雷 杰，許艷芝，郭政波

(中國飛行試驗研究院 發(fā)動機所，陜西 西安 710089)

1 引 言

發(fā)動機喘振是氣流沿壓縮系統(tǒng)軸線方向發(fā)生低頻高幅振蕩現(xiàn)象[1-2]，在飛行試驗中具有多發(fā)性、突發(fā)性等特點，輕則造成發(fā)動機工況急劇惡化,重則導(dǎo)致發(fā)動機機械損傷，嚴(yán)重危及飛行安全[3-4]。喘振發(fā)生時，可以觀察到發(fā)動機工作不連續(xù)，轉(zhuǎn)速擺動或下降，排氣溫度升高，有喘聲并急劇振動，同時發(fā)出低沉的噪聲，推力急劇下降[5-7]。

引起發(fā)動機喘振的原因很多，主要包括以下3類：(1)發(fā)動機幾何調(diào)節(jié)機構(gòu)工作異常、燃油控制異常以及機械故障引起的發(fā)動機氣動失穩(wěn)[8]；(2)發(fā)動機進氣畸變和進氣道斜板調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障等引起的進氣擾動[9-10]；(3)發(fā)動機喘振裕度不足，導(dǎo)致發(fā)動機穩(wěn)定裕度過低[8]。

某發(fā)動機在飛行試驗中出現(xiàn)了喘振停車故障，本文從引起發(fā)動機喘振的3個方面影響因素入手，分析了該發(fā)動機喘振停車故障原因，有針對性地給出了發(fā)動機調(diào)整措施，并對調(diào)整措施進行了試驗驗證。

2 喘振故障現(xiàn)象

發(fā)動機風(fēng)扇可調(diào)導(dǎo)向葉片角度α1、壓氣機可調(diào)導(dǎo)向葉片角度α2、尾噴口喉部面積D8以及飛機進氣道斜板可調(diào)。喘振故障發(fā)生在高空發(fā)動機加速過程中，圖1為喘振發(fā)生時發(fā)動機主要參數(shù)變化曲線。

圖1 喘振時發(fā)動機主要參數(shù)變化曲線

由圖1可知，發(fā)動機喘振出現(xiàn)在節(jié)流狀態(tài)油門上推過程中，9.1s喘振后受消喘切油影響，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、排氣溫度以及壓氣機出口總壓P31開始下降，其中排氣溫度以及P31在下降過程中均出現(xiàn)擺動現(xiàn)象，9.9s高壓轉(zhuǎn)速下降至空中慢車轉(zhuǎn)速以下，排氣溫度開始出現(xiàn)大幅上升并伴有轉(zhuǎn)速懸掛，28s排氣溫度超溫，發(fā)動機觸發(fā)2次切油保護程序后手動拉停。

3 喘振停車故障分析

根據(jù)上述發(fā)動機喘振故障現(xiàn)象，可以看出存在兩個方面問題：發(fā)動機喘振和消喘失效。下文針對這兩個問題進行研究和分析。

3.1 風(fēng)扇和壓氣機可調(diào)導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)

圖2和圖3分別為發(fā)動機風(fēng)扇前導(dǎo)向葉片α1和壓氣機前導(dǎo)向葉片α2調(diào)節(jié)過程變化曲線，圖中α1和α2的值越大，代表風(fēng)扇和壓氣機葉柵級間流通面積越大。由圖2和圖3可知，發(fā)動機喘振前首先處于減速過程，α1減速過程調(diào)節(jié)處于瞬態(tài)控制線范圍內(nèi)，并停留在最小極限調(diào)節(jié)位置。α2減速過程調(diào)節(jié)出現(xiàn)部分小于允許使用下界的現(xiàn)象，屬于發(fā)動機減速過程超前調(diào)節(jié)，可以提高發(fā)動機的穩(wěn)定工作裕度。發(fā)動機喘振時，α1和α2均處于正常調(diào)節(jié)位置，后續(xù)受發(fā)動機消喘影響，α2先后出現(xiàn)5次關(guān)小消喘調(diào)節(jié)過程，α1由于已經(jīng)處于最小調(diào)節(jié)極限位置，消喘時其調(diào)節(jié)位置不變。綜上可知，發(fā)動機喘振前后α1和α2調(diào)節(jié)過程均正常。

