某型機(jī)故障分析及優(yōu)化研究

呂一鳴，鄭 坤，王慧明

(昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

直升機(jī)是20世紀(jì)航空領(lǐng)域中極具特色的飛行器之一，其廣泛應(yīng)用在低高度作戰(zhàn)、運(yùn)輸、巡邏、旅游、救護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域。航空發(fā)動(dòng)機(jī)為直升機(jī)的核心部件，是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，是推動(dòng)航空事業(yè)發(fā)展的重要系統(tǒng)[1]。目前，直升機(jī)正在使用的發(fā)動(dòng)機(jī)多為渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)在科研階段，其伴隨性故障也較為復(fù)雜。

1 故障簡介

發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器是產(chǎn)生具有一定壓力及溫度的燃燒氣體作為渦輪工質(zhì)的裝置[2]。燃?xì)獍l(fā)生器出口溫度(T4)為發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，該參數(shù)指標(biāo)有嚴(yán)格的范圍，通常說的發(fā)動(dòng)機(jī)超溫就是依靠該項(xiàng)指標(biāo)反饋的。當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生器出口溫度出現(xiàn)異常時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致飛行員認(rèn)為某一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異常，直接影響直升機(jī)的飛行安全，所以燃?xì)獍l(fā)生器出口溫度數(shù)據(jù)采集、傳輸和顯示的穩(wěn)定性極其重要。

在某型機(jī)的科研階段，多次出現(xiàn)燃?xì)獍l(fā)生器出口溫度顯示異常，其故障在處理過程中進(jìn)行了多次優(yōu)化改進(jìn)驗(yàn)證，并在解決問題的基礎(chǔ)上持續(xù)改善直升機(jī)的性能。

2 故障現(xiàn)象及原理分析

2.1 故障現(xiàn)象

某型裝載渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的直升機(jī)在進(jìn)行大重量懸停時(shí)，在某一時(shí)刻，飛行員觀察到2#發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器出口溫度(T4)柱狀線指示突然下降，其溫度顯示掉落至360 ℃左右后穩(wěn)定在該值，飛行員立即根據(jù)該型機(jī)的應(yīng)急處置措施退出懸停狀態(tài)并進(jìn)行緊急著陸，隨后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.2 原理分析

燃?xì)獍l(fā)生器出口溫度在直升機(jī)上的可視化涉及發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)采集、機(jī)電管理、數(shù)據(jù)綜合顯示，其各系統(tǒng)的交聯(lián)原理如圖1所示。

1)該機(jī)型的每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)均裝載了一個(gè)GR-26帶接線盒的熱電偶傳感器，用于直接測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器出口的溫度，并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，此處采集的信號(hào)為熱端信號(hào)。

2)該機(jī)型還裝載了T4溫度傳感器(安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)采集器附近)，用于采集冷端處的溫度。

3)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)采集器通過采集熱端及冷端的信號(hào)，在內(nèi)部進(jìn)行處理后，將信號(hào)通過RS422A總線傳輸給機(jī)電管理計(jì)算機(jī)和機(jī)電參數(shù)顯示器；機(jī)電管理計(jì)算機(jī)通過RS422A總線將數(shù)據(jù)傳輸給機(jī)上綜合顯示處理系統(tǒng)。

4)扭矩測(cè)量轉(zhuǎn)換盒為備份數(shù)據(jù)采集路線。

圖1 T4溫度采集原理示意圖

3 故障分析及處理

3.1 故障初步分析

通過故障現(xiàn)象，結(jié)合系統(tǒng)原理可以判斷，故障是由成品采集與分析異常和線路異常引起的，因此可按照?qǐng)D2所示進(jìn)行機(jī)上檢查，并進(jìn)行故障定位。

圖2 故障檢查示意圖

3.2 故障定位

按照故障的初步分析，依次對(duì)機(jī)上進(jìn)行檢查。

1)使用三用表測(cè)量2#發(fā)動(dòng)機(jī)熱電偶電阻值與1#、3#電阻值對(duì)比無異常，可排除發(fā)動(dòng)機(jī)熱電偶傳感器故障引起指示異常。

