳态控制模式，消除了起动初始阶段的参数摆动，具有良好的稳定性和重复性；王磊等[6-8]参考国内外相关研究结果，提出了一种网络参数与保成本容错控制器协同设计方法，建立MET-TOD 调度协议作用下状态变量和控制变量的传输特性，仿真结果显示，低压转子转速超调量降低了80%，参数摆动减小了66.7%，实现了控制器动态性能最优；殷孝勇[9]对涡桨五型发动机转速摆动故障进行了分析，并分析了转速调节系统、转速校正系统、限温系统及交联装置、燃油系统等故障发生的原因，从地面试车、分解装配、拆检清洗、线路检查等方面提出了转速摆动故障的预防措施。国外Ait 等[10]、Crusius 等[11]、Tarbouriech 等[12]通过设计PI 控制器，基本消除工作环境和发动机性能变化对起动控制性能的影响，保证发动机参数稳定；Walsh 等[13]提出了MEF-TOD 协议，可应用于数据传输调度，在减小参数摆动值方面有一定的借鉴意义。

为保证发动机转速稳定，获得良好的性能，本文基于高压转子转速控制原理，列举导致高压转子转速摆动的因素，分析定位原因，并进行了排故和外场验证。

1 高压转子转速摆动故障现象

在发动机使用过程中，在油门杆未动、进气温度没有变化的稳定状态下，在地面和空中多次出现高压转子转速无规则摆动，其它参数随动的故障现象，如图1所示。

图1 高压转子转速摆动故障现象

判读飞参，高压转子转速、低压转子转速、排气温度、高压进口导叶角度摆动幅值较大，超过规定值；操作者在座舱中明显感到推力变化。

2 高压转子转速控制原理

转速调节器自动保持高压转子的给定速度并按进气温度修正，靠改变主燃烧室的供油量来实现[14]。计量开关的位置决定燃油供油量，取决于主燃油泵调节器的离心调节器和综合电子调节器[15-16]。高压转子转速控制原理如图2所示。

图2 高压转子转速控制原理

在离心调节器的摆锤活门上，受配重的离心力和弹簧的共同作用。当摆锤活门偏离均衡位置时，通过改变放油孔口的面积来改变摆锤内腔中的燃油压力，从而改变供油量，直到转速恢复平衡为止。

用主燃油泵调节器油门杆调节高压转子转速，发动机进口温度感受附件的指令通过型面凸轮修正转速。当燃油温度变化时，利用温度补偿器保证转速调节器稳定工作。发动机综合电子调节器根据占空比S1，参与控制主燃烧室供油量。

3 高压转子转速摆动故障原因分析

基于该型发动机的控制计划和控制原理，高压转子相对转速应按与油门、进气温度相关的调节计划来控制主燃油流量，以保证发动机的推力按规律变化。

（1）在进口温度感受附件方面，当进口温度感受附件故障时，T1测量有误，导致高压转子给定转速不能按进气温度修正，引起转速摆动。

（2）在综合电子调节器方面，S1指令控制主燃油供油量时，若指令异常，导致供油量变化，进而使转速发生波动。综合电子调节器消喘指令可导致主燃烧室短时切油，进而使转速发生波动。综合电子调节器大车重调指令可导致重调特性改变发动机当前状态，进而使转速发生波动。

（3）在燃油系统方面，主泵进口油压波动量值较大，且低于允许最小进口燃油压力时，可能出现主燃油泵调节器工作异常情况，导致转速波动。在主泵进口油温异常波动时，主泵内部温度补偿片来不及修正计量燃油流量，进而使转速发生波动。

（4）在转速调节系统方面，计量装置工作异常时，定压差发生波动，计量燃油流量发生变化，进而使转速发生波动；摆锤活门工作异常时，导致高压转子相对转速按油门、进气温度特性调节的灵敏性降低，进而使转速发生波动；加速控制器无法退出工作时，与转速调节器共同耦合控制，使得系统工作不稳定。

综上所述，高压转子转速摆动故障与进口温度感受附件、综合电子调节器、燃油系统、转速调节系统等有关。故障树如图3所示，共有9个底事件。

图3 稳态时高压转子转速波动故障树

对图中故障因素分析可知：

（1）在试车过程中测量主、副温包指令压力及稳定放油压力，压力值稳定，符合技术要求。X1因素可以排除。

（2）在试车过程中进行综合电子调节器断电检查，转速波动现象依然存在。X2、X3、X4因素可以排除。

（3）主泵为齿轮泵，容积泵的进口压力即使波动，对泵后压力影响甚微X5因素可以排除。

（4）在飞参中无燃油超温告警，且油温变化也不至于引起燃油计量发生突变；温度信号惯性较大，不太可能发生突变。X6因素可以排除。

（5）在试车时增设计量装置前后压力传感器P22、P21，转速波动时其压差值保持恒定，未见波动；计量活门随动活塞随动活塞面积较大，对压差响应很灵敏，其结构为皮碗结构，未见滞涩情况。X7因素可排除。

（6）查阅履历资料，故障发动机的主泵出厂时摆锤活门灵活性检查结果为±0.1%，远远小于此次波动量，压力测试结果表明摆锤内腔压力正常，单摆活门运动灵活。X8因素可排除。

判读故障发动机的加速性，加速性慢，超出正常范围。当加速性过慢，导致稳态时加速控制器无法退出工作，与转速调节器共同耦合控制，使得系统工作不稳定。

在发动机稳定工作状态下，自动加速活门关闭计量开关随动活塞放油，用转速调节器保持稳定工作状态。当调整加速钉过多导致加速性变慢时，加速活门在弹簧作用下向右移动过多，不能完全关闭，计量活门偏开，随动活塞控制内腔一直放油，达不到稳态系统建立时所需的油压，加速控制系统会一直工作。在转速调节器共同耦合控制下，主燃油泵离心调节器的摆锤活门，受离心式转速传感器配重的离心力和弹簧的共同作用，无法建立稳定工作时的平衡状态，导致高压转子转速波动，并引起低压转子转速、排气温度、高压进口导叶角度等其他发动机参数的随动。

综上分析，加速控制器未完全退出工作是转速摆动的初步原因。

4 排故验证

针对波动量较大的发动机，判读飞参发现加速时间较长，通过调整加速钉，将加速性调至规定范围内，进行试车和飞行验证发现，高压转子转速稳定，转速波动现象消失，如图4 所示。空中推力平稳，操作者未感受到推力脉动。

图4 排故后发动机稳态参数

5 结束语

高压转子转速稳定工作，对维持发动机的推力、保证发动机的整机稳定性和喘振裕度具有重要作用。本文针对高压转子转速摆动故障现象，基于高压转子转速控制原理，通过列举故障树的方法分析故障原因，并逐一排除，确定故障原因为加速性偏慢，导致稳态时加速控制器无法退出工作，与转速调节器共同耦合控制，使得系统工作不稳定。经外场试车和飞行验证，发动机工作参数正常，未见参数摆动现象，发动机推力稳定。