圖2 α1調(diào)節(jié)過程變化曲線

圖3 α2調(diào)節(jié)過程變化曲線

3.2 尾噴管喉道面積調(diào)節(jié)

圖4為發(fā)動機尾噴口喉部面積D8隨高壓換算轉(zhuǎn)速的變化曲線圖。由圖4可知，發(fā)動機喘振前，D8按照高壓轉(zhuǎn)速控制正常處于小喉部面積位置，發(fā)動機喘振后，D8正常執(zhí)行了4次面積適當(dāng)放大的消喘措施，后續(xù)由于高壓換算轉(zhuǎn)速降低，D8按照高壓轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為大喉部面積狀態(tài)，發(fā)動機喘振前后D8調(diào)節(jié)未見異常情況。

圖4 發(fā)動機D8調(diào)節(jié)過程變化曲線

3.3 主燃油控制

喘振時發(fā)動機會自動執(zhí)行消喘切油以及遭遇啟動程序，消喘切油結(jié)束后，主燃燒室供油會自動恢復(fù)，使發(fā)動機恢復(fù)到喘振前穩(wěn)定狀態(tài)。圖5為發(fā)動機主燃燒室燃油壓力變化曲線。由圖5可知，喘振前在油門桿上推后，燃燒室燃油壓力正常上升。喘振后發(fā)動機先后執(zhí)行了5次切油程序，其中第1次切油后發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)速降至慢車以下，出現(xiàn)停車現(xiàn)象。后續(xù)在消喘切油和啟動供油影響下，主燃燒室燃油壓力在空中最小供油量上下波動，發(fā)動機出現(xiàn)轉(zhuǎn)速懸掛、排氣超溫，發(fā)動機拉停前執(zhí)行了2次正常的超溫切油保護程序?？梢钥闯觯駮r發(fā)動機主機消喘切油出現(xiàn)異常，正常消喘系統(tǒng)切油后，發(fā)動機主燃燒室供油量不低于空中最小供油量限制，發(fā)動機出現(xiàn)停車是由消喘切油過深導(dǎo)致，而啟動供油和消喘切油二者綜合作用則使發(fā)動機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)懸掛。

圖5 發(fā)動機燃燒室燃油壓力變化曲線

3.4 進氣擾動情況

圖6為發(fā)動機喘振前后飛行姿態(tài)變化情況。由圖6可知，喘振時飛機在同一高度水平飛行，其高度保持在0.647Hp.max(Hp.max表示飛機升限)附近，馬赫數(shù)保持在0.65，進氣道斜板未起調(diào)，迎角α不超過4.8°，俯仰角θ不超5.7°，側(cè)滑角β接近0，法向過載Nz變化范圍在0.9～1.1g(高度降低之前)，縱向過載Nx和側(cè)向過載Ny接近0?？梢钥闯?，發(fā)動機喘振時飛行姿態(tài)穩(wěn)定，發(fā)動機進氣條件良好，不會造成嚴(yán)重的進氣擾動，可以排除進氣擾動影響。