2)更換發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)采集器后，經(jīng)地面驗(yàn)證故障依然存在。

3)更換機(jī)電管理計(jì)算機(jī)后，經(jīng)地面驗(yàn)證故障依然存在。

4)根據(jù)系統(tǒng)接線圖對(duì)應(yīng)的關(guān)系，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)采集器與熱電偶傳感器之間的線路進(jìn)行測(cè)量檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)采集器J1連接器處的24號(hào)與25號(hào)針腳為連通狀態(tài)，與系統(tǒng)接線圖上的線束要求不符。

5)根據(jù)線纜安裝敷設(shè)位置情況，對(duì)各連接處進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，2#發(fā)動(dòng)機(jī)過線盒處的T4溫度補(bǔ)償線纜在插座連接處出現(xiàn)燒蝕、短接的情況，部分連接處的焊錫出現(xiàn)脫落。2#發(fā)動(dòng)機(jī)的T4補(bǔ)償電纜燒蝕造成短接，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)采集器采集的熱端電動(dòng)勢(shì)信號(hào)減小，在對(duì)比T4溫度冷端的信號(hào)經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)采集器分析處理后，傳輸給機(jī)電參數(shù)的信號(hào)值偏小，從而導(dǎo)致機(jī)電參數(shù)顯示器上的T4溫度穩(wěn)定且其數(shù)值在300 ℃左右。因此，故障定位為2#發(fā)動(dòng)機(jī)線路異常直接導(dǎo)致。

3.3 故障驗(yàn)證

按照故障定位結(jié)果，將機(jī)上2#發(fā)動(dòng)機(jī)T4溫度補(bǔ)償線進(jìn)行了更換及重新焊接，并在完成線纜更換后進(jìn)行地面工作驗(yàn)證。

1)目視檢查。

再次對(duì)1#、2#、3#發(fā)動(dòng)機(jī)過線盒處的導(dǎo)線狀態(tài)進(jìn)行檢查，導(dǎo)線表面無破損，焊點(diǎn)處連接正常。

2)地面動(dòng)態(tài)檢查。

a.按照正常程序啟動(dòng)3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)電參數(shù)顯示器及綜合顯示器上T4溫度指示未見異常，且查看地面運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的飛參數(shù)據(jù)的T4溫度曲線未見異常。

b.在直升機(jī)地面運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，為了對(duì)T4溫度補(bǔ)償電纜出現(xiàn)燒蝕的情況加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，機(jī)組人員使用紅外溫度測(cè)試儀對(duì)貨艙內(nèi)1#、2#、3#發(fā)動(dòng)機(jī)過線盒處的溫度進(jìn)行監(jiān)控記錄，其鈑金件表面溫度曲線記錄如圖3所示(測(cè)試條件：氣壓高度為0 m，大氣溫度為30 ℃，風(fēng)速≤3 m/s)[3]。

圖3 測(cè)量溫度曲線示意圖

c.從圖3溫度曲線可以看出，2#發(fā)動(dòng)機(jī)過線盒處的溫度較1#、3#發(fā)動(dòng)機(jī)過線盒處的溫度偏高約30 ℃，但其在導(dǎo)線可耐溫度范圍內(nèi)。在直升機(jī)停車后，機(jī)組人員立即檢查1#、2#、3#發(fā)動(dòng)機(jī)艙的過線盒導(dǎo)線情況，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線及連接處焊錫均正常。

3)飛行驗(yàn)證。

a.為了在飛行驗(yàn)證時(shí)繼續(xù)監(jiān)控過線盒溫度，分別在1#、2#、3#發(fā)動(dòng)機(jī)過線盒處平臺(tái)上方與下方粘貼溫度試紙。

b.機(jī)組人員將直升機(jī)配重至13 000 kg，飛行機(jī)組人員按照任務(wù)單執(zhí)行飛行任務(wù)，在直升機(jī)進(jìn)行30 m無地效懸停約45 min后，故障再次復(fù)現(xiàn)，飛行機(jī)組人員按照飛行手冊(cè)要求著陸，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)[4]。

c.機(jī)組人員分解檢查1#、2#、3#發(fā)動(dòng)機(jī)過線盒處T4溫度補(bǔ)償導(dǎo)線均出現(xiàn)不同程度的燒傷，2#發(fā)動(dòng)機(jī)溫度補(bǔ)償導(dǎo)線燒蝕情況較1#、3#發(fā)動(dòng)機(jī)處嚴(yán)重。記錄溫度試紙數(shù)據(jù)見表1。

