華繼偉 王立 郭林林 劉創(chuàng)

摘 要：本文針對某渦軸發(fā)動機加裝Pt2探針后出現(xiàn)的性能超出預期下降故障，建立了故障樹，通過孔探儀檢查等方法逐級排查，確定Pt2探針上的O型密封圈損傷導致的發(fā)動機內(nèi)部串流是本次故障的原因，針對故障原因提出整改措施并進行了試驗驗證，結(jié)合本故障提出了徑向進氣壓氣機進口總壓測試的改進方案。

關鍵詞：渦軸發(fā)動機;改裝;性能降低;故障分析

中圖分類號：V235 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0101-04

某在研渦軸發(fā)動機壓氣機為徑向進氣離心式壓氣機。因測試需要，在兩臺測試用用發(fā)動機（編號1#和2#）的壓氣機進口加裝總壓探針（Pt2探針）。根據(jù)CFD計算結(jié)果可知，Pt2探針的安裝帶來進口總壓損失在0.6%以內(nèi)，發(fā)動機在相同換算轉(zhuǎn)速（nc）下的換算功率（Pc）下降幅度不會高于1%（預期值）[1]。通過發(fā)動機整機試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，1#發(fā)動機加裝Pt2探針后，Pc變化不大，與計算預期值相符;2#發(fā)動機加裝Pt2探針后，Pc出現(xiàn)明顯下降，遠超計算預期值。針對2#發(fā)動機Pc下降幅度超出計算預期值故障，開展了分析工作，進行了排故檢查和驗證，最終確定了故障原因，提出了整改措施，進行了試驗驗證，并結(jié)合本故障提出了徑向進氣壓氣機進口總壓測試的改進方案。

1 故障描述

1.1 Pt2探針安裝情況

某渦軸發(fā)動機的Pt2探針，安裝在壓氣機進口截面，共9支，周向均布。

1.2 加裝Pt2探針性能變化情況

圖1是1#發(fā)動機加裝Pt2探針后性能的變化情況，可以看出在nc為95～99%范圍內(nèi)進氣流量降低了0.22～0.45%，壓比降低了0.32～0.42%，功率降低了0.1～0.3%，T45升高0.1～0.17%。圖2是2#發(fā)動機加裝Pt2探針后性能的變化情況，可以看出在nc為95～99%范圍內(nèi)進氣流量降低1.14～ 1.5%，壓比降低2～2.24%，功率降低2.6～2.8%，T45降低0.4～0.44%。

裝Pt2探針后1#機的Pc下降符合預期，而2#機的Pc下降最大幅度達到2.8%，遠遠超出預期值，需要查找原因，排除故障。需要查找原因，排除故障。

2 故障分析和排查

2.1 故障樹

根據(jù)故障現(xiàn)象，結(jié)合試驗流程，建立發(fā)動機裝Pt2探針Pc超預期下降故障樹[2]，見圖3。故障樹分四個方向進行排查分析：

流道件損傷和流道件污染是導致發(fā)動機功率下降最常見的原因，所以將其作為故障樹最先排查的兩個方向;原機狀態(tài)和加裝Pt2探針狀態(tài)的車臺性能試驗之間，對發(fā)動機冷端部件進行了孔探儀檢查，所以將內(nèi)窺孔密封故障作為故障樹第三個排查方向;Pt2探針加裝作為故障樹最后一個排查方向。

2.2 故障排查及定位

對故障樹底事件進行逐項排查。

2.2.1 對發(fā)動機流道件進行孔探儀檢查

通過孔探儀檢查，發(fā)動機流道完好未受損傷，排除X1～X4;發(fā)動機進氣道和壓氣機流道件清潔未受到污染，排除X5和X6。

2.2.2 對發(fā)動機外部漏氣檢查

發(fā)動機冷運轉(zhuǎn)，進行發(fā)動機外部漏氣檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機有兩處內(nèi)窺孔安裝位置漏氣，重新安裝后重復上述檢查工作，沒有發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。再次對發(fā)動機進行性能錄取試驗，發(fā)動機性能沒有明顯的改善，排除X7～X9，X16。

2.2.3 對加裝Pt2探針故障進行排查

為保證Pt2探針測試的精度，盡量保證探針伸入流道的方向與氣流方向垂直，但是受機匣幾何形狀和尺寸的限制，設計方案上存在以下兩個缺陷：Pt2探針上選取的O型密封圈截面直徑較小，容易受到損傷;其次Pt2探針O型密封圈安裝孔為斜孔，當Pt2探針伸入流道時，O型密封圈一側(cè)先接觸機匣壁，存在受力不均造成損傷的隱患。假設O型密封圈發(fā)生損傷，密封失效，第一級離心葉輪出口引向輸出軸組件密封用氣體將從Pt2探針密封位置進入壓氣機進口，如圖4所示，這種情況與開啟防冰引氣類似，對此情況建立模型進行計算模擬。

第一級離心葉輪出口引氣比：

B=Wa引氣/Wa2

9個膠圈間隙與離心葉輪出口引氣間隙面積之比：

b=S膠圈間隙/S引氣間隙

密封失效系數(shù)K=1/3、2/3、1進性能計算。

密封故障，泄露進入壓氣機進口的氣體流量為：

Wa泄露=B*b*K*Wa2

根據(jù)流量連續(xù)可以得到：

Wa2=Wa0+B*b*K*Wa2

即為：Wa2=

根據(jù)能量平衡可以計算出：

Wa2*T2=Wa0*T0+B*b*K*Wa2*T25

經(jīng)變換可得壓氣機進口溫度為：

T2=（Wa0*T0+B*b*K*Wa2*T2.5）/Wa2

上式中，T2.5為引氣溫度，其計算公式為：

T25=（T3-T2 ）+T2

式中與發(fā)動機狀態(tài)基本無關，本文取為常數(shù)θ;而（T3-T2）為燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)算轉(zhuǎn)速和T2的函數(shù)關系，令其為f1（nc，T2）則：T25=θ*f1（nc，T2）+T2

已知發(fā)動機進口溫度T0、發(fā)動機進口空氣流量Wa0、燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速ng、引氣處的溫比θ等參數(shù)，根據(jù)上述公式可以計算出在密封故障下的壓氣機進口各未知參數(shù)，計算流程見圖5。

假設密封故障出現(xiàn)后，泄露氣體與進口空氣在壓氣機前充分摻混，沒有畸變。根據(jù)不同密封失效系數(shù)下計算得到的發(fā)動機性能參數(shù)，與相同換算轉(zhuǎn)速狀態(tài)下沒有泄露時發(fā)動機性能參數(shù)對比，見圖6～圖8。

通過比較，試驗得到的性能變化趨勢和不同泄露系數(shù)下的計算的性能變化趨勢基本一致，試驗時發(fā)動性能變化值介于K=1/3和K=2/3計算性能變化值之間，初步推斷膠圈損傷個數(shù)在3個以上。拆卸Pt2探針后確認探針上有5個膠圈出現(xiàn)損傷，與初步推斷相符。