楊 陽，劉慧娟，翟 月，吳曉丹

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發(fā)動機是飛機的“心臟”，發(fā)動機在空中停車，輕則給飛行員應急處置帶來一定難度，危及飛行安全，重則因飛機失去動力而導致事故[1]。對單發(fā)飛機而言，空中停車會造成災難性后果，甚至導致飛機迅速失控和墜毀；對雙發(fā)飛機，單發(fā)動機空中停車是1起事故征候，增加了發(fā)生墜機事故的風險。由于空中停車危害大，空中停車率也是發(fā)動機可靠性定量評價的重要指標之一[2]。因此，必須認真研究產(chǎn)生空中停車故障的原因，采取有力措施，盡量減少和避免空中停車的發(fā)生。

綜合GJB 2103A《航空燃氣渦輪動力裝置術(shù)語和符號》中的定義來看，空中停車指飛機發(fā)動機在起飛之后與落地之前，由于機械故障、電子系統(tǒng)故障、設計缺陷等原因?qū)е碌陌l(fā)動機空中停止工作[3]。本文只要是在空中因發(fā)動機故障引起的停車都算作是1次空中停車事件，因為空停屬于較少發(fā)生的事件，只要是出于“非主觀意愿”發(fā)生的空停，皆計入本文的研究“樣本”。

國內(nèi)外關(guān)于發(fā)動機空中停車的研究主要是針對具體空停的故障機理與排故方法以及針對性的措施。黃郁華[4]研究了渦噴發(fā)動機由于設計、工藝、材料等引起的空?，F(xiàn)象及措施；徐立新[5]以民用航空發(fā)動機為分析對象，在研究可靠性理論的基礎上，制訂出降低發(fā)動機空中停車率的具體可靠性措施；蔡運金[6]對WP7系列發(fā)動機空中停車故障進行分析，著重論述了壓氣機的重大改進對空停率的影響；范振偉等[7]針對在科研試飛和批生產(chǎn)“升限”科目試飛中先后出現(xiàn)的空中停車現(xiàn)象進行分析，并制定了改進措施。

綜合各學者的研究成果，從統(tǒng)計的角度進行空中停車率分析的較少。本文在國內(nèi)某型發(fā)動機外場使用的空停故障基礎上加以統(tǒng)計分析，分析影響空中停車的主要因素，并根據(jù)分析結(jié)果對優(yōu)化降低空停率、減少空停發(fā)生的風險提供可以加以改進的措施方向[8]。

1 空中停車事件統(tǒng)計

1.1 計算方法

空中停車率的計算公式為

式中：T為發(fā)動機總飛行時間；n為T期間由于發(fā)動機原因引起的發(fā)動機空中停車的總次數(shù)。

1.2 統(tǒng)計結(jié)果

所有的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于該型發(fā)動機生產(chǎn)總質(zhì)量師系統(tǒng)，包括發(fā)動機飛行時間、故障日期、發(fā)動機號、使用單位、故障現(xiàn)象、故障件、生產(chǎn)單位、故障處理情況、故障原因、解決措施等。根據(jù)式（1），該發(fā)動機隨部隊外場服務年限的變化趨勢如圖1所示。

從圖中可見，近年來該型發(fā)動機空中停車率總體上呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，而且經(jīng)過計算分析，在2016年就已經(jīng)達到了該發(fā)動機規(guī)定的空中停車率指標，滿足設計要求。從整體趨勢上看，該發(fā)動機的空中停車率指標趨向于穩(wěn)定，發(fā)動機趨向成熟。

圖1 某發(fā)動機RIFSD隨外場服務年限變化趨勢

2 引發(fā)空中停車的原因分析

該型發(fā)動機空中停車的原因可歸納為3個類別，如圖2所示。

（1）控制系統(tǒng)成附件導致的空中停車（如滑油壓差傳感器、主泵、發(fā)動機電纜、燃滑油溫度傳感器、燃油增壓泵、應急放油附件）；

圖2 空中停車故障類別分布

（2）傳動潤滑系統(tǒng)成附件導致的空中停車（如發(fā)附機匣、3號軸承、主燃滑油散熱器、中央齒錐軸承）；

（3）整機因素（喘振裕度低）。

導致空停故障的致因故障件發(fā)生次數(shù)分布如圖3所示。

大多數(shù)人會將發(fā)動機空中停車與主機損傷等聯(lián)系在一起[9]。從經(jīng)驗來看，發(fā)動機核心機的缺陷的確是發(fā)動機空停的致因之一，但就該型發(fā)動機統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，發(fā)動機成附件才是造成該型發(fā)動機空中停車的最主要原因[10]。從圖中可見，該發(fā)動機空停因控制系統(tǒng)、傳動潤滑系統(tǒng)故障占94%。引起空停較多的故障件為滑油壓差傳感器和發(fā)附機匣。

