某型燃气涡轮起动机动力状态超转故障研究

叶忠阳，应 勇，杨朝瑞

（1.南京航空航天大学，江苏 南京 210016；2.成都国营锦江机器厂，四川 成都 610043）

引言

燃气涡轮起动机以其体积小、重量轻、大推重比、大功率、环境适应能力强及自启动等多方面的优点，被广泛应用于航空发动机的起动系统中。某型燃气涡轮起动机在工作时通过电起动机带转起动，再通过燃气发生器产生的燃气推动自由涡轮，自由涡轮轴输出转速经减速器带动发动机转动实现扭矩的传递，其主要功能包括发动机地面起动、发动机冷运转、燃气涡轮起动机冷运转、发动机空中起动、飞机备份电源等，而每一个功能实现的背后都包含着一套或多套针对性控制系统的精准调控。本文将从某型燃气涡轮起动机供电的工作状态（动力状态）出发，对其工作过程中出现的自由涡轮转速超转故障进行分析研究，同时为其他型号燃气涡轮起动机或发动机类似故障提供修复参考[1-2]。

1 起动机转速调节工作原理

机械液压式调控是航空推进系统最早也是最常见的调控方式，随着科技的进步、材料的升级及加工工艺的不断发展，机械液压式调控系统的设计及制造技术也在不断完善，目前已经能够实现较高精度的状态反馈，满足发动机多种复杂情况的自动调节需求[3]。

作为某型燃气涡轮起动机控制系统的燃滑油附件，主要由滑油系统、燃油供给和调节系统、空气系统等组成，通过停车电磁铁、慢车电磁铁、动力状态电磁铁的通断控制实现起动机工作状态的切换。在燃气涡轮起动机工作过程中，调控系统通过感受燃气涡轮起动机压气机涡轮转速NTK、压气机涡轮后P2压力、自由涡轮转速NTC实现燃气涡轮起动机状态的自动调节，在进入正常工作状态后，通过关断活门控制燃油通路，并由压力信号器输出电动起动机断开信号使电动起动机退出起动带转状态。当燃气涡轮起动机进入稳定工作状态后，其压气机涡轮转速与自由涡轮转速也保持相对稳定以实现起动机稳定输出的目的。燃气涡轮起动机稳定工作时主要通过控制燃油供给来进行工作状态的调整，当压气机涡轮或自由涡轮出现超转时，其对应的转速调节器离心飞重在旋转过程中离心力增加，克服弹簧弹力，带动活门移动，减小活门开度，降低燃油通路上供给燃烧室的燃油流量，导致输出功率下降，涡轮转速降低；伴随涡轮转速下降，转速调节器转速等比例降低，弹簧弹力大于离心飞重的旋转离心力，活门位置回移，开度增大，燃油供给量增加，输出功率增加，涡轮转速回升。通过反复动态调节，实现起动机工作状态的动态稳定[4-5]。

2 起动机动力状态说明

燃气涡轮起动机动力状态控制部分主要由动力状态活门组件、锥形弹簧、杠杆机构和自由涡轮转速调节器组成（见图1），燃气涡轮起动机正常启动时，动力状态电磁铁处于断开状态，压力燃油连通低压腔并同时作用于动力状态活门组件的左右腔实现油液压力平衡，此时动力状态活门组件维持原有的力学平衡状态，燃油控制系统中油液压力变化对动力状态活门组件的影响可以忽略不计。当起动机进入动力状态时，动力状态电磁铁通电，切断了压力燃油通往低压腔及动力状态活门组件右侧腔体的油路，导致动力状态活门组件左侧腔体内油压升高，原有的平衡被破坏，活门左侧腔体油压、锥形弹簧综合作用力大于活门右侧腔体油压和弹簧综合作用力，活门向右移动，此时锥形弹簧伸长、压缩量减少，作用在杠杆机构上的弹力因弹簧压缩量减小而减小，而杠杆上端由顶杆传递过来的自由涡轮转速调节器压力未变化，导致杠杆机构上端受到的顶杆压力大于下端锥形弹簧施加的弹簧力，此时杠杆机构上、下端受力不再平衡，受不平衡力的影响，杠杆上端向燃油进口处（左侧）旋转，下端向锥形弹簧侧（右侧）旋转。在此过程中，燃油进口油路被杠杆机构上端的挡板活门关小，输送至燃烧室的燃油流量减小，起动机输出功率降低，通过降低燃油供给量保证了燃气涡轮起动机动力状态下低输出功率的需求；而锥形弹簧因杠杆机构下端右移，压缩量增加，作用于杠杆的弹力因压缩量的增加而增大，在动态变化中使杠杆机构形成新的平衡，并维持稳定。

图1 动力状态控制部分结构图

综上所述，燃气涡轮起动机正常工作状态与动力状态的切换主要通过动力状态活门组件左右侧油路的通断来实现，当燃气涡轮起动机进入动力状态并稳定工作后，其动力状态的输出功率由杠杆机构上端挡板活门的开度决定，此时可通过调节动力状态活门组件和锥形弹簧，改变施加在杠杆机构下端作用力的方式，实现燃气涡轮起动机动力状态参数的调节。

3 动力状态超转故障现象

3.1 故障现象

某型燃气涡轮起动机在试车台上进行性能复查，当进行动力状态性能检查时，按下设备上动力状态按钮后，按照预设值给燃气涡轮起动机增加扭矩负载，使燃气涡轮起动机压气机涡轮转子转速达到90%，保持扭矩恒定，此时本该保持动态稳定的起动机压气机涡轮转子转速、自由涡轮转子转速、输出轴转速持续异常升高，出现超转故障，试车台立即停车。待检查线路、自查设备合格后，再次开车验证，故障依旧，换装燃滑油附件后，故障消失，动力状态功能正常。