表1 測(cè)試溫度記錄表

3.4 故障處理

對(duì)比其他裝載該型發(fā)動(dòng)機(jī)型機(jī)的T4溫度補(bǔ)償線，發(fā)現(xiàn)其補(bǔ)償電纜材質(zhì)與該型機(jī)不一致。查閱資料發(fā)現(xiàn)該型機(jī)T4溫度補(bǔ)償電纜使用的是普通導(dǎo)線，型號(hào)為KHSMLG22，其可承受的溫度約為180 ℃，結(jié)合表1的溫度測(cè)試結(jié)果，2#發(fā)動(dòng)機(jī)處的高溫將會(huì)導(dǎo)致其融化；而導(dǎo)線與分離插座連接的焊錫為低溫焊錫，也無法承受高溫。

經(jīng)過上述溫度測(cè)試與分析，為解決導(dǎo)線和焊錫無法承受高溫的情況，需更換不同材質(zhì)的導(dǎo)線。最后選擇PX-HB-FBR和KNX-HB-FBR的電纜，其可承受的溫度高達(dá)350 ℃，滿足使用要求；連接焊錫更換為HIAgPb-97，其熔點(diǎn)高于300 ℃，滿足使用要求，焊接工藝要求也隨之提升。

在更換新型號(hào)的耐高溫導(dǎo)線和高溫焊接工藝后，直升機(jī)后續(xù)飛行過程中未再次出現(xiàn)該類故障。

4 深入優(yōu)化改進(jìn)

4.1 初步分析

根據(jù)表1，比較1#、2#、3#發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器出口溫度顯示，在直升機(jī)進(jìn)行大功率懸停時(shí)，1#、3#發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器出口溫度較2#發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器出口溫度低45 ℃左右，其過線盒處導(dǎo)線與2#發(fā)動(dòng)機(jī)過線盒處相比，也僅是輕微損傷，因此，應(yīng)針對(duì)導(dǎo)致2#發(fā)動(dòng)機(jī)過線盒處線路燒蝕的原因繼續(xù)深入研究。

根據(jù)2#發(fā)動(dòng)機(jī)布局及成品情況進(jìn)行如下初步分析。

1)2#發(fā)動(dòng)機(jī)功率出現(xiàn)較大程度的損失或其內(nèi)部出現(xiàn)異常，其在進(jìn)行大功率懸停時(shí)所需功率比1#、3#發(fā)動(dòng)機(jī)大，導(dǎo)致其燃?xì)獍l(fā)生器出口溫度也較高，較高的溫度通過平臺(tái)金屬的熱傳導(dǎo)后，導(dǎo)致分離插座處的溫度較高。

2)直升機(jī)在進(jìn)行大功率懸停時(shí)，2#發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的尾氣由于氣流的原因無法充分排放[5]，導(dǎo)致部分高溫氣體積壓在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，從而導(dǎo)致平臺(tái)溫度提升，線纜燒蝕。

4.2 處理措施

針對(duì)2#發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度較高，考慮可能為發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品內(nèi)部的問題，地面維護(hù)人員將2#與3#發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)調(diào)，在直升機(jī)進(jìn)行試飛后發(fā)現(xiàn)其溫度未出現(xiàn)明顯的變化，排除是由于發(fā)動(dòng)機(jī)異常導(dǎo)致。

為了解決發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)溫度過高的問題，首先采用最直接的方式為在平臺(tái)處增加隔熱墊，減少發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量通過金屬的熱傳導(dǎo)。

經(jīng)過在平臺(tái)增加隔熱墊，再次進(jìn)行直升機(jī)大功率懸停后，對(duì)平臺(tái)各處進(jìn)行溫度測(cè)量，其數(shù)據(jù)見表2。

