某涡轴发动机性能降低故障分析

华继伟 王立 郭林林 刘创

摘 要：本文针对某涡轴发动机加装Pt2探针后出现的性能超出预期下降故障，建立了故障树，通过孔探仪检查等方法逐级排查，确定Pt2探针上的O型密封圈损伤导致的发动机内部串流是本次故障的原因，针对故障原因提出整改措施并进行了试验验证，结合本故障提出了径向进气压气机进口总压测试的改进方案。

关键词：涡轴发动机;改装;性能降低;故障分析

中图分类号：V235 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）18-0101-04

某在研涡轴发动机压气机为径向进气离心式压气机。因测试需要，在两台测试用用发动机（编号1#和2#）的压气机进口加装总压探针（Pt2探针）。根据CFD计算结果可知，Pt2探针的安装带来进口总压损失在0.6%以内，发动机在相同换算转速（nc）下的换算功率（