某型直升机发动机异常停车故障分析

刘冲冲，林森什

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001）

发动机为直升机提供飞行所需的动力，是直升机的核心部件，被称为直升机的“心脏”[1]。发动机一旦发生故障，轻则导致飞行任务无法完成，重则会导致重大飞行事故。

直升机通常采用涡轴发动机作为动力装置。涡轴发动机通常由进气道、压气机、燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮、减速器等组成[2]。环境空气从进气道进入发动机，经压气机压缩后进入燃烧室与燃油混合燃烧，产生的高温燃气驱动燃气涡轮和动力涡轮做功。动力涡轮通过减速器驱动旋翼，进而提供飞行所需的动力。

涡轴发动机工作原理和机械结构都非常复杂，故障模式较多。在发动机所有故障模式中，发动机停车的后果是非常严重的。发动机停车后必须立刻进行故障分析，一方面可为解决故障提供指导，另一方面可为其他型号的设计、排故工作提供参考。

1 故障现象

某型直升机悬停飞行时，在提总距过程中飞行员未做任何发动机操纵的情况下，2号发动机燃气涡轮转速（Ng）、涡轮间温度（ITT）、扭矩快速下降，报“2号发动机停车”“2号发动机燃压低”“2号发动机滑压低”告警。

经判读飞参，2号发动机停车过程中工作参数（燃油流量除外）、燃油压力低告警、滑油压力低告警、故障字和状态字等均与正常停车一致，但是燃油流量存在异常。正常停车燃油流量在Ng下降到一定值时消失，但是本次停车过程中燃油流量在Ng下降到0才消失。

综上所述，确认故障是2号发动机异常停车。

2 故障分析

根据直升机上各系统的故障模式，发动机异常停车故障树如图1所示。

图1 发动机异常停车故障树

吸入阻燃物质会使燃烧室熄火导致发动机异常停车。排故时发现2号发动机进气兜未按图纸要求开排水孔。故障前一天机场天气情况为暴雨，导致进气兜积水约5 kg。直升机配装的发动机要求稳定工作时进气含水量不高于λ，飞行中积水被吸入发动机可能会使燃烧室熄火导致发动机停车，无法排除底事件X1。

异常吸入固体会导致压气机失效使ITT上升，与故障现象不符，可排除底事件X2；进气畸变会导致Ng波动、ITT异常升高，与故障现象不符，可排除底事件X3；现场检测燃油品质为5级，可排除底事件X4；异常停车前未报燃压低告警，进行了燃油管路检查、油箱增压泵检查、通气孔检查及气密性试验，地面试车发动机工作正常，可排除底事件X5;检查未发现异常防火断油，可排除底事件X6。

异常停车时PMS开关在“飞行”位置未变化，可排除底事件X7；飞行中未报“油门偏”告警，可排除底事件X8；异常停车后燃油流量一直存在，发动机吸油未中断，表明未发生线路故障和机械故障，可排除底事件X9、X10；检查燃气发生器转子未发生卡滞，可排除底事件X11；机匣破裂和燃气涡轮破裂会导致停车前Ng持续波动，与故障现象不符，可排除底事件X12、X13。

综上所述，发动机异常停车的原因是吸入阻燃物质。

3 故障机理

3.1 故障前发动机进气含水量分析

某型直升机配装的发动机要求稳定工作时进气含水量不高于λ。地面开车标定了进气兜积水5 kg时发动机在不同工作状态的进气含水量。由于进气兜水面距离发动机进口92.1 mm，试验测得地慢状态和飞慢状态进气含水量远小于λ，因此故障前发动机可以正常工作。

3.2 提距过程中进气兜水面运动模拟

发动机停车前13 s内直升机俯角变化如图2所示。悬停飞行提距过程中，直升机俯仰角迅速增大。发动机停车前13 s内直升机俯仰角由0.3°增大至4.1°，尤其在发动机停车前2 s，直升机俯仰角由1.1°增大到4.1°。当直升机俯仰角为4.1°时，水面与发动机进气口静态距离缩小了11.6 mm，水面距离发动机进气口仅80.5 mm，水更容易被吸入发动机。

图2 发动机停车前13 s内直升机俯仰角变化

为进一步研究发动机异常的故障机理，需分析直升机俯仰角增大过程中进气兜内水面的运动过程。考虑到飞行安全和试验条件的限制，采用FLOW-3D进行数值仿真，模拟发动机异常停车前13 s进气兜内水面运动过程。FLOW-3D采用Tru VOF方法对流体界面进行三维重构，模拟自由液面的运动[3]。考虑到水是不可压缩流体，采用RNG方法应用于Navier-Stokes方程作为控制方程，采用有限差分法进行求解。

不考虑发动机状态，2号发动机异常停车前13 s和2号发动机异常停车时刻水面运动如图3和图4所示。可以发现，2号发动机异常停车时刻水面剧烈震荡，进气兜内部分水脱离水面甚至可能被甩出进气兜进入发动机。

图3 2号发动机停车前13 s进气兜水面运动图

图4 2号发动机异常停车时刻进气兜水面运动图

3.3 发动机停车故障复现

为进一步确认发动机异常停车的原因，本文进行了故障复现试验。由于真实复现起飞过程中2号发动机异常停车存在较大风险，以地面试验作为故障复现的依据。

第1次试验模拟进气兜积水5 kg。2号发动机PMS开关从“停车”拨到“地慢”，2 min后从“停车”拨到“飞行”，3 min后直升机提距。试验过程中发动机正常工作，故障未复现。虽然进气兜积水量和故障当天一致，但是直升机俯仰角没有变化，所以进气含水量低于规定值λ，发动机没有停车。

第2次试验模拟进气兜积水12 kg。2号发动机PMS开关从“地慢”拨到“飞行”，9 s后ITT温度不稳定，表明发动机燃烧室已经熄火。第2次试验2号发动机停车前Ng、ITT上升比1、3号发动机慢，扭矩上升比1、3号发动机快，与故障当天现象相符。

上述理论分析、数值仿真、地面试验表明，直升机提距过程中发动机吸入雨水导致进气含水量大于λ是导致发动机异常停车的原因。

4 整改措施

为解决本次发动机异常停车故障，按照图纸补开了进气兜排水孔。后续进行多次试飞行验证，2号发动机无异常，故障未复现。为防止类似故障发生，在本型号直升机和新研直升机维护手册中增加了进气兜排水孔应无堵塞的检查要求。

5 结论

本文针对某型直升机悬停飞行过程中发动机异常停车问题，利用故障树、理论分析、数值仿真和地面试验分析器故障原因和机理。通过分析，可以得到以下结论。

（1）本次发动机异常停车故障是进气兜积累雨水导致进气含水量高于发动机规定值λ导致的。

（2）针对本次发动机异常停车，可通过在进气兜补开排水口解决，试飞结果也表明措施有效。

（3）本文对排查发动机异常停车故障有指导意义，也对新研直升机进气系统设计有一定的借鉴意义。