李小彪，張秀云，邱續(xù)茂，馬 征

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

為保證航空發(fā)動機工作穩(wěn)定，獲得良好的性能，通常會對低壓壓氣機進(jìn)口導(dǎo)葉角度進(jìn)行控制[1-2]。通過采用合適的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉角度，可改變壓氣機工作狀態(tài)、增大發(fā)動機喘振裕度、提高發(fā)動機推力。導(dǎo)葉角度控制系統(tǒng)存在不同類型信號之間的轉(zhuǎn)換，同時還涉及到子系統(tǒng)之間的匹配問題，涉及面廣且內(nèi)容復(fù)雜[3-5]。在實際應(yīng)用過程中經(jīng)常出現(xiàn)導(dǎo)葉角度低于標(biāo)準(zhǔn)值即偏關(guān)的情況，對于發(fā)動機性能和飛行安全產(chǎn)生不利影響。目前針對該故障的公開文獻(xiàn)相對較少[6-8]。

本文針對某型發(fā)動機低壓壓氣機導(dǎo)葉角度偏關(guān)故障，基于低壓壓氣機導(dǎo)葉調(diào)節(jié)通道控制原理，列舉導(dǎo)致導(dǎo)葉角度偏關(guān)的因素，分析定位原因，最后經(jīng)過排故和外場試車驗證，排除了故障。

1 低壓壓氣機導(dǎo)葉角度偏關(guān)故障現(xiàn)象

在某次飛行過程中，在相同油門桿狀態(tài)下，飛行員感到發(fā)動機推力突然不足，觀察座艙高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速表，轉(zhuǎn)速有所降低。飛行結(jié)束后，判讀飛參發(fā)現(xiàn)，前半程發(fā)動機參數(shù)正常，后半程在相同油門桿狀態(tài)下高低壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速、高低壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速、低壓壓氣機導(dǎo)葉角度偏小，見表1。表中：n1、n2分別為低、高壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速；n1r、n2r分別為低、高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速；α1為低壓壓氣機導(dǎo)葉角度。

表1 故障數(shù)據(jù)

從表中數(shù)據(jù)可見，除低壓壓氣機導(dǎo)葉角度偏關(guān)以外，n1、n2等發(fā)動機轉(zhuǎn)速也有所降低，這是由于當(dāng)?shù)蛪簤簹鈾C導(dǎo)葉角度控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，發(fā)動機控制系統(tǒng)會由電子系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)為液壓機械備份調(diào)節(jié)，導(dǎo)致發(fā)動機工作狀態(tài)下降，發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨之降低。

2 低壓壓氣機導(dǎo)葉調(diào)節(jié)通道控制原理

低壓壓氣機導(dǎo)葉控制系統(tǒng)的功用[9-11]是：根據(jù)低壓壓氣機轉(zhuǎn)子的換算轉(zhuǎn)速n1r調(diào)節(jié)低壓壓氣機進(jìn)口導(dǎo)葉角度α1，保證低壓壓氣機的喘振裕度和效率。α1調(diào)節(jié)通道結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中轉(zhuǎn)速包括n1和n2，溫度包括發(fā)動機進(jìn)氣溫度T1和排氣溫度T6；S為平衡占空比信號；α1c、α1g分別低壓壓氣機導(dǎo)葉角度的測定值和給定值。

圖1 α1調(diào)節(jié)通道結(jié)構(gòu)

電子控制部分原理[12-13]如圖1所示。α1通道電子部分將低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器和發(fā)動機進(jìn)氣溫度傳感器的信號轉(zhuǎn)換為n1r電壓信號，并送到程序生成器。α1信號生成器將來自位移傳感器的信號換成電壓信號并送到程序生成器。低壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速n1r的值經(jīng)由程序生成器形成所需要的α1調(diào)節(jié)值信號。α1給定信號與α1信號生成器的α1測定信號值進(jìn)行比較，形成失調(diào)信號 Δα1=α1c-α1g，Δα1經(jīng)過校正電路輸入寬脈沖調(diào)制器。寬脈沖調(diào)制器將Δα1按給定的函數(shù)關(guān)系調(diào)制成S，再經(jīng)功率放大器后，輸給執(zhí)行機構(gòu)電磁活門，實現(xiàn)對α1的調(diào)節(jié)。最終將α1調(diào)到與n1r相符的角度上，這時 Δα1=0，S=50%。

機械控制系統(tǒng)的基本工作原理如圖2所示[14]。電子控制部分形成控制電磁活門運動的S，機械系統(tǒng)的電磁活門根據(jù)S=f（Δα1）控制油路的放油量，控制襯筒活塞右腔的油壓，進(jìn)而控制襯筒的位置（S減小，放油少，襯筒左移）；在液壓機械控制部分把測得的數(shù)據(jù)換算為發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速n2r，并按給定的函數(shù)關(guān)系α1=f（n2r），通過杠桿機構(gòu)轉(zhuǎn)換為分油活門的位置（n2r減小，分油活門向右移動；導(dǎo)葉角度減小，通過反饋裝置使分油活門左移）。分油活門與襯筒的相對位置改變了作動筒活塞左、右腔的油壓，從而控制進(jìn)口導(dǎo)葉的角度[15-16]。

圖2 α1機械控制系統(tǒng)工作原理

低壓壓氣機進(jìn)口導(dǎo)葉角度由電子系統(tǒng)控制，當(dāng)電子系統(tǒng)發(fā)生故障時，轉(zhuǎn)為液壓機械備份調(diào)節(jié)。

