发动机台架试车全加力状态T3*高、推力小故障分析 |
| 2012-09-04 13:23 作者：李胜青 郭建生 濮春 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网9月4日消息 《硅谷》杂志2012年第14期刊文称，针对某型双转子涡喷发动机大修后台架试车出现的全加力状态T3*高、推力小的批次性故障，通过对比分析、理论推导与排故试车验证，找出Ⅰ、Ⅱ级导向器面积的调整与匹配是导致本次批次性故障的主要原因，并针对故障原因提出相应的排故与预防措施，对双转子发动机类似故障的排除有一定借鉴意义。
1故障现象
工厂大修某型双转子涡喷发动机连续出现台架试车时全加力状态T3*高、推力小的故障，严重影响了生产任务的交付完成。台架试车全加力状态T3*高、推力小故障表现为台架试车录取全加力状态性能时，T3hs*温度（涡轮前换算燃气总温）已接近或超过工艺规定的上限，而换算推力仍小于规定值的下限，且调整加力状态喷口直径与加力泵供油量无效的现象。
2故障原因分析
根据加力涡喷发动机工作原理及以往排故经验，我们全面梳理分析了可能导致全加力状态T3*高、推力小故障的因素，其中主要包括大气的温湿度条件、加力喷口直径、加力泵性能、加力输油圈压力与流量、导向器面积、涡轮静子与转子组件的径向间隙、主燃烧室工作喷嘴流量等。
基于上述分析，我们认真检查了故障机的修理记录，并试验复查了故障机的加力燃油泵性能、连接加力燃油泵落压比调节器导管的气密性、加力输油圈压力与流量、主燃烧室工作喷嘴流量，复测了导向器面积。试验与测量结果显示以上性能参数均在工艺规定的合格范围内。由于故障发动机试车发生在春季，温湿度适宜，大气条件对试车性能影响也不大。
既然各项参数合格，为什么还会出现故障呢？该型号的发动机我们也修理过几百台，为什么以前没有出现类似批次性故障呢？为了找到故障原因，我们又分别提取了故障机修理记录与合格机修理记录进行对比分析，发现其中两台故障机工厂试车时全加力泵状态性能合格，工厂试车后为调整发动机转差，调大了Ⅱ级导向器面积，接着在检验试车时就出现了全加力状态T3*高、推力小故障。进一步了解得知，为保证发动机转差一次调整合格，导向器装配工序在一个月前，将Ⅰ级导向器面积在原基础上调大了1cm2。接下来的调查发现，近期试车全加力状态T3*高、推力小故障均发生在Ⅰ级导向器面积调大了的发动机上（其中两台发动机调整前后的性能参数对比见表1）。
表1导向器调整前后的全加力状态性能参数对比表
机号 发动机
状态 Ⅰ导面积（cm2） Ⅱ导面积（cm2） 推力差值（KN） T3*（℃）
256 调整前 703～704 1216.16 -1.09 997
调整后 704～705 1219.16 -2.08 1010
268 调整前 703～704 1216.7 -1.65 1005
调整后 704～705 1222.14 -2.08 1010
通过调整导向器面积而改变转差，是否会对全加力状态性能产生影响？结合该型号发动机高低压转子的功率分配特性与转速调节特性分析如下：
双转子涡喷发动机转差是在最大状态低压转子相对换算转速n1hs=100%（或n1hs=100.5%）的条件下，涡轮前燃气换算温度T3hs与高压换算转速n2hs之间的关系，间接地反映了高低压转子的匹配关系。由于双转子发动机转差主要由Ⅱ级导向器面积与Ⅰ级导向器面积之比决定，见下式：
n2hs=C1•T3hs〔1-C2（A2／A1）-2n（rg-1）／rg（n+1）〕
式中：n2hs-高压转子换算转速；T3hs-涡轮前换算燃气总温；A1，A2-高低压涡轮导向器出口面积；rg，n-燃气的比热比和多变指数；C1，C2-常数。
从转差调整的角度来讲，增加Ⅰ级导向器面积将减小高压转子转速，增加Ⅱ级导向器面积将增大高压转子转速，对调整转差，两者都是有效的。但由于调整转差（即调整导向器面积）后，发动机各截面气动力参数发生变化，因而必然引起发动机性能参数的变化。