圖6 發(fā)動機飛行姿態(tài)變化曲線

3.5 消喘機構(gòu)工作情況

發(fā)動機喘振時，消喘系統(tǒng)會執(zhí)行短時關(guān)小α1和α2、減小主機供油量、增大D8及進氣道斜板板位(起調(diào)條件下)、遭遇啟動等措施，使發(fā)動機恢復(fù)至喘振前油穩(wěn)定狀態(tài)。從圖2可看出，發(fā)動機喘振時，α1受最小調(diào)節(jié)極限位置限制不再執(zhí)行消喘關(guān)小措施。從圖3可看出，發(fā)動機喘振后，α2先后出現(xiàn)5次明顯關(guān)小消喘調(diào)節(jié)過程，說明α2正常執(zhí)行了消喘措施。從圖4可看出，D8正常執(zhí)行了4次D8放大消喘措施，其在執(zhí)行的第5次消喘指令時，D8受轉(zhuǎn)速降低影響執(zhí)行放大調(diào)節(jié)過程，故未能直接觀察到第5次的消喘調(diào)節(jié)過程。從圖5可看出，發(fā)動機喘振時先后執(zhí)行了5次消喘切油和遭遇啟動程序，但在主機消喘切油后，主燃油室供油量出現(xiàn)低于空中最小供油量限制的異常情況，說明發(fā)動機消喘切油深度控制出現(xiàn)問題。地面整機檢查后，發(fā)現(xiàn)啟動裝置控制切油深度的節(jié)流嘴出現(xiàn)脫落，導(dǎo)致發(fā)動機消喘過度切油。

3.6 加速性檢查

表1 發(fā)動機慢車至中間狀態(tài)加速性對比

3.7 喘振停車故障原因

綜上可知，喘振發(fā)生時發(fā)動機參數(shù)正常，進氣穩(wěn)定，幾何機構(gòu)調(diào)節(jié)和燃油控制正常，發(fā)動機穩(wěn)定裕度不足是導(dǎo)致加速過程中發(fā)動機出現(xiàn)喘振的主要原因。發(fā)動機空中出現(xiàn)停車是由啟動裝置機械問題導(dǎo)致發(fā)動機消喘切油過深引起，消喘切油和啟動供油的綜合作用使得發(fā)動機出現(xiàn)轉(zhuǎn)速懸掛現(xiàn)象，是發(fā)動機消喘失效的主要原因。

4 排故措施及驗證

4.1 排故措施

根據(jù)上文發(fā)動機喘振停車故障分析結(jié)果，為了解決發(fā)動機穩(wěn)定裕度不足以及消喘切油過深問題，采取排故措施如下：

(1)減少發(fā)動機加速供油量，將壓氣機α2沿n2 cor減小方向適當(dāng)關(guān)小(減小進氣攻角，改善葉片吸力面的氣流分離)，提高發(fā)動機穩(wěn)定裕度；

(2)重新安裝脫落的啟動裝置節(jié)流嘴，進行地面消喘驗證。

4.2 試驗驗證

發(fā)動機啟動裝置節(jié)流嘴重新安裝后進行了地面消喘驗證，具體結(jié)果見表2，可知地面消喘后未見停車現(xiàn)象，發(fā)動機消喘切油控制恢復(fù)正常。

在0.647Hp.max(喘振高度)進行了發(fā)動機加速性對比試驗，并在0.647Hp.max喘振工作點進行3次復(fù)查驗證試驗，試驗時發(fā)動機工作均正常，未再出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。其中，慢車至中間加速性對比驗證結(jié)果見表3，可知調(diào)整發(fā)動機后，0.647Hp.max上慢車至中間加速時間變長，由于發(fā)動機喘振故障未再復(fù)現(xiàn)，驗證了本文發(fā)動機喘振擴穩(wěn)措施的有效性。

表2 消喘功能驗證結(jié)果

表3 加速性對比驗證結(jié)果

5 結(jié) 論

根據(jù)發(fā)動機喘振停車故障分析以及排故措施驗證結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

(1)發(fā)動機加速供油量設(shè)計與穩(wěn)定裕度不匹配導(dǎo)致發(fā)動機在加速過程中出現(xiàn)了喘振，穩(wěn)定裕度不足是發(fā)動機喘振的主要原因。

(2)機械故障導(dǎo)致主機消喘切油過深，喘振切油后發(fā)動機狀態(tài)降至慢車以下，主機出現(xiàn)停車現(xiàn)象。消喘切油和啟動供油的綜合作用使發(fā)動機出現(xiàn)轉(zhuǎn)速懸掛，直接導(dǎo)致發(fā)動機排氣超溫和消喘失效。

(3)減小發(fā)動機加速供油量以及關(guān)小壓氣機α2角度可以有效提高發(fā)動機穩(wěn)定裕度，但會影響發(fā)動機加速性能。