某航空发动机压气机角度卡滞故障研究

某航空发动机压气机角度卡滞故障研究

童岩鹏，静雨蔚，倪佳霖，姜子晴

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）

摘要：本文主要对某航空发动机高压压气机角度卡滞故障进行研究，通过控制系统的工作原理，结合故障树分析方法，查明故障原因为作动筒的方型密封圈没有起到支承作用，导致作动筒筒体与活塞工作过程中活塞与筒体不同心，筒体与活塞异常碰摩，摩擦阻力增加，有杆腔与无杆腔互相通油，使两腔无法迅速建立起有效压差，进而引起卡滞故障。。

关键词：航空发动机；高压压气机；卡滞；

0 引言

某航空发动机为全权限数字式电子控制系统，也称为FADEC系统（Full Authority Digital Electronic Control），是指利用计算机为核心的数字式电子控制系统来完成发动机对控制系统所规定的全部任务。它以数字电子控制器为核心，与液压机械执行机构及传感器共同来完成控制系统所规定的全部任务，下文简称为电调控制系统。在整个飞行包线范围内，在发动机所有稳态和过渡态工作时实现各种控制功能、参数的极限限制、防喘、消喘、故障诊断、隔离与重构、状态监视等功能[1-3]。

航空发动机的高压压气机是最重要的部件之一,其性能在很大程度上决定航空发动机的稳定裕度和性能指标.为了使航空发动机高压压气机发挥出优良的性能和更大的裕度, 当代大多数涡轮风扇发动机一般都会设计为高压压气机进口导流叶片角度具备可调节功能，会根据发动机的转速控制高压压气机的角度，进而控制进气流量与发动机的燃油流量相匹配。

本文主要压气机角度可调的工作原理以及出现卡滞故障时如何排除。

1 控制原理

为实现电调状态时的控制功能，在主泵调节器内部的α2分油活门外部设计了活动衬套，并增加占空比电磁阀（电液转换装置）。

在电调系统工作正常时，数字电子控制器根据软件中的控制规律向占空比阀发出电信号，改变活动衬套控制腔的油压，活动衬套移动改变控油窗口与高压油源及低压回油油路的连通面积，使α2作动筒两腔压力发生改变，通过角位移传感器将作动筒活塞杆的移动信号反馈至电子控制器，实现闭环控制。

图1 控制回路原理

2 故障树分析

根据压气机可调叶片角度控制原理原理，列出故障树，见图2 。

图2  防冰控制系统故障树

根据图2故障树关系，根据相关数据对17个底事件进行分析，通过控制原理及实际数据分析，17个与控制系统相关的底事件均可排除，具体分析原因及结果如下：

X1供油油量偏小从数据中分析，随着油门杆角度上升，主燃油计量活门开度增加，供油量增加，转速上升，跟随正常，底事件1可排除。

X2燃烧室反压偏低从数据中分析，P31测量正常，底事件2可排除。

X3喷嘴流阻小喷嘴流阻小，可导致主燃油泵后压力降低，进而导致活门工作压力低，驱动压差减小，可能导致a2在某一角度后无法继续打开，由于暂无有效直接的喷嘴流阻测量手段，不能直接排除喷嘴流阻小事件，但是喷嘴流阻变小属于不可恢复故障，而后续开车a2控制正常，因此底事件3可以排除。

X4计量装置压差小发动机的同一状态的需油量一致，从数据中分析，故障前后同一状态Lm活门开度一致，通过流量与活门的计算公式可知，计量装置的压差一致，不存在计量装置压差小的故障，因此底事件4可排除。

X5齿轮泵效率低若齿轮泵效率低，可导致主燃油泵泵后油压偏低，主燃油供油无法满足正常要求，从数据分析可以看出，随着油门杆角度上升，主燃油计量活门开度增加，供油量增加，转速上升，跟随正常，底事件5可排除。

X6中心油滤流阻大中心油滤流阻大可导致泵后压力降低，活门工作压力降低，驱动压差减小，可能导致a2在某一角度后无法继续打开，由于暂无有效直接的中心油滤流阻测量手段，不能直接排除中心油滤流阻大的事件，但是中心油滤堵塞属于不可恢复故障，从后续开车数据分析a2控制正常，因此底事件6可以排除。

X7飞机来油压力异常飞机来油压力异常可导致回油压力偏高，进而导致驱动压差小，从数据中分析得知主燃油供油正常，转速跟随正常，由于a1和a2共用一套回油油路且a1按机械液压设计规律控制正常，因此底事件7可以排除。

X8回油路流阻大回油路流阻大可导致回油压力偏高，进而导致驱动压差小，由于a1和a2共用一套回油油路且a1按机械液压设计规律控制正常，因此底事件8可以排除。

X9回油路流量大回油路流量大可导致回油压力偏高，进而导致驱动压差小，由于a1和a2共用一套回油油路且a1按机械液压设计规律控制正常，因此底事件9可以排除。

X10主泵后回油压力高主泵泵回油压力高可导致驱动压差小，由于a1和a2共用一套回油油路且a1按机械液压设计规律控制正常，因此底事件10可以排除。

X11N2换算转速给定小由于转差的影响，a1按机械液压线控制且按照液压设计规律理论线进行控制，且a1和a2共用一套N2换算指令，因此a2机械液压控制的给定值正常，N2换算转速指令油压给定正常，因此底事件11可以排除。

