直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)喘振的分析及處理方法探討

李斌

摘 要：在直升機(jī)檢修維護(hù)工作中，時(shí)常會(huì)遇到發(fā)動(dòng)機(jī)喘振問題。根據(jù)實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，本文結(jié)合直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障實(shí)例，對(duì)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理和喘振機(jī)理展開了分析，并通過確認(rèn)喘振原因提出了相應(yīng)處理方法。從分析結(jié)果來看，直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口與進(jìn)氣口距離過近造成的壓氣機(jī)進(jìn)氣口溫度不均和活門排氣量不足有關(guān)，通過優(yōu)化改造發(fā)動(dòng)機(jī)排氣結(jié)構(gòu)，能夠有效排除發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī) 喘振故障 壓氣機(jī)

中圖分類號(hào)：V26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（c）-0017-03

在直升機(jī)設(shè)計(jì)和使用階段，發(fā)動(dòng)機(jī)性能好壞至關(guān)重要，將直接影響直升機(jī)飛行安全。所以在直升機(jī)檢修維護(hù)的過程中，還要加強(qiáng)對(duì)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的有效防治，以免直升機(jī)出現(xiàn)安全問題。而喘振現(xiàn)象為發(fā)動(dòng)機(jī)常見故障，因此還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振分析，以便結(jié)合喘振原因采取有效的處理方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振問題的有效預(yù)防，為直升機(jī)飛行安全提供更多保障。

1 直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)喘振現(xiàn)象

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)為自由渦輪式渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，其采用的壓氣機(jī)為混合式壓氣機(jī)，由跨音軸流壓氣機(jī)和超音離心壓氣機(jī)構(gòu)成。發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且體積較小，性能穩(wěn)定，能夠?yàn)橹鄙龣C(jī)使用維護(hù)提供便利。但在直升機(jī)試飛初期，發(fā)動(dòng)機(jī)多次出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，產(chǎn)生類似“嘭”的放炮聲，渦輪間溫度大幅度上升，扭矩明顯下降，同時(shí)伴隨著燃?xì)饧皠?dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)變化。在發(fā)動(dòng)機(jī)喘振期間，直升機(jī)機(jī)身振動(dòng)并未發(fā)生較大變化，發(fā)動(dòng)機(jī)喘振幅度輕微，持續(xù)時(shí)間在1～5sec之間。而直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振意味壓氣機(jī)工作不穩(wěn)，其導(dǎo)流葉片與工作葉片間產(chǎn)生了氣體分離問題，進(jìn)而造成發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣流路產(chǎn)生空氣振動(dòng)。在此期間，由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣流壓力和速度迅速變化，空氣將從進(jìn)氣裝置噴射出來，造成壓氣機(jī)內(nèi)空氣壓力不足，燃?xì)鉁u輪燃燒不穩(wěn)，葉片及發(fā)動(dòng)機(jī)將伴隨氣體溫度升高而發(fā)生抖振，并發(fā)出異常聲音。所以在直升機(jī)飛行過程中，喘振的發(fā)生意味著發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低，可能造成燃燒室熄火，引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)過熱或停車，甚至造成發(fā)動(dòng)機(jī)零部件損壞。因此還應(yīng)找到直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振原因，并通過有效處理喘振故障確保直升機(jī)飛行安全。

2 直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振原因分析

從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，不同型號(hào)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生喘振的原因并不相同，喘振的發(fā)生與發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)工作特點(diǎn)存在直接關(guān)系。為確認(rèn)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振原因，還要結(jié)合直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣流路對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振機(jī)理展開分析。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣流路

從該型號(hào)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理來看，在工作過程中，外界空氣將由進(jìn)氣道進(jìn)入壓氣機(jī)，在軸流壓氣機(jī)中得到首次壓縮，然后進(jìn)入離心壓氣機(jī)得到再次壓縮，最后進(jìn)入燃?xì)馐遗c燃油混合燃燒，從而向渦輪排出高壓高溫燃?xì)?。這些燃?xì)鈱⒃跍u輪中膨脹做功，以驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)工作，并驅(qū)動(dòng)直升機(jī)旋翼工作。從空氣流動(dòng)過程來看，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣流路可劃分為前部、中部和后部3個(gè)部分，前部由軸流壓氣機(jī)得到的壓縮空氣P1將在前后軸承篦齒封嚴(yán)裝置作用下從離心壓氣機(jī)葉輪間隙流入，使壓氣機(jī)后軸承得到密封。而篦齒封嚴(yán)裝置為密封裝置，可以利用篦齒前后空氣壓差進(jìn)行裝置封閉。分析其工作原理可以發(fā)現(xiàn)，在增壓空氣進(jìn)入篦齒封嚴(yán)裝置后，將從裝置間隙向壓力低的一側(cè)流動(dòng)，從而使空氣流量得到有效限制，并始終由壓力高向壓力低的一側(cè)流動(dòng)，繼而使壓力低的一側(cè)被空氣密閉，避免滑油外泄[1]。在P1進(jìn)入后，其中一部分將從軸孔流入軸內(nèi)腔，使前軸承得到密封。在發(fā)動(dòng)機(jī)中部，從離心壓氣機(jī)得到的壓縮空氣P2可以使油盤篦齒封嚴(yán)裝置發(fā)揮密封作用。在發(fā)動(dòng)機(jī)后部，在外界大氣P0作用下，自由渦輪導(dǎo)向器和燃?xì)獍l(fā)生器將得到冷卻。通過渦輪機(jī)匣引氣接頭將P2引入，并由空氣導(dǎo)管傳送至減速器空氣接頭，并從機(jī)匣內(nèi)部通道傳輸至渦輪前軸承篦齒封嚴(yán)裝置，可使空氣始終沿著從壓力高到低的方向流動(dòng)，以形成內(nèi)部空氣流路。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)喘振機(jī)理分析

