李斌

摘 要：在直升機檢修維護工作中，時常會遇到發(fā)動機喘振問題。根據(jù)實踐工作經(jīng)驗，本文結(jié)合直升機發(fā)動機喘振故障實例，對直升機發(fā)動機工作原理和喘振機理展開了分析，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，直升機發(fā)動機喘振與發(fā)動機排氣口與進氣口距離過近造成的壓氣機進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)動機排氣結(jié)構(gòu)，能夠有效排除發(fā)動機喘振故障。

關(guān)鍵詞：直升機渦輪軸發(fā)動機 喘振故障 壓氣機

中圖分類號：V26 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0017-03

在直升機設(shè)計和使用階段，發(fā)動機性能好壞至關(guān)重要，將直接影響直升機飛行安全。所以在直升機檢修維護的過程中，還要加強對直升機發(fā)動機故障的有效防治，以免直升機出現(xiàn)安全問題。而喘振現(xiàn)象為發(fā)動機常見故障，因此還應(yīng)加強對直升機發(fā)動機的喘振分析，以便結(jié)合喘振原因采取有效的處理方法，實現(xiàn)對發(fā)動機喘振問題的有效預(yù)防，為直升機飛行安全提供更多保障。

1 直升機的發(fā)動機喘振現(xiàn)象

某型號發(fā)動機為自由渦輪式渦輪軸發(fā)動機，其采用的壓氣機為混合式壓氣機，由跨音軸流壓氣機和超音離心壓氣機構(gòu)成。發(fā)動機本身結(jié)構(gòu)較為簡單，并且體積較小，性能穩(wěn)定，能夠為直升機使用維護提供便利。但在直升機試飛初期，發(fā)動機多次出現(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，同時伴隨著燃?xì)饧皠恿u輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)變化。在發(fā)動機喘振期間，直升機機身振動并未發(fā)生較大變化，發(fā)動機喘振幅度輕微，持續(xù)時間在1～5sec之間。而直升機發(fā)動機喘振意味壓氣機工作不穩(wěn)，其導(dǎo)流葉片與工作葉片間產(chǎn)生了氣體分離問題，進而造成發(fā)動機內(nèi)部空氣流路產(chǎn)生空氣振動。在此期間，由于發(fā)動機內(nèi)部氣流壓力和速度迅速變化，空氣將從進氣裝置噴射出來，造成壓氣機內(nèi)空氣壓力不足，燃?xì)鉁u輪燃燒不穩(wěn)，葉片及發(fā)動機將伴隨氣體溫度升高而發(fā)生抖振，并發(fā)出異常聲音。所以在直升機飛行過程中，喘振的發(fā)生意味著發(fā)動機功率降低，可能造成燃燒室熄火，引發(fā)發(fā)動機過熱或停車，甚至造成發(fā)動機零部件損壞。因此還應(yīng)找到直升機發(fā)動機喘振原因，并通過有效處理喘振故障確保直升機飛行安全。

2 直升機發(fā)動機喘振原因分析

從實踐經(jīng)驗來看，不同型號直升機發(fā)動機發(fā)生喘振的原因并不相同，喘振的發(fā)生與發(fā)動機壓氣機工作特點存在直接關(guān)系。為確認(rèn)直升機發(fā)動機喘振原因，還要結(jié)合直升機發(fā)動機內(nèi)部空氣流路對發(fā)動機喘振機理展開分析。

2.1 發(fā)動機內(nèi)部空氣流路

從該型號直升機發(fā)動機工作原理來看，在工作過程中，外界空氣將由進氣道進入壓氣機，在軸流壓氣機中得到首次壓縮，然后進入離心壓氣機得到再次壓縮，最后進入燃?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)動壓氣機工作，并驅(qū)動直升機旋翼工作。從空氣流動過程來看，發(fā)動機內(nèi)部空氣流路可劃分為前部、中部和后部3個部分，前部由軸流壓氣機得到的壓縮空氣P1將在前后軸承篦齒封嚴(yán)裝置作用下從離心壓氣機葉輪間隙流入，使壓氣機后軸承得到密封。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行裝置封閉。分析其工作原理可以發(fā)現(xiàn)，在增壓空氣進入篦齒封嚴(yán)裝置后，將從裝置間隙向壓力低的一側(cè)流動，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，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)動機中部，從離心壓氣機得到的壓縮空氣P2可以使油盤篦齒封嚴(yán)裝置發(fā)揮密封作用。在發(fā)動機后部，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，以形成內(nèi)部空氣流路。