3.2 风险分析

动力状态是起动机的低功率工作状态，主要为飞机的相关辅助功能提供动力。若起动机在动力状态时出现超转，其输出的功率会随之变化，不符合要求的输出功率会造成起动机工作状态的不稳定，导致附件损伤。

为理清故障原因，结合本次试车超转故障，开展全面故障分析。

4 故障原因

结合产品工作原理，由故障表现分析原因可能有试车设备出现故障和燃滑油附件工作异常，导致供给涡轮起动机燃烧室的燃油量过大，燃油调节系统未按照动力状态工作要求供给燃油。因该台燃气涡轮起动机更换燃滑油附件后，故障消失，判断该故障原因应为产品燃油调节系统故障即燃滑油附件故障。

4.1 动力状态活门故障

活门（见图2）由皮碗、环形弹簧、挡圈、活门杆等主要部件组成，装配时皮碗呈向外舒张状态，安装衬套后环形弹簧提供的压力将氟塑料碗壁压紧在衬套上，以保证活门内部密封，隔离活门组件腔体实现油液压力反馈控制。

图2 活门结构图

4.1.1 活门密封失效

起动机进入动力状态后，活门原有的受力平衡被打破，活门单侧受到燃油压力（F油=ΔP油·S面积）作用，抵消弹簧力（F弹=K系数·X变形量）开始移动，最终达到新的平衡状态。在这个过程中若皮碗密封失效，则活门组件左右腔体串油，两油腔压力相同或压力差无法满足动力状态的自动调节，等效于工作在高功率输出的起动机状态，加之负载降低导致发生超转故障。

4.1.2 活门移动阻力超差

活门在衬套中移动有一定的阻力，若活门移动阻力过大或卡滞，虽然活门两边腔体压力发生了变化，但是活门工作过程中并未产生移动，压力反馈失效，导致起动机动力状态失效，发生超转故障。

4.2 弹簧形变异常

动力状态活门组件弹簧为圆柱形压力弹簧，其两端分别联接活门和弹簧安装座（见图3）。在起动机动力状态，该弹簧随压力变化进一步压缩，若弹簧圆柱面与装配腔的衬套壁发生接触摩擦，则会导致弹簧状态改变受阻，无法正常受力变化，进而导致活门无法移动或移动距离受限，影响起动机动力状态的自动调整，出现超转故障。

图3 动力状态活门组件

4.3 动力状态电磁铁功能失效

动力状态电磁铁安装于燃滑油附件上，是起动机进入动力状态的触发开关，只有当电磁铁通电将油路断开形成压力差，起动机动力状态的相关调整原件才能正常进入工作状态，发挥调控作用。若电磁铁动作失败或密封面未成功切断油液通路，则起动机虽然发出状态调整的信号，但是其仍未进入动力状态工作模式。

5 故障排查

针对试车超转故障，结合上述分析，技术人员随即组织开展故障梳理排除工作。

5.1 产品调节系统故障排查

1）产品实物检查。燃滑油附件上试验台性能复查。将该台燃滑油附件上试验台进行动力状态性能检查，供油流量超标，特性调整失败，故障复现。反复对电磁铁通电，用手感受电磁铁内衔铁响应迅速、移动灵活，用耳朵听衔铁动作声音清晰干脆。

2）燃滑油附件分解检查。从燃滑油附件上分解开重调活门帽盖，检查发现柱形弹簧侧面有磨损痕迹，压缩弹簧存在肉眼可见的弯曲变形，检查垂直度为2 mm，不合格。从燃滑油附件上分解下电磁铁通电检查，其衔铁动作灵活无卡滞；检查电磁铁下密封挡板，其表面无异常且粗糙度合格。从燃滑油附件中取出动力状态活门组件进行阻力检查，开始移动及移动过程中阻力矩为4 N·m，满足技术要求；随后对活门组件进行密封性试验检查，活门密封性良好无渗漏，检查合格。

结合故障现象及检查情况判定故障原因应为柱形弹簧在受力压缩过程中产生径向移动变形，变形的弹簧侧面与活门衬套壁挤压接触，导致活门移动受阻，调节失效。

5.2 复原验证

为验证分析的准确性，将燃滑油附件分别配装原台变形弹簧及合格弹簧进行对比验证，装配原台变形弹簧的燃滑油附件故障依旧，而换装合格弹簧的燃滑油附件动力状态功能正常。随后，将更换合格弹簧的燃滑油附件重新装配起动机上试车台进行试车，故障消失，动力状态功能正常。通过对比验证，确认弹簧变形量超差为导致本次动力状态超转故障的原因。

5.3 预防措施

1）柱形弹簧安装前进行自然状态及受力压缩状态下的垂直度检查，发现形变超差及时更换合格件；

2）因弹簧安装腔内空间相对宽裕，弹簧装入安装腔后未受力时有一定的活动余量，存在弹簧安装座安装并拧紧时弹簧姿态倾斜可能，致使弹簧长时间受力异常，产生结构变形。故而在弹簧装配时，应保证弹簧安装位置居中并平稳放置于安装腔内后再装配弹簧安装座。

6 结语

本文结合某型燃气涡轮起动机的超转故障，系统地分析了故障的产生机理。柱形弹簧因结构异常，受力压缩时产生径向变形，接触并挤压衬套壁致使弹簧收缩受阻，进而影响动力状态活门组件的活门移动，导致起动机进入动力状态失败，产生超转故障。该故障可通过本文分析方法进行排除和预防，同时本文分析方法对后续该类型故障的识别、排除及预防工作具有借鉴意义。