圖3 對空中停車致因的統(tǒng)計

2.1 控制系統(tǒng)

在整個飛行包線內(nèi)通過駕駛艙中的操縱桿（改變供油量）完成發(fā)動機的起動、停車和推力調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)發(fā)生故障將導致發(fā)動機的燃油供應以及發(fā)動機控制異常，易導致發(fā)動機空中停車[11]。

控制系統(tǒng)中導致空停的成附件有多種，其中滑油壓差傳感器最多，影響最深也最受關(guān)注?；蛪翰顐鞲衅饔糜跍y量滑油管路中的滑油泵供油壓力和軸承腔壓力的壓差，將其轉(zhuǎn)化成電信號，送至綜合電子調(diào)節(jié)器。當符合報警條件時，綜合電子調(diào)節(jié)器發(fā)送“減小轉(zhuǎn)速”信號到飛機座艙告警系統(tǒng)。當發(fā)動機空中報“減小轉(zhuǎn)速”，將油門桿收至慢車位置時信號不消失，為保證飛機安全則將發(fā)動機拉停，造成空中停車。針對該故障件，軍、廠、所多次聯(lián)合排故，對多發(fā)故障進行分析及定位，開展大量的分析排查工作，制定了解決措施及驗證方法。經(jīng)綜合環(huán)境試驗驗證，改進措施有效。其他燃油與控制系統(tǒng)成附件引起空中停車的主要原因是成附件故障/失效導致控制系統(tǒng)起不到控制作用，或者因故無法測量參數(shù)導致。比如主泵主要是因故障或工作異常導致發(fā)動機參數(shù)擺動。發(fā)動機電纜因為屬于接插件，插針與插孔瞬時“虛接”，會造成誤報信號或者線路短路，導致電阻異常，空中報“減小轉(zhuǎn)速”信號。燃滑油溫度傳感器主要故障原因是感溫元件接線片處鉑絲因疲勞強度降低而斷裂，造成綜合電子調(diào)節(jié)器輸出“減小轉(zhuǎn)速”告警信號，將油門桿拉至慢車位置，信號不消失，飛行員空中拉停發(fā)動機，發(fā)生空停。

2.2 傳動潤滑系統(tǒng)

發(fā)動機的高壓比、高渦輪進口溫度、高主軸轉(zhuǎn)速及嚴格的空間限制，要求傳動潤滑系統(tǒng)在高溫、高速、重負荷、輕質(zhì)量、激烈的狀態(tài)變化、緊湊的空間限制、長壽命和高可靠性下發(fā)揮其功能。潤滑系統(tǒng)要保證在整個飛行包線內(nèi)對發(fā)動機軸承、齒輪和某些摩擦副進行有效的潤滑和冷卻，以確保發(fā)動機工作的安全和壽命要求。發(fā)動機高、低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通常高達5000～12000 r/min，在如此高速轉(zhuǎn)動下的部件（如軸承），如沒有很好的潤滑和散熱措施，會在較短的時間內(nèi)因過高的溫度和嚴重的磨損而損壞和失效?；拖到y(tǒng)的封嚴若嚴重受損將導致滑油的大量流失，若金屬異物較多堵塞油濾將嚴重影響滑油的正常傳輸，導致滑油壓力不足。

引發(fā)空停較多的發(fā)附機匣的功能是將旋轉(zhuǎn)運動從中心錐齒輪傳給發(fā)動機附件各系統(tǒng)，并用來固定附件。由于內(nèi)部齒輪零部件較多，極易磨損。當滑油中金屬屑超標時，飛機報“減小轉(zhuǎn)速”信號，飛行員將油門桿拉至慢車時，“減小轉(zhuǎn)速”信號不消失，此時飛行員會將發(fā)動機拉停。發(fā)附機匣引起的空停主要有2種故障模式：離心通風器故障和軸承保持架斷裂。離心通風器故障原因有多種，如高周疲勞引起的起始于花鍵齒根的裂紋；在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在共振頻率；離心通風器與齒輪軸采用單側(cè)止口定位、配合定位面過短；軸向壓緊力不足，不能保證在全工況條件下有效固定離心通風器。軸承保持架斷裂、發(fā)生軸承故障時，在機匣內(nèi)產(chǎn)生大量金屬屑，導致發(fā)動機因滑油中有金屬屑報降轉(zhuǎn)信號，金屬屑堵塞回油濾網(wǎng)，附件機匣回油不暢、內(nèi)部溫度升高，導致密封失效，滑油大量泄漏、壓力降低，為確保安全拉停發(fā)動機。