從發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)工作原理來看，壓氣機(jī)需要與發(fā)動(dòng)機(jī)各部件配合才能完成工作。在設(shè)計(jì)階段，由于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火流量固定不變，需要按照預(yù)定程序提供加速燃油流量，所以發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量可用式（1）表達(dá)各參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系。式中，Ngco為燃?xì)鉁u輪換算轉(zhuǎn)速，T2和P3分別為壓氣機(jī)進(jìn)口溫度及離心壓氣機(jī)出口壓力。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的過程中，不同環(huán)境溫度下發(fā)動(dòng)機(jī)油氣比Wf/P3將會(huì)隨著渦輪換算轉(zhuǎn)速發(fā)生變化[2]。如圖1所示，為不同環(huán)境溫暖下發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程的參數(shù)變化情況。利用Wf/P3，可用于進(jìn)行渦輪進(jìn)口溫度的反映。根據(jù)Wf/P3和Ngco的關(guān)系，可對(duì)壓氣機(jī)喘振特性進(jìn)行反映。在外界環(huán)境溫度有所提升的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)在初步啟動(dòng)階段會(huì)出現(xiàn)Wf/P3隨發(fā)動(dòng)機(jī)換算轉(zhuǎn)速增加而變小的情況，以免燃燒室出現(xiàn)富油情況。而進(jìn)入供油加速階段后，會(huì)出現(xiàn)Wf/P3隨發(fā)動(dòng)機(jī)換算轉(zhuǎn)速增加而增大的情況。在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定階段，會(huì)出現(xiàn)Wf/P3隨發(fā)動(dòng)機(jī)換算轉(zhuǎn)速增加而變小的情況，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)超溫情況。在整個(gè)過程中，根據(jù)各參數(shù)函數(shù)關(guān)系，則能實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量活門軸向開度的控制，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)按照程序由加速發(fā)展至穩(wěn)定運(yùn)行階段。

（1）

通過上述分析可知，在不同環(huán)境條件下，發(fā)送機(jī)加速控制參數(shù)可能發(fā)生變化。而在發(fā)動(dòng)機(jī)其他部件流量受限條件下，渦輪轉(zhuǎn)速不變，壓氣機(jī)出口壓力將有所提升，最終造成發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量下降，壓氣機(jī)工作點(diǎn)則會(huì)向喘振區(qū)域邊界移動(dòng)。如果外界條件不變，但轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，也會(huì)出現(xiàn)同樣問題，進(jìn)而導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，為確保壓氣機(jī)可靠工作，需進(jìn)行喘振裕度定義，如式（2）。式中，πk*和q（λ1）均為壓氣機(jī)工作點(diǎn)參數(shù)，指的是相似轉(zhuǎn)速線上喘振邊界點(diǎn)參數(shù)。按照要求，直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振裕度應(yīng)達(dá)到12%以上。

（2）

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)喘振原因確認(rèn)

結(jié)合直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振機(jī)理可知，想要避免發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生喘振，需對(duì)壓氣機(jī)的溫度分布和入口壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。而該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上采取了增加壓氣機(jī)中間級(jí)放氣活門的方法達(dá)到調(diào)節(jié)入口壓力的目的，以防止喘振發(fā)生。利用該放氣活門，可以在燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速降低時(shí)將部分軸流壓氣機(jī)出口空氣放掉，以增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子加速。如圖2所示，在轉(zhuǎn)速較低的情況下，虛線表示活門關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)壓氣機(jī)工作線接近喘振邊界，容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)喘振。在將放氣活門打開后，伴隨著空氣流量G′的增加，壓氣機(jī)工作線距離喘振界線較遠(yuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)擁有較大喘振裕度，因此可避免喘振現(xiàn)象發(fā)生。從放氣活門位置來看，其位于機(jī)匣錐形段上方，打開后可以使部分P1空氣進(jìn)入外界大氣。結(jié)合P2/P0≈6.1這一比值，可確定活門開閉界線[3]。按照標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，在發(fā)動(dòng)機(jī)加速階段，如果渦輪轉(zhuǎn)速約92%，活門應(yīng)處在關(guān)閉狀態(tài)，如果達(dá)到91%則應(yīng)為開啟狀態(tài)。