表2 增加隔熱墊后溫度記錄表

從表2的數(shù)據(jù)可以判斷出，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)傳輸?shù)狡脚_(tái)的溫度有少許的下降，但其相對(duì)溫度還是較高，并未得到明顯的改善。

直升機(jī)在進(jìn)行懸停時(shí)，2#發(fā)動(dòng)機(jī)所處的環(huán)境較差。由于2#發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道位于直升機(jī)的后部，在直升機(jī)旋翼帶動(dòng)的空氣擾動(dòng)[6]和直升機(jī)進(jìn)行前飛時(shí)，其所引入進(jìn)氣道的初始大氣溫度較1#、3#發(fā)動(dòng)機(jī)高，也將導(dǎo)致2#發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度高，所產(chǎn)生的排氣溫度也較1#、3#發(fā)動(dòng)機(jī)高。

為了改善2#發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度較高以及2#發(fā)動(dòng)機(jī)所排出的高溫氣體無法得到充分散出等問題，結(jié)合廠區(qū)其他機(jī)型的結(jié)構(gòu)方式分析，可考慮對(duì)2#發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴和進(jìn)氣道進(jìn)行優(yōu)化。

通過設(shè)計(jì)人員對(duì)旋翼下洗氣流對(duì)2#發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣及排氣系統(tǒng)的建模分析[7]，提出了如下更改意見。

1)進(jìn)氣網(wǎng)材料更改：由原進(jìn)氣網(wǎng)材料(1Cr18Ni9Ti(平)2/05)更改為(0Cr18Ni9 GF2W11.2/1.12(平紋)GB/T 5330)。

2)排氣管長度更改：排氣管進(jìn)行了適應(yīng)性的裁剪，并優(yōu)化2#發(fā)動(dòng)機(jī)排氣整流罩內(nèi)罩，其更改方式如圖4所示。

圖4 排氣管更改示意圖

在同種高溫天氣下，直升機(jī)再次進(jìn)行了大功率懸停[8]，并在直升機(jī)飛行時(shí)長2 h后，地面維護(hù)人員再次檢查發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度試紙的溫度，得出結(jié)果見表3。

表3 結(jié)構(gòu)更改溫度記錄表

從表3的結(jié)果可以得出結(jié)論：在對(duì)直升機(jī)2#發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)優(yōu)化更改后，2#發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的溫度有了明顯的降低，優(yōu)化更改方式有效。結(jié)合后續(xù)直升機(jī)長時(shí)間的飛行檢查結(jié)果來看，燃?xì)獍l(fā)生器出口溫度顯示正常。

5 優(yōu)化總結(jié)

通過對(duì)該型機(jī)T4溫度顯示異常故障處理可以總結(jié)出如下2個(gè)結(jié)論。

1)在導(dǎo)線選取方面，選取耐高溫性能更好的導(dǎo)線及高溫焊錫，雖然提高了焊接的工藝要求，但是高溫區(qū)域該導(dǎo)線的穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)，最大程度地降低了T4溫度異常的可能性，提高了直升機(jī)參數(shù)顯示的穩(wěn)定性。

2)在排氣系統(tǒng)方面，更改2#發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣網(wǎng)材料并優(yōu)化2#發(fā)動(dòng)機(jī)排氣整流罩內(nèi)罩后，明顯降低了2#發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度，提升了直升機(jī)飛行的穩(wěn)定性能[9]。

在科研階段完成故障分析處理后，將其結(jié)論應(yīng)用于設(shè)計(jì)改進(jìn)，并將其推廣到批產(chǎn)架次中去，提升了直升機(jī)的穩(wěn)定性能，降低了T4溫度顯示異常的發(fā)生率。

6 結(jié)語

直升機(jī)從研制階段到最后批產(chǎn)階段，會(huì)出現(xiàn)許許多多的問題，這些問題可能是直升機(jī)維護(hù)性能問題，也可能是選材問題，還可能是需進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)的問題；但是只有在遇到問題時(shí)，認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)問題，舉一反三并提出優(yōu)化改進(jìn)，直升機(jī)的維護(hù)性、穩(wěn)定性、人機(jī)工效[10]等方面才會(huì)變得更加優(yōu)越。