2.2 發(fā)動機喘振機理分析

從發(fā)動機壓氣機工作原理來看，壓氣機需要與發(fā)動機各部件配合才能完成工作。在設(shè)計階段，由于發(fā)動機點火流量固定不變，需要按照預(yù)定程序提供加速燃油流量，所以發(fā)動機燃油流量可用式（1）表達各參數(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分別為壓氣機進口溫度及離心壓氣機出口壓力。在發(fā)動機啟動的過程中，不同環(huán)境溫度下發(fā)動機油氣比Wf/P3將會隨著渦輪換算轉(zhuǎn)速發(fā)生變化[2]。如圖1所示，為不同環(huán)境溫暖下發(fā)動機啟動過程的參數(shù)變化情況。利用Wf/P3，可用于進行渦輪進口溫度的反映。根據(jù)Wf/P3和Ngco的關(guān)系，可對壓氣機喘振特性進行反映。在外界環(huán)境溫度有所提升的情況下，發(fā)動機在初步啟動階段會出現(xiàn)Wf/P3隨發(fā)動機換算轉(zhuǎn)速增加而變小的情況，以免燃燒室出現(xiàn)富油情況。而進入供油加速階段后，會出現(xiàn)Wf/P3隨發(fā)動機換算轉(zhuǎn)速增加而增大的情況。在發(fā)動機穩(wěn)定階段，會出現(xiàn)Wf/P3隨發(fā)動機換算轉(zhuǎn)速增加而變小的情況，以避免發(fā)動機出現(xiàn)超溫情況。在整個過程中，根據(jù)各參數(shù)函數(shù)關(guān)系，則能實現(xiàn)對計量活門軸向開度的控制，從而使發(fā)動機按照程序由加速發(fā)展至穩(wěn)定運行階段。

（1）

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

（2）

2.3 發(fā)動機喘振原因確認(rèn)

結(jié)合直升機發(fā)動機喘振機理可知，想要避免發(fā)動機發(fā)生喘振，需對壓氣機的溫度分布和入口壓力進行調(diào)節(jié)。而該型號發(fā)動機在設(shè)計上采取了增加壓氣機中間級放氣活門的方法達到調(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)速降低時將部分軸流壓氣機出口空氣放掉，以增強發(fā)動機起動時轉(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)，此時壓氣機工作線接近喘振邊界，容易導(dǎo)致發(fā)動機喘振。在將放氣活門打開后，伴隨著空氣流量G′的增加，壓氣機工作線距離喘振界線較遠，發(fā)動機擁有較大喘振裕度，因此可避免喘振現(xiàn)象發(fā)生。從放氣活門位置來看，其位于機匣錐形段上方，打開后可以使部分P1空氣進入外界大氣。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)動機加速階段，如果渦輪轉(zhuǎn)速約92%，活門應(yīng)處在關(guān)閉狀態(tài)，如果達到91%則應(yīng)為開啟狀態(tài)。

結(jié)合上述分析可知，直升機發(fā)動機發(fā)生喘振，主要與3種因素有關(guān)，即進氣口溫度不均、放氣活門放氣不足、葉片損傷等其他原因?？紤]到氣溫急劇升高可能造成壓氣機渦輪葉片受損、渦輪轉(zhuǎn)子阻滯等問題。為確認(rèn)造成發(fā)動機喘振的具體原因，需確認(rèn)發(fā)動機是否存在葉片損傷等問題。通過檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機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。在此基礎(chǔ)上，對發(fā)動機壓氣機進氣道進行了檢查，確認(rèn)進氣道內(nèi)不存在外來物，并且渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動無異常聲音。對進氣導(dǎo)向器進行檢查，可以確認(rèn)葉片位置正常，能夠從一個邊緣位置向另一個邊緣位置移動。結(jié)合檢查結(jié)果、直升機飛行狀態(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發(fā)動機的影響，確認(rèn)直升機發(fā)動機喘振的產(chǎn)生主要與進氣口溫度不均和放氣活門放氣不足這兩項因素有關(guān)。

為進一步確認(rèn)喘振原因，需要進行地面開車檢查，使用壓氣機入口溫度傳感器進行測量，并對放氣活門開閉情況進行確認(rèn)。從檢查情況來看，在發(fā)動機喘振前后，進氣口畸變溫度值達到了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)動機相連的主噴口的熱氣有一部分將由進氣口上游滑動散熱器出風(fēng)口進入，繼而造成進氣區(qū)溫度過高。通過采取臨時遮擋措施降低進氣口溫度，發(fā)動機仍然出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。所以可以認(rèn)為，造成發(fā)動機喘振的還有其他原因。進一步檢查發(fā)動機放氣活門開閉情況可以發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動機啟動階段，放氣活門出現(xiàn)了提前關(guān)閉情況，進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)，該型號發(fā)動機的進氣口與排氣口距離較近，排氣口位于機身兩側(cè)，靠近主減后方發(fā)動機進氣口，容易產(chǎn)生彼此間相互影響。而該型號發(fā)動機采用的啟動式放氣活門，即將根據(jù)P2/P0空氣壓力完成活門開閉自動控制。在控制部分，存在有用于感受壓力的膜合組，內(nèi)部能過對P2空氣壓力產(chǎn)生作用，外部可以對P0空氣壓力產(chǎn)生作用。在達到P2/P0調(diào)定值時，膜盒會有所伸長，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，活塞可以對彈簧力進行克服，作用于扇形齒輪使活門關(guān)閉。但由于前后進氣口與排氣口相互影響，膜盒也將受到發(fā)動機余溫的影響，造成控制計量活門軸向開度不準(zhǔn)，進而造成活門提前關(guān)閉。因此從總體來看，造車排氣量不足和進口溫度過高的原因均為排氣口與進氣口距離過近，從而引發(fā)了發(fā)動機喘振問題的產(chǎn)生。

3 直升機發(fā)動機喘振處理方法

3.1 處理方法

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