3 低壓壓氣機導(dǎo)葉角度偏關(guān)故障原因分析

航空發(fā)動機推力是因外界氣流對發(fā)動機部件表面上的作用力而產(chǎn)生的。根據(jù)動量定理，通過計算發(fā)動機進(jìn)口和出口氣流動量的變化來確定發(fā)動機推力[16]

式中：W1c1為發(fā)動機控制體出口截面上氣流的動量；W0c0為發(fā)動機遠(yuǎn)前方未收擾動截面氣流的動量；p1為控制體出口截面上的氣流壓力；p0為發(fā)動機遠(yuǎn)前方未收擾動截面上的氣流壓力；A1發(fā)動機控制體出口截面面積。

低壓壓氣機導(dǎo)葉角度控制規(guī)律為

在發(fā)動機不同工作狀態(tài)下，α1與n1r相對應(yīng)。當(dāng)?shù)蛪簤簹鈾C導(dǎo)葉角度發(fā)生偏關(guān)故障時，α1不按照式（2）的規(guī)律控制，轉(zhuǎn)為液壓機械備份調(diào)節(jié)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨之降低。α1、n1、n2值降低，導(dǎo)致發(fā)動機進(jìn)氣流量偏小，式（1）中W1c1、p1A1減小，最終導(dǎo)致發(fā)動機推力減小。

發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速與物理轉(zhuǎn)速間的關(guān)系為

式中：t1為發(fā)動機進(jìn)口溫度。

結(jié)合式（2）、（3）可知，如果發(fā)動機進(jìn)口溫度傳感器或α1角位移傳感器發(fā)生故障均會導(dǎo)致低壓壓氣機導(dǎo)葉角度偏關(guān)。

基于低壓壓氣機導(dǎo)葉調(diào)節(jié)通道控制原理及圖1可知，傳輸電路或綜合電子調(diào)節(jié)器發(fā)生故障會影響Δα1=α1c-α1g失調(diào)信號的形成，從而導(dǎo)致低壓壓氣機導(dǎo)葉角度異常。

綜上所述，發(fā)動機進(jìn)口溫度傳感器、α1角位移傳感器、傳輸電路、綜合電子調(diào)節(jié)器發(fā)生故障是導(dǎo)致低壓壓氣機導(dǎo)葉偏關(guān)的原因，制定排故程序如圖3所示。

圖3 低壓壓氣機導(dǎo)葉角度偏關(guān)故障排故流程

接地面檢查儀對綜合電子調(diào)節(jié)器自檢，綜合電子調(diào)節(jié)器報故，報指定故障代碼，指示α1通道故障。經(jīng)對綜合電子調(diào)節(jié)器進(jìn)一步分解測試，發(fā)現(xiàn)α1通道電路板的達(dá)林頓管開路，導(dǎo)致電磁閥無法正常工作，發(fā)出α1通道故障信號。

檢測主燃油泵調(diào)節(jié)器電磁閥電阻為17.3 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)（10～20 Ω）。檢查與綜合電子調(diào)節(jié)器相連的進(jìn)口總溫傳感器和α1角位移傳感器電路，電路完好、無短路現(xiàn)象。

檢查發(fā)動機進(jìn)口溫度傳感器信號，插座的第1、2針的電阻為45 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)；插座的第3、7針的電阻為50 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)。證明發(fā)動機進(jìn)口溫度傳感器沒有故障。

檢測α1傳感器組件，各檢驗點的電阻符合要求。檢查風(fēng)扇可調(diào)葉片角度傳感器信號，插座的第44、46針的電阻為 188.9 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)（100～210 Ω）；第 45、46 針的電阻為 5.6 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)（3～7Ω）；第 49、50針的電阻為 125.5 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)（80～150 Ω）。證明α1角位移傳感器沒有故障。

綜上所述，分析原因為α1通道故障并自鎖，發(fā)出α1通道故障信號，綜合電子調(diào)節(jié)器退出對α1的控制，轉(zhuǎn)由機械液壓調(diào)節(jié)，導(dǎo)致低壓壓氣機導(dǎo)葉角度偏關(guān)。

4 試車驗證

基于以上分析，更換發(fā)生故障的綜合電子調(diào)節(jié)器，地面開車驗證。開車結(jié)束后，判讀飛參，在相同油門桿狀態(tài)下選取有代表性的數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。試驗數(shù)據(jù)表明，在整個試車過程中高低壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速、高低壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速、低壓壓氣機導(dǎo)葉角度等發(fā)動機參數(shù)與表1相比均有提升，推力正常，滿足發(fā)動機使用要求。

表2 驗證試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

低壓壓氣機進(jìn)口導(dǎo)葉角度α1對于保證壓氣機工作穩(wěn)定性，并獲得發(fā)動機的最優(yōu)性能具有重要作用。為避免α1低于標(biāo)準(zhǔn)值即偏關(guān)、對發(fā)動機性能和飛行安全產(chǎn)生不利影響，本文基于剖析低壓壓氣機導(dǎo)葉調(diào)節(jié)通道控制計劃及工作原理，分析故障原因，確定綜合電子調(diào)節(jié)器故障導(dǎo)致α1低于標(biāo)準(zhǔn)值。更換綜合電子調(diào)節(jié)器后經(jīng)外場試車驗證，發(fā)動機工作參數(shù)正常，α1符合要求，發(fā)動機推力穩(wěn)定。