楊天賀

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院,南京 211156）

多級軸流式壓氣機防喘系統(tǒng)模擬排故方案設(shè)計

楊天賀

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院,南京 211156）

喘振是由壓氣機內(nèi)的空氣流量和壓氣機轉(zhuǎn)速偏離設(shè)計狀態(tài)過多而引發(fā)的一種發(fā)動機工作不正常的一種狀態(tài)。喘振是發(fā)動機的致命故障，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致發(fā)動機空中停車甚至發(fā)動機致命損壞。本文以V2500航空發(fā)動機為研究對象，對其多種防喘系統(tǒng)中的一種措施——可調(diào)靜子葉片（VSV）防喘系統(tǒng)進(jìn)行了研究，歸納和整理出了VSV系統(tǒng)常發(fā)生的故障現(xiàn)象以及發(fā)生故障的零部件等，通過參考維修手冊和工卡，設(shè)計出VSV系統(tǒng)排故方案。

航空發(fā)動機；喘振；VSV；模擬排故

1 多級軸流式壓氣機喘振簡介

航空發(fā)動機是飛機的核心，而發(fā)動機的喘振問題一直制約著渦輪發(fā)動機的發(fā)展，影響發(fā)動機的性能，嚴(yán)重時會損壞發(fā)動機，屬于發(fā)動機故障中最具破壞力的故障，對民用客機安全以及整個航空事業(yè)的發(fā)展造成巨大威脅。飛機發(fā)動機的喘振具體是指壓氣機的喘振。

壓氣機是用來提高進(jìn)入發(fā)動機內(nèi)的空氣壓力，給發(fā)動機工作時提供所需的壓縮空氣，同時可為座艙增壓、渦輪散熱和其他發(fā)動機的起動提供壓縮空氣。

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機中，一般采用三種基本類型的壓氣機：軸流式、離心式和混合式。壓氣機喘振是指非正常工況下氣流沿壓氣機軸線方向發(fā)生的低頻率（通常有幾赫或十幾赫）、高振幅（強烈的壓強和流量波動）的氣流振蕩現(xiàn)象。喘振時的現(xiàn)象是：發(fā)動機的聲音由尖哨轉(zhuǎn)變?yōu)榈统?；發(fā)動機的振動變強；壓氣機出口總壓和流量大幅度波動；轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，推力驟然下降并且伴有較強的波動；引擎排出氣體溫度上升，導(dǎo)致超過溫度界限；超出界限程度較大時會發(fā)生放炮，氣流出現(xiàn)流動不暢而造成發(fā)動機停車。所以，針對喘振現(xiàn)象必須立刻執(zhí)行修復(fù)程序，使壓氣機脫離喘振狀態(tài)。

2 航空發(fā)動機幾種常規(guī)防喘措施介紹

壓氣機喘振會使壓氣機葉片斷裂，引起發(fā)動機熄火停車，嚴(yán)重威脅發(fā)動機的安全工作。因此在使用中應(yīng)避免喘振現(xiàn)象的發(fā)生。主要的防喘措施有以下三種。

1.1 從多級軸流壓氣機的某一級或數(shù)個中間截面放氣

當(dāng)壓氣機轉(zhuǎn)速低于一定數(shù)值時將放氣門打開，其目的是為了增加前幾級壓氣機的空氣流量，避免前幾級因攻角過大而產(chǎn)生氣流分離。中間級放氣也避免了后幾級壓氣機進(jìn)口流速過大、攻角過小，甚至為負(fù)值，使增壓比和效率降低的現(xiàn)象，放氣孔的位置和排出空氣的數(shù)量需要根據(jù)具體情況經(jīng)過試驗進(jìn)行選擇。

與其他防喘方法比較，這種方法在結(jié)構(gòu)上比較簡單，但是部分被壓縮的氣體排放到大氣中去，浪費了壓縮這部分氣體的機械工，所以缺乏經(jīng)濟(jì)性。

1.2 采用一級或數(shù)級導(dǎo)流葉片

用這種方法防喘時，進(jìn)口導(dǎo)流葉片通常裝在第一級壓氣機前面。因為前幾級和末幾級的攻角偏離程度在壓氣機低轉(zhuǎn)速工作時最大，首先產(chǎn)生了氣流分離，因此可調(diào)導(dǎo)流葉片通常安裝在多級軸流式壓氣機的前幾級和末幾級。

1.3 采用雙軸或三軸結(jié)構(gòu)

將壓氣機分成兩個或三個轉(zhuǎn)子，分別由各自的渦輪來帶動，于是一臺高增壓比的壓氣機就成為兩個或三個低增壓比的壓氣機了。如果在設(shè)計工作狀態(tài)下，雙軸壓氣機的兩個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是相同的，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低后，壓氣機的前幾級攻角增大，而后幾級的攻角減小，因而帶動低壓壓氣機需要較大的功率，而帶動高壓壓氣機需要較小的功率。形象的說，轉(zhuǎn)動低壓壓氣機比較“重”，轉(zhuǎn)動高壓壓氣機比較“輕”。這兩個壓氣機是由各自的渦輪帶動的，于是低壓壓氣機就自動的處于較低的轉(zhuǎn)速下工作，而高壓壓氣機則處于較高的轉(zhuǎn)速下工作。這種轉(zhuǎn)速的自動調(diào)整使前幾級和末幾級的攻角變化較小，從而避免了喘振的發(fā)生。

