某型航空發(fā)動機主油路壓力擺動故障分析

王段 楊宏 黎強

摘要：以某型航空發(fā)動機主油路壓力擺動故障為契機，以發(fā)動機工作原理為研究手段，結(jié)合發(fā)動機大修指南、臺架試車和故障樹等方法，將故障點逐層逐級定位到溫度放大器中的切換活門油路尺寸，并進行了試驗驗證。此類故障的成功排除，為外場及修理廠排故提供了參考，同時也將信息反饋至制造廠，并提出了解決措施。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；主油路；溫度放大器；切換活門

Keywords：aero-engine；main oil circuit；temperature amplifier；switch valve

0 引言

航空發(fā)動機起動過程中，主燃油泵調(diào)節(jié)器控制發(fā)動機的起動供油規(guī)律及高壓壓氣機可調(diào)轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)角。起動供油規(guī)律由自動起動器感受高壓壓氣機出口壓力，通過逐漸減少最小燃油消耗量的放油，實現(xiàn)供向主燃燒室的燃油隨高壓壓氣機出口壓力增加而增加供油的目的。隨后，根據(jù)自動加速器的供油規(guī)律向主燃燒室供油，并最終達到與慢車油門桿角度對應(yīng)的均衡轉(zhuǎn)速，然后保持慢車狀態(tài)。高壓壓氣機可調(diào)靜子葉片轉(zhuǎn)角是由主燃油泵調(diào)節(jié)器感受高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速，按一定規(guī)律進行控制的。

某型發(fā)動機自研制以來，長期存在起動成功率低、起動時間長及參數(shù)擺動等問題，大修之后的發(fā)動機更是如此。本文針對其中一種新型故障模式進行研究，對于該型發(fā)動機的起動排故具有重要意義。

1 故障情況

對發(fā)動機整機試車進行性能錄取時，通過觀察發(fā)動機的參數(shù)曲線（發(fā)動機油門角度為12°）發(fā)現(xiàn)，在慢車域時，發(fā)動機高壓壓氣機葉片（也稱高壓導(dǎo)向器）角度起調(diào)之后一直出現(xiàn)擺動，且角度無上升趨勢（見圖1），同時發(fā)動機副油路壓力一直擺動（見圖2）。

2 故障分析

2.1 發(fā)動機燃油壓力的工作規(guī)律

主燃油泵調(diào)節(jié)器是發(fā)動機的“心臟”，它是按照發(fā)動機不同工作狀態(tài)要求的規(guī)律調(diào)節(jié)供給燃燒室的燃油。

發(fā)動機起動時燃油壓力規(guī)律如下：

Pf=Pf0+K1（K2P31-PH） （1）

式中，Pf為燃油總管燃油壓力；Pf0為燃油壓力；K1為發(fā)動機結(jié)構(gòu)系數(shù)，由發(fā)動機結(jié)構(gòu)關(guān)系確定；K2為減壓系數(shù)，取決于氣嘴直徑。

由式（1）可知，在發(fā)動機加速過程中，P31壓力值隨著N2換算轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，（K2P31-PH）一項始終大于0且逐漸增大，表明Pf隨著N2換算轉(zhuǎn)速的增大而增大。

2.2 高壓壓氣機可調(diào)靜葉的工作規(guī)律

高壓壓氣機可調(diào)靜子葉片的功能是控制高壓壓氣機可調(diào)靜子葉片的位置，進而控制發(fā)動機的進氣量及氣壓。主燃油泵調(diào)節(jié)器是高壓壓氣機可調(diào)靜子葉片的控制系統(tǒng)，通過控制發(fā)動機的供油流量及壓力來控制發(fā)動機的進氣量，從而控制高壓壓氣機葉片的位置，其控制規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，該發(fā)動機的高壓壓氣機可調(diào)葉片的調(diào)節(jié)規(guī)律與理論不符，不能滿足發(fā)動機的正常使用。

2.3 與故障相關(guān)的結(jié)構(gòu)

以發(fā)動機工作原理為手段，結(jié)合歷年故障檢查情況、修理經(jīng)驗及故障詳細數(shù)據(jù)，分析對該故障有影響的相關(guān)結(jié)構(gòu)。相關(guān)結(jié)構(gòu)主要包括主燃油泵調(diào)節(jié)器上的溫度放大器、起動裝置及噴嘴等，由此建立故障樹，如圖4所示。

