某引进型发动机喘振故障研究

刘芳明，蒋永宁，王章瑞，杨益

某引进型发动机喘振故障研究

刘芳明1，蒋永宁1，王章瑞1，杨益2

（1.成都国营锦江机器厂，四川 成都 610043，2.西南交通大学 轨道交通运载系统全国重点实验室，四川 成都 610043）

针对某引进发动机在外场使用过程中出现频次较高的喘振故障问题，基于发动机结构图解和放气活门在不同工况下的作动机制，阐释了该型发动机压气机的工作原理，并结合压气机压力调节系统，深入剖析发动机喘振故障的产生原因，发现发动机喘振故障主要是由于压气机前气压紊乱引起。为降低该发动机故障发生几率，进一步研究了发动机喘振故障的主要特征和表现形式，并基于此提出了一套新工艺方法和预防措施。本研究可为维护航空发动机的正常工作以及保障发动机在使用过程中的可靠性和安全性提供参考。

发动机；喘振故障；放气活门；气压紊乱；可靠性；安全性

喘振是航空发动机在运行时遇到不正常现象，气流沿着机体轴线方向发生振动，诱发发动机振动，导致发动机降低转速、辐射噪声[1-3]。近几年某型发动机喘振问题突出，直接影响发动机性能及飞行安全，其年累计发生次数在10次以上，故障率较高。国内外一些学者对航空发动机振动问题进行了一定研究，Saran[4]构建了BR710型号航空发动机整机有限元模型，分析了静刚度对发动机的影响。Philip[5]根据梁单元构建了航空发动机整机动力学模型，引入非线性滚动轴承的影响加以分析。Vincente等[6]采用三维壳单元对航空发动机整机构建了有限元模型，与实验结果进行对照，讨论了冲击载荷下机体振动水平。臧朝平等[7]讨论了超模型仿真和实验数据的实验验证概念和方法，研究了航空发动机的模型验证策略。罗贵火等[8]以某型航空发动机为基础建立了机体模型，并采取仿真与实验相结合的方法研究了机舱的振动模态。但是，国内外学者针对航空发动机的喘振问题研究还相对较少。

本文围绕某型发动机的喘振问题，通过对故障进行研究，分析其故障原因，总结喘振问题的检查及排除方法，研究喘振问题的维护方法及预防措施，从而降低发动机喘振故障率，提升直升机飞行安全裕度。重点对该型发动机喘振故障产生的原因作了分析，并研究出一套科学合理的工艺方法，对该型发动机的维护使用具有较强的指导意义。

1 发动机压气机工作分析

1.1 喘振现象分析

喘振是指发动机压气机气流发生分离而造成气流回流，气流来回运动，沿压气机轴线方向产生高振幅或低振幅的振荡。直升机飞行时，发动机的压气机轴线方向产生振荡，产生剧烈声响，其涡轮温度迅速上升，扭矩明显下降，影响直升机稳定运行。喘振现象发生时，直升机机身自身振动振幅不大，但会导致严重的压气机工作失稳问题，其导流叶片与工作叶片间形成湍流，气体分离，从而引起发动机内部空气的剧烈振动。因为发动机内部气流压力和速度变化梯度较大，导致空气从进气装置喷射流出，使得压气机内压强较低，从而影响燃气涡轮的正常工作。同时，气体流动导致涡声效应，与结构本身的振动发声叠加，诱发剧烈的噪声问题。所以，在直升机飞行过程中，要尽可能避免喘振问题的发生。该型发动机压气机设计了防喘系统，该系统又称预旋涡系统[9]，即在机匣上装有电子放气活门及活塞式活门，并在进气机匣支柱上设计了一定角度的预旋气流孔，通过放气活门及活塞式活门的工作可改变空气流向压气机的相对角度，提高在低压气机速度条件下的喘振裕度[10]。

当放气活门打开时，经过放气活门调整的额定压力P2.5（来自P2.5阀门）空气流入机匣中空支柱中的预旋气流孔，产生P2.5空气喷射流，使吸入空气在达到压气机之前形成漩涡，并沿着压气机旋转的方向旋转，使得空气更容易进入，增加（补偿）了压气机在低速时的空气吸入量，从而提高在低压气机速度条件下的喘振裕度[11]。