3 多級軸流式壓氣機防喘系統(tǒng)模擬排故演示面板設(shè)計

下面基于V2500發(fā)動機為例，進(jìn)行模擬排故方案的設(shè)計。V2500發(fā)動機是先進(jìn)的軸流式、雙轉(zhuǎn)子、高涵道比渦扇航空發(fā)動機。V2500發(fā)動機可調(diào)靜子葉片（VSV）通過調(diào)整高壓壓氣機進(jìn)口導(dǎo)流葉片和三級靜子葉片的角度，保證低壓壓氣機的氣體流量和高壓壓氣機的氣體流量匹配，這樣能在較寬的工作范圍內(nèi)使引擎保持正常的壓氣機特性，避免發(fā)動機發(fā)生喘振。在防止發(fā)動機喘振現(xiàn)象發(fā)生的同時，壓氣機的總效率也能獲得提升，并且引擎的燃油效率和經(jīng)濟(jì)性得到了提高，因為可調(diào)靜子葉片的調(diào)節(jié)降低了氣體在壓氣機中的流動損失，可調(diào)靜子葉片是在當(dāng)今民航客機上廣泛采用的高壓壓氣機防喘裝置，V2500發(fā)動機的可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)則采用了進(jìn)口導(dǎo)流葉片和前三級的靜子葉片可調(diào)的形式。

3.1 可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)故障分析

可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)的故障主要分為機械故障和電氣故障。VSV系統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)包括作動筒、靜子葉片等，靜子葉片的準(zhǔn)確無誤的偏轉(zhuǎn)需要精密的配合與傳動來保證，從而保證整個可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)的正常工作。

機械結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的故障有：VSV作動筒漏油；運動機構(gòu)摩擦過大；操縱搖臂疲勞斷裂。

電氣故障有：作動筒位置反饋出錯（LVDT故障、LVDT反饋回路線路故障）；連接電氣插頭老化、松動；力矩馬達(dá)繞組故障；N2傳感器繞組故障；CIT傳感器故障；EEC故障。

電氣系統(tǒng)故障多由線路老化，電氣連接頭松動和傳感器出現(xiàn)故障造成。VSV系統(tǒng)電氣故障同樣會造成發(fā)動機控制的障礙。

3.2 可調(diào)靜子葉片的模擬排故方案的擬定

可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)會因為各種原因?qū)е鹿收?。其中可能有VSV作動筒內(nèi)活塞密封圈老化或受到腐蝕，不能起到完全密封的作用，從而作動筒驅(qū)動力降低并達(dá)不到驅(qū)動效果，使可調(diào)鏡子葉片驅(qū)動不良；若可調(diào)靜子葉片機械傳動機構(gòu)由于滑油不足，導(dǎo)致傳動阻力增大甚至卡死，造成VSV的傳動不良，系統(tǒng)也不能正常運作。電氣連接插頭可能由于震動原因造成脫落，電氣導(dǎo)線也有可能由于被外物割傷、摩擦、腐蝕等造成絕緣體層破壞，引起斷路或短路。

電路的電氣連接傳輸出現(xiàn)問題，造成EEC檢測和傳輸限號出錯，EEC不能完成對可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)的正?？刂?；如果可變差動反饋組件內(nèi)的線圈老化或損壞，會造成作動筒反饋信號異常，也導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。若高壓壓氣機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或發(fā)動機進(jìn)口總溫傳感器出現(xiàn)故障不能獲取準(zhǔn)確的參數(shù)，則造成發(fā)動機電子控制器檢測到傳感器異常。

排故流程

圖為排故流程：可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)是一個相對復(fù)雜的控制系統(tǒng)，故障大多因為不同部件之間的故障相互影響、誘導(dǎo)而成。當(dāng)可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，第一步進(jìn)行故障診斷。發(fā)動機的可調(diào)鏡子葉片控制系統(tǒng)、主動間隙控制系統(tǒng)、風(fēng)冷式滑油冷卻器活門控制器、發(fā)動機低壓級放氣系統(tǒng)都是由來自燃油計量組件的高壓燃油驅(qū)動的，如果發(fā)生兩個或兩個以上的系統(tǒng)一同失效，則可以判斷出故障來自燃油計量組件或者燃油增壓泵。如果僅僅是可調(diào)靜子葉片控制系統(tǒng)發(fā)生故障，則檢查最近一次的飛行報告，將相關(guān)警告失效信息從ECAM中調(diào)出來。若警告ENGINE2 COMPRESSOR VANE的兩條信 息 是CHA VSV ACT/HC/EEC2和CHB VSV ACT/HC/EEC2， 同時滿足以下條件：引擎的新件使用循環(huán)數(shù)（CSN）大于2000，在起飛和爬升過程中ECAM的警告時間大于一分鐘，發(fā)動機出現(xiàn)了喘振現(xiàn)象、突破溫度界限或參數(shù)變化異常，出現(xiàn)了兩臺引擎持續(xù)的參數(shù)差異，那么故障是由于可調(diào)靜子葉片作動筒失效，需要及時修復(fù)或更新VSV作動筒。

4 總結(jié)與展望

本文以V2500航空發(fā)動機為研究背景，根據(jù)其壓氣機防喘系統(tǒng)中的一種——可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，了解其中的結(jié)構(gòu)部件、常見故障，給出相應(yīng)的模擬排故的方案。日后可以根據(jù)模擬排故方案制作模擬排故的面板，更加直觀的觀測可能出現(xiàn)的故障和排故流程。

[1]丁蓬勃,王仲生.航空發(fā)動機喘振故障機理及監(jiān)控方法研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010 (15):3805-3809.

[2]王云.航空發(fā)動機原理[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009(96).

[3]夏存江.CFM56—3發(fā)動機可變幾何控制系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響[J].航空發(fā)動機,2008(03):42-45.

[4]李世林.VSV系統(tǒng)對CFM56發(fā)動機喘振的影響分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011(20):4934-4936.

楊天賀(1985—)，女，江蘇南京人，碩士，助教，主要從事：飛機系統(tǒng)故障診斷與維修方面的教學(xué)。