3 故障定位

3.1 故障定位過程

此次出現(xiàn)的主油路壓力擺動故障，由于出現(xiàn)在發(fā)動機試車過程中，噴嘴的更換極難操作，需要對發(fā)動機進行大分解，且分解完成后容易產(chǎn)生其他故障，對于排故的成本及時間不利。因此，根據(jù)發(fā)動機的工作原理及修理經(jīng)驗，結(jié)合外場歷年來的排故方法，首先在發(fā)動機臺架試車時測量溫度放大器輸出壓力兩個輸出管接頭的壓力值，發(fā)現(xiàn)其值均在允許的合格使用范圍內(nèi)，但發(fā)動機副油路壓力卻仍在擺動。因此，采取串件以鎖定故障點，通過對故障部件的進一步分解檢查、試驗等，最終定位到具體的零件。

1）更換起動裝置部分

起動裝置是主燃油調(diào)節(jié)器與噴嘴之間的獨立部件，其功能主要是為發(fā)動主燃燒室分配燃油，并調(diào)節(jié)發(fā)動機的起動供油壓力，與發(fā)動機的主油路壓力密切相關(guān)。為此，將合格的同型起動裝置串裝在該發(fā)動機上進行性能試驗，發(fā)現(xiàn)與之前并無差別，仍出現(xiàn)相同故障現(xiàn)象，故排除起動裝置引起的主油路壓力擺動，仍舊裝回原臺配置的起動裝置。

2）更換主調(diào)溫度放大器部分

溫度放大器是主燃油調(diào)節(jié)器上一個基礎(chǔ)的調(diào)節(jié)部分，其根據(jù)溫度傳感器感受的外界溫度，轉(zhuǎn)化為燃油壓力，為主燃油調(diào)節(jié)器輸入基本參數(shù)。若溫度放大器出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致整個發(fā)動機的工作基點處于無規(guī)律狀態(tài)，從而使發(fā)動機處于紊亂狀態(tài)。因此，將試驗合格的溫度放大器裝配至該發(fā)動機，進行臺架試車。試車發(fā)現(xiàn)，高壓導(dǎo)向器可調(diào)導(dǎo)流葉片、燃燒室主油路壓力完全符合理論工作規(guī)律，表明故障件為溫度放大器。

對原臺溫度放大器進行分解檢查，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部活門尺寸與標(biāo)準(zhǔn)活門有差異，如圖5所示。合格件的油路孔在槽的中央，而故障件的油路孔明顯有錯位。油路孔位于槽中央是為了保證油路的正常切換，顯然故障件無法實現(xiàn)此目標(biāo)，因而造成其中一個方向的油路快速切換，而另一個方向的油路切換速度明顯較慢，導(dǎo)致發(fā)動機主油路壓力出現(xiàn)擺動。

3.2 故障機理分析

圖6所示為溫度放大器工作原理。溫度傳感器將感受到的溫度信號放大并轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機構(gòu)三維凸輪和溫度凸輪軸上齒輪的轉(zhuǎn)動。例如，發(fā)動機進口溫度升高，分油活門左端壓力增大，套筒左移開大放油孔，齒條活塞左腔油壓下降而左移，帶動齒輪順轉(zhuǎn)，同時帶動反饋杠桿反轉(zhuǎn)，反饋杠桿使分油活門左移而關(guān)小放油口，齒條活塞左腔油壓回升，活塞左移速度減慢并很快與右腔油壓和放松了的彈簧力相平衡。

但是，若切換活門的油路孔尺寸不合格（如圖5所示的故障件），則會使回轉(zhuǎn)接管的油路快速打開或關(guān)閉（圖6中藍圈部分），進而引起分油活門上下腔的壓力快速變化，從而造成三維凸輪及溫度凸輪的參數(shù)變化，使得主調(diào)的基準(zhǔn)參數(shù)變化，導(dǎo)致故障發(fā)生。

4 故障驗證

將符合設(shè)計圖紙要求的切換活門串裝到故障溫度放大器中，然后將其裝配至發(fā)動機上進行臺架試車，整個試車過程中未出現(xiàn)類似故障，故障得到成功排除。

此次主油路壓力擺動故障產(chǎn)生的原因是切換活門尺寸公差不符合設(shè)計圖紙要求，使回轉(zhuǎn)接管的油路快速打開或關(guān)閉，進而引起發(fā)動機基準(zhǔn)參數(shù)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致主油路壓力、高壓導(dǎo)向器可調(diào)葉片角度等不符合要求。

5 改進措施

基于以上分析結(jié)果，參考該型主燃油泵調(diào)節(jié)器大修指南，研究制定了制造加工過程中的控制措施，確保切換活門各油路尺寸公差完全在設(shè)計要求的公差范圍內(nèi)，從而保證發(fā)動機基準(zhǔn)參數(shù)不出現(xiàn)較大偏差。

參考文獻

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