結(jié)合上述分析可知，直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生喘振，主要與3種因素有關(guān)，即進(jìn)氣口溫度不均、放氣活門放氣不足、葉片損傷等其他原因。考慮到氣溫急劇升高可能造成壓氣機(jī)渦輪葉片受損、渦輪轉(zhuǎn)子阻滯等問題。為確認(rèn)造成發(fā)動(dòng)機(jī)喘振的具體原因，需確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)是否存在葉片損傷等問題。通過檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)不存在零部件損傷的問題，渦輪葉片位發(fā)生燒蝕、壓坑、變形和破損等問題，自由渦輪轉(zhuǎn)子也能輕松轉(zhuǎn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行了檢查，確認(rèn)進(jìn)氣道內(nèi)不存在外來物，并且渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)無異常聲音。對(duì)進(jìn)氣導(dǎo)向器進(jìn)行檢查，可以確認(rèn)葉片位置正常，能夠從一個(gè)邊緣位置向另一個(gè)邊緣位置移動(dòng)。結(jié)合檢查結(jié)果、直升機(jī)飛行狀態(tài)和外界氣候條件等相關(guān)數(shù)據(jù)，可以排除其他因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，確認(rèn)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振的產(chǎn)生主要與進(jìn)氣口溫度不均和放氣活門放氣不足這兩項(xiàng)因素有關(guān)。

為進(jìn)一步確認(rèn)喘振原因，需要進(jìn)行地面開車檢查，使用壓氣機(jī)入口溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)放氣活門開閉情況進(jìn)行確認(rèn)。從檢查情況來看，在發(fā)動(dòng)機(jī)喘振前后，進(jìn)氣口畸變溫度值達(dá)到了11℃，較之60°扇形區(qū)內(nèi)溫度梯度不超出5.5℃的要求要高出許多[4]。分析導(dǎo)致這一問題產(chǎn)生的原因可以發(fā)現(xiàn)，與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的主噴口的熱氣有一部分將由進(jìn)氣口上游滑動(dòng)散熱器出風(fēng)口進(jìn)入，繼而造成進(jìn)氣區(qū)溫度過高。通過采取臨時(shí)遮擋措施降低進(jìn)氣口溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。所以可以認(rèn)為，造成發(fā)動(dòng)機(jī)喘振的還有其他原因。進(jìn)一步檢查發(fā)動(dòng)機(jī)放氣活門開閉情況可以發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段，放氣活門出現(xiàn)了提前關(guān)閉情況，進(jìn)而造成放氣量不足的問題。分析導(dǎo)致這一問題產(chǎn)生的原因可以發(fā)現(xiàn)，該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口與排氣口距離較近，排氣口位于機(jī)身兩側(cè)，靠近主減后方發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口，容易產(chǎn)生彼此間相互影響。而該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)采用的啟動(dòng)式放氣活門，即將根據(jù)P2/P0空氣壓力完成活門開閉自動(dòng)控制。在控制部分，存在有用于感受壓力的膜合組，內(nèi)部能過對(duì)P2空氣壓力產(chǎn)生作用，外部可以對(duì)P0空氣壓力產(chǎn)生作用。在達(dá)到P2/P0調(diào)定值時(shí)，膜盒會(huì)有所伸長(zhǎng)，從而導(dǎo)致薄膜控制腔的泄露口關(guān)閉，造成腔內(nèi)壓力升高，活塞腔泄漏口隨之關(guān)閉。伴隨著腔內(nèi)壓力的持續(xù)增高，活塞可以對(duì)彈簧力進(jìn)行克服，作用于扇形齒輪使活門關(guān)閉。但由于前后進(jìn)氣口與排氣口相互影響，膜盒也將受到發(fā)動(dòng)機(jī)余溫的影響，造成控制計(jì)量活門軸向開度不準(zhǔn)，進(jìn)而造成活門提前關(guān)閉。因此從總體來看，造車排氣量不足和進(jìn)口溫度過高的原因均為排氣口與進(jìn)氣口距離過近，從而引發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)喘振問題的產(chǎn)生。

3 直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振處理方法

3.1 處理方法

針對(duì)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振原因，還要通過優(yōu)化改造避免喘振問題的再次發(fā)生。首先，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主噴管進(jìn)行修改。原本主噴管為直管，還應(yīng)改造為偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到30°的彎管，以便使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣方向有所變化，減少排氣口對(duì)進(jìn)氣口的影響。其次，需要對(duì)排氣管切口形狀進(jìn)行修改，通過將其延長(zhǎng)120mm和切除出口端彎曲部分減少排氣管彎曲角度，從而使排氣流動(dòng)損失得到降低。在此基礎(chǔ)上，則可以使排氣出口面向機(jī)身兩側(cè)排氣，繼而達(dá)成減少排氣口與進(jìn)氣口相互影響