X12超前给定机构失效由于转差的影响，a1按机械液压线控制且按照液压设计规律理论线进行控制，且a1和a2共用一套N2换算指令。

超前机构作用在N2换算指令杆上，a1和a2的超前都由同一杆控制，由于a1按机械液压控制正常，因此N2换算指令杆作用正常，判断超前给定机构正常，因此底事件12可以排除。

X13a2分油活门卡滞根据a2分油活门安装结构，a2分油活门只与a2分油活门中间衬套配合接触，进行相对运动。a2分油活门中间衬套位置由电调占空比控制，其位移可通线位移传感器监测。从故障曲线中看出，控制器发出占空比后，La2跟随正常，说明a2分油活门与a2分油活门衬套无卡滞。另外，从数据分析中可以看出a2停滞在8-10度附近而角度无法继续减小，若分油活门卡滞在某一处不动，衬套动作后会使无杆腔持续供油，使得a2偏开到一端，与数据现象不符，因此可以排除a2分油活门卡滞的底事件。

X14反馈机构异常反馈机构将a2实际角度与a2给定杠杆比较后将信息传递到a2控制杠杆，进而控制作动筒有杆腔和无杆腔的供油。

若反馈机构发生卡滞，极限条件下会导致a2角度开到最大或关到最小；若非极限条件下，引起a2角度控制偏离计划值，但a2角度仍然随控制计划变化（存在控制偏差）。根据现场下载控制器数据分析，a2卡滞后油门有上推动作，a2给定值随着换算转速上升而变化，而a2实际值停滞在某一角度不发生变化，故障模式与实际数据不符，因此可以排除反馈机构异常的底事件。

X15a2重调电磁阀异常电调状态a2重调电磁阀上电，a2重调活塞处于最左端，a2重调杠杆处于右极限位置，是反馈杠杆的支点，若a2重调电磁阀突然断电关闭，使得a2向偏开方向移动，与偏关现象不符，因此底事件15可以排除。

X16a2占空比阀异常通过数据分析，a2占空比按照偏差进行计算输出，而衬套的输出正常，符合设计要求，占空比阀正常，因此底事件16可以排除。

X17衬套卡滞通过a2的LVDT线位移传感器传出的数据，表征的是a2衬套的位移量，通过数据分析La2全程动作正常，按照占空比的输出进行控制，符合设计要求，无卡滞现象，因此底事件17可以排除。

3 解决措施

通过数据及故障树分析相关问题17个底事件可以初步排除，机械传动相关的底事件中，除了作动筒故障外，其余故障模式也可排除，因此进行了如下的排查工作：

1)静态检查作动筒，无漏油现象；

2)发动机在慢车状态和停车后目视检查作动筒外部，无漏油现象；

3)静态检查a2反馈钢索外刻度和反馈刻度，与出厂数据相比无异常；

4)下载控制器数据，分析控制器a1和a2给定值无异常；

5)在发动机作动筒有杆腔和无杆腔接入压力测点，发动机地面开车，按照检验试车开车检查了a2阻滞力，经分析无异常；

6)在发动机作动筒有杆腔和无杆腔接入压力测点，按照模拟故障次程序推拉油门杆共6次，未出现a2卡滞现象，a1及a2控制正常，空中发生的故障现象未复现，因此无法直接排除主泵输出问题；

7)脱发后检查a2外部机构、利用孔探仪检查传动机构，未见异常；

8)脱发后静态打压，0.1MPa，0.2MPa，0.5MPa，1MPa，2MPa压力下，a2传动机构往复运动，无明显卡滞，作动筒拉杆、进回油口无漏油痕迹；

9)脱发后作动筒无杆腔打压，有杆腔打压接口敞开，1MPa和2MPa压力下，有杆腔打压接口有油滴滴出，而且随着压力增加，滴出频率增加，由于现场不具备继续升高打压压力的条件，因此内部漏油量是否符合要求，需返厂进一步进行检查。

10)拆下套作动筒及传动摇臂，返回厂内检查。

5 结  论

该故障的主要机理是，作动筒的方型密封圈没有起到支承作用，导致作动筒筒体与活塞工作过程中活塞与筒体不同心，筒体与活塞异常碰摩，摩擦阻力增加，有杆腔与无杆腔互相通油，使两腔无法迅速建立起有效压差，进而引起卡滞故障。

参考文献：

[1]周宗才. 飞机推进系统控制[M]. 西安：空军工程学院，1997：39-49. ZHOU Zongcai. Aircraft propulsion system control [M]. Xi’an：Air force Engineering College，1997：39-49.（in Chinese）

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