Ⅱ级导向器面积增大，低压涡轮落压比下降，低压涡轮功减小，低压转子转速下降，由于该型号发动机最大转速状态调节规律为保持低压转子转速n1=常数，主燃油泵将增加主燃烧室的供油量，使T3*增大，n2升高，而保持n1不变。
Ⅰ级导向器面积增大，将使Ⅰ级涡轮输出功下降，高压转子转速下降，为保证流量连续，间接地使低压压气机负荷加重，低压转子转速下降，主燃油泵将增加主燃烧室的供油量，使T3*增大，从而保持n1不变；同时在全加力状态工作时，加力燃油泵落压比调节器也在发挥作用，为保持n1不变，减少加力供油量，降低加力燃烧室温度，降低低压涡轮后反压，增大低压涡轮落压比。前者使主燃油泵工作，增加供油量，提高了T3*；后者使加力燃油泵工作，减少加力供油量，使加力推力下降。这时如为增大加力推力而增加加力供油量，则会加剧T3*的升高。
如果Ⅰ、Ⅱ级导向器面积同时增大，则会使T3*升幅更大，直至接近或超出工艺要求的上限。而通过放大加力喷口直径或增加加力泵供油量来增加推力，将必然使T3*升高。由于T3*已无调整余量，限制了无法通过调整加力供油量来提高加力状态推力，最终导致出现全加力状态T3*高、推力小的故障。
既然Ⅰ、Ⅱ级导向器面积增大会导致T3*升高、加力推力下降，对加力性能不利。那么按照以上分析，Ⅰ、Ⅱ级导向器面积减小将会使T3*温度下降、加力推力增大，对加力性能有利。那么我们是否可以在工艺允许的范围内，适当调小Ⅰ、Ⅱ级导向器面积，来改善发动机台架试车性能呢？
为验证以上的分析结果，我们选取一台故障机进行了试调整，综合考虑Ⅰ、Ⅱ级导向器面积的复测值与上次试车转差值，调小了Ⅰ级导向器面积，试车检查全加力状态各项性能合格。其余故障机分别按照上述排故思路，根据每台故障机的不同情况有的缩小了Ⅰ级导向器面积，有的缩小了Ⅱ级导向器面积，部分Ⅰ、Ⅱ级导向器面积都进行了调整。试车检查各项性能参数合格，故障排除。
由于Ⅱ级导向器面积对T3*影响较大，且较Ⅰ级导向器面积更容易调整，所以优先调整Ⅱ级导向器面积。但缩小Ⅱ级导向器面积将使转差减小，所以为保证Ⅱ级导向器面积缩小有余地，需有一个相对小的Ⅰ级导向器面积作基础。即Ⅰ级导向器面积小，n2转速与转差相对高，这时缩小Ⅱ级导向器面积才不至于使n2转速与转差减小到超出工艺要求的范围。同时统计分析台架试车数据发现，转差在中下限时，发动机台架试车性能较容易满足。
3采取的预防措施
总结本次排故经验，为保证转差调整的同时兼顾发动机其他性能参数，厂内采取了相应的修理预防措施：
1）Ⅰ、Ⅱ级导向器装配，优先使用并严格选配偏心衬块调整排气面积，Ⅰ级导向器面积调整至工艺规定值的下限（703cm2～704cm2）。
2）工厂试车后复测Ⅰ、Ⅱ级导向器面积；需调整转差时，在Ⅰ级导向器排气面积变化正常的情况下，优先调整Ⅱ级导向器排气面积。
4结论
1）发动机台架试车性能故障的影响因素较多，通过仔细核对修理记录可提高故障原因的查找效率。
2）本次全加力状态T3*高、推力小批次性故障的主要原因为Ⅰ、Ⅱ级导向器面积匹配不好导致。
3）通过调整导向器面积来调整发动机转差，将对发动机其他性能参数如T3*、推力等产生影响，调整时要一并考虑。总结规律为：Ⅰ级导向器面积↑→→n2↓，T3*↑，全加力推力↓；Ⅱ级导向器面积↑→T3*↑，n2↑；反之则相反。
4）将Ⅰ级导向器面积调整至工艺规定值的下限，然后调整Ⅱ级导向器面积，保证发动机转差在中限以下，台架试车性能较易满足。（原文载于《硅谷》杂志2012年第14期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载） |
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