2.3 喘振裕度低

發(fā)動機的壓氣機應具有足夠的喘振裕度，避免壓氣機發(fā)生喘振，引起發(fā)動機空中停車。因喘振裕度低導致空停發(fā)生2起，均為在實施高空科目機動過程中。在該過程中進氣道動態(tài)畸變較大，致使發(fā)動機在飛機進入包線邊界時發(fā)生喘振。導致整機喘振裕度低的因素有2個方面，一方面是進氣道與發(fā)動機匹配性差，導致進氣畸變大；另一方面是該發(fā)動機在研制過程中對控制規(guī)律進行適應性更改，但在實際使用過程中，部分控制規(guī)律與發(fā)動機實際需求不匹配，導致極端邊界下發(fā)動機剩余裕度不足。針對故障原因，制定了飛發(fā)匹配優(yōu)化、高壓壓氣機多級可調(diào)角度控制措施，可以提高發(fā)動機喘振裕度；通過優(yōu)化改進節(jié)流嘴，加大切油深度，調(diào)整試車消喘系統(tǒng)檢查時的轉(zhuǎn)速范圍，改善發(fā)動機消喘系統(tǒng)的消喘能力，在一定程度上減少了因喘振裕度低而導致的空停。

3 預防措施

雖然該型發(fā)動機的空中停車率指標已經(jīng)滿足了設計要求，但是發(fā)動機的空中停車與飛行員和飛機的安全息息相關(guān)，必須采取措施降低其發(fā)生的概率。通過分析空中停車原因可知，空中停車主要與成附件和控制規(guī)律邊界有關(guān)。因此應綜合考慮，提出切實可行的預防措施。

3.1 提高成附件可靠性水平

預防發(fā)動機空停，僅根據(jù)經(jīng)驗將工作重心放在發(fā)動機核心機上是不夠的，從統(tǒng)計結(jié)果看，成附件是影響該型發(fā)動機空停率的最重要因素。應當重點關(guān)注可能影響發(fā)動機空停的成附件故障[12]。目前內(nèi)場對成附件的考核試驗項目較少、試驗量值偏低，導致對成附件的驗證不夠充分，不能充分暴露成附件問題，導致外場使用中故障頻發(fā)。在研制過程中雖然針對存在的技術(shù)質(zhì)量問題以及系統(tǒng)與發(fā)動機的匹配性問題，開展了多輪技術(shù)攻關(guān)和試驗驗證，但對于一些關(guān)鍵技術(shù)，特別是深層次的系統(tǒng)問題仍理解不深、技術(shù)尚未完全吃透和掌握。因此，通過試驗加嚴成附件考核，采取措施提高成附件的可靠性，是有效預防發(fā)動機空停和確保發(fā)動機運行安全的必要舉措。

3.2 控制規(guī)律優(yōu)化

目前，對發(fā)動機控制規(guī)律的認知依然是在摸索中發(fā)展，還沒有達到最優(yōu)，同時由于該發(fā)動機批量裝備部隊后，隨著生產(chǎn)任務的增多，成附件承制單位對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程控制相對粗放，導致產(chǎn)品一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性不高，造成出廠產(chǎn)品分散度較大，導致成附件未完全實現(xiàn)給定的控制規(guī)律，控制結(jié)果與設計要求不符，使得部分控制裕度被“吃掉”，容易導致在極端邊界條件下發(fā)生空停。因此，承制單位要加強生產(chǎn)管控，提高質(zhì)量穩(wěn)定性，設計單位要不斷對控制規(guī)律優(yōu)化，探索最優(yōu)的控制規(guī)律，減少空停的發(fā)生[13]。

3.3 加強監(jiān)控措施

有些導致空停的故障在發(fā)生之前通過加強監(jiān)控是可以被提前發(fā)現(xiàn)的，比如滑油消耗量過大、滑油內(nèi)有金屬屑等。因此，通過金屬磁塞觀察、滑油光譜分析、金屬屑能譜分析、振動值監(jiān)控、放射性探傷、孔探儀檢查、飛參分析等綜合監(jiān)控手段[14]，做到提前發(fā)現(xiàn)故障，適時采取措施，防患于未然，避免發(fā)生空停故障或機毀人亡的巨大損失。

4 結(jié)束語

某型軍用渦扇發(fā)動機的空中停車率指標雖已滿足型號規(guī)范的要求，但應采取措施不斷改進、不斷降低空中停車發(fā)生的風險[15]。在對該發(fā)動機投入部隊使用以來發(fā)生的空停故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，影響空停的主要因素是成附件和控制規(guī)律邊界。通過采取提高成附件可靠性水平、優(yōu)化控制規(guī)律、加強監(jiān)控措施等，可以降低空停發(fā)生的次數(shù)。預防發(fā)動機空中停車故障的發(fā)生，應聯(lián)合軍方、設計和承制等單位，共同致力于減少各職責范圍內(nèi)導致空中停車的因素，形成合力。實行綜合治理，發(fā)動機可靠性和安全性會進一步提高，能更好地承擔守衛(wèi)國門的重任。