综上可以看出，压气机放气活门是调整压气机喘振裕度的核心机件[12]。

1.2 放气活门工作机理

如图1、图2所示，该型发动机放气活门主要包括安装座内侧有弹簧作用的活塞滑块、悬浮隔膜、用于P3空气过滤的滤网、带力矩马达的电动活门。

图1 发动机放气活门三维视图

放气活门工作原理为，两个压力（P、P2.5）作用于放气活门活塞，P（调节后的P3压力）或力矩马达控制的压力用于推动放气活门活塞的关闭，压气机中间级区域P2.5压力和内部弹簧用于推动放气活门活塞的打开。

FROM EEC（Electronic Engine Controller）：来自发动机电控。

放气活门的开度由活塞位置决定。活塞在调节压力P（调节后的P3压力）和P2.5压力的控制下运动。在低压气机转速下，由于P2.5比P高，活塞完全关闭，对应的是放气活门处于完全打开状态；随着压气机转速增高，P迅速增加，推动活塞向下移动，直至完全打开，对应的是放气活门完全关闭[13]。

放气活门打开和关闭的工作时机直接影响发动机工作性能。起动初期，放气活门在气控作用下，为了保证压气机进气量，放气活门处于打开状态；随着压气机转速增加，为保证压气机进气量与压气机转速相匹配，放气活门逐渐关闭；直至压气机在高转速下，放气活门的气动控制系统退出工作，由电控系统进行控制。电调控制放气活门的马达扭矩从而调节活塞压力P，抵消活塞的运动，实现调整发动机压气机转速，使与进气量匹配，进而控制发动机压气机的失速和加速[14]。

放气活门关闭得早，压气机进气量达不到压气机转速的需求，使压气机前形成一定的反压，导致压气机前气压紊乱，气流会沿着压气机轴向发生低频、高振幅的气流震荡，引起工作部件的强烈振动，产生连续低沉啸声，严重的会伴有放炮声，故称之为发动机“放炮”现象[15]，即为发动机喘振；放气活门关闭得晚，电控系统无法介入工作，会造成压气机失速，即发动机电控系统失效。

2 发动机故障分析

该型发动机典型故障现象为当发动机在低压气机速度下，进入发动机空气流量减少，如进气调节系统工作不正常，则出现上文提到的发动机喘振现象。喘振直接影响发动机工作安全，强烈的机械振动及共振会导致发动机机件产生裂纹，叶片断裂，严重的会造成发动机失效、失火，直接影响地面试车、空中飞行安全。

该型发动机内部空气涵道较为复杂，故障调整排除难度较大。在故障分析过程中，应充分考虑结构及工作原理。故障排除涉及的关键技术包括放气活门本体故障和调整故障。

（1）放气活门本体故障（放气活门故障率分析）

放气活门的关闭点是发动机电调系统启调的工作时机。由于大气温度直接影响空气密度，进而影响压气机进气量，所以调整放气活门的关闭点应与大气温度相对应，这也是在换季时放气活门故障率升高主要原因。另外，发动机在直升机上的安装位置不同，会导致压气机进气的环境不同，进而直接影响压气机的进气量。所研究的直升机上装有三台发动机，其安装位置如图3所示。

图3 发动机安装位置

2号发动机安装于机身后侧，其进气道位置并不是航向向前的，所以就进气量而言，其进气效果远不如1号、3号。同时，2号受1号、3号排气管排气的影响较大，进口气流不稳定，加之吸入的空气有部分1号、3号的尾气，空气质量差，导致放气活门故障率高。由以往故障放气活门返厂修理的情况看，2号放气活门悬浮隔膜出现老化裂纹或破裂的概率远大于1号、3号，放气活门悬浮隔膜主要损坏现象如图4所示。

图4 放气活门悬浮隔膜损坏现象

对放气活门的故障原因进行分析，其中四件悬浮隔膜出现老化裂纹或破裂，使得不密封不能正常调节放气活门活塞上下腔的压力，导致放气活门失效。从日常维护情况看，这四件悬浮隔膜损坏均出现于换季时。直升机主要停放在露天环境，受空气湿度影响较大。

放气活门故障状态下，悬浮隔膜工作面上会产生黑色碳化物颗，主要是燃烧室发生不完全燃烧，燃料中的碳元素燃烧后产生非常细小的碳颗粒，从而积碳增加。对于这样的情况，需进行发动机“冷运转”。

（2）放气活门调整故障（放气活门调整失效分析）

放气活门失效原因为，调节螺钉固定保险片松动，导致放气活门调节不正常。经分析，该处调节螺钉保险片易出现由于安装不当导致的未保险作用，所以调节螺钉随着发动机振动而松动，调节气针上下反复运动，使压气机进气量忽大忽小，进而放气活门工作失效。放气活门的调节螺钉及保险片如图5所示。

图5 调节螺钉及保险片

3 发动机故障梳理及排除措施

3.1 故障情况梳理

对近年发生故障的特征及故障排除情况进行梳理，具体如图6、表1所示。由图6可以看出，1号和3号发动机故障发生次数较少，2号发动机故障次数较多，其中1号发动机故障排除方案为1次调整，1次更换；2号发动机故障排除方案为2次调整，4次更换；3号发动机故障排除方案为2次更换。由表1可以看出，发动机的排故方案中，调整放气活门比较有效。

图6 故障梳理

按以往维护经验，排除放气活门故障的方法主要为调整放气活门关闭点或进行更换。通过本文的分析，放气活门故障主要为悬浮隔膜裂纹或破裂故障，或者调节螺钉保险片松动。

3.2 故障排除措施

针对以上两种情况，制定了新工艺方法和预防措施：

（1）对于长期库外停放的直升机，在试车前进行两次发动机“冷运转”，即冷吹，以达到一定的除湿除潮效果。由于放气活门在起始打开位时，活塞处于最下部，悬浮隔膜两面都可接触到从压气机过来的引气（空气），通过冷吹使悬浮隔膜两面上的水份蒸发，同时进气温度使悬浮隔膜到达预热，降低了发动机从起动到正常工作时的温差。通过试验对比，采用该措施后，故障率大大降低。

（2）对调整后失效的放气活门进行对比分析发现，当保险片安装到位后，压紧螺钉须将保险垫片压紧后，再顺时针、逆时针两方向对调整螺钉进行紧度检查，保证调整螺钉不松动。

（3）试车后对2号发动机进行两次冷吹，以清除放气活门悬浮隔膜工作面上的发动机尾气碳化物。

按上述新工艺方法及预防措施对10架直升机进行地面试车验证，验证情况如表2所示。

表2 地面试车验证

4 结论

通过对某型发动机喘振故障的研究，分析出该型发动机发生喘振故障的原因主要包括进气口温度不均、放气活门放气不足、叶片损伤等。由此提出针对喘振故障的新工艺方法和预防措施。经过验证，将新工艺方法纳入相关操作手册，能有效降低该型发动机喘振故障发生频次，为修理单位节约大量维修成本，同时也提高了某型直升机完好出勤率。

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Research on Surge Fault of an Imported Engine

LIU Fangming1，JIANG Yongning1，WANG Zhangrui1，YANG Yi2

(1.Chengdu State-owned Jinjiang Machinery Factory, Chengdu 610043, China;2.State Key Laboratory of Rail Transit Vehicle System, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 )

In this paper, aiming at the high-frequency surge fault problem of an engine used outdoors, on the basis of the engine structure diagram and the working mechanism of the bleed valve under different working conditions, the working principle of the air compressor of this type of engine is explained, and the cause of the engine surge failure is analyzed in combination with the air pressure adjustment system of the air compressor. It is found that the engine surge failure is mainly caused by the air pressure disorder in front of the air compressor. In order to reduce the probability of engine failure, the main characteristics and manifestations of engine surge failure are further studied, and a set of new process methods and preventive measures are proposed. This research can provide a reference for maintaining the normal operation of the aero-engine and ensuring the reliability and safety of the engine during use.

engine；surge failure；bleed valve；air pressure disorder；reliability；safety

V231.92

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.005

1006-0316 (2023) 10-0028-05

2022-09-26

国家青年基金项目——强湍流多物理场激励下高速列车车体结构声振耦合机理研究（P111722G04001）

刘芳明（1978－），男，吉林辽源人，工程师，主要研究方向为某型直升机及发动机外场维护，E-mail：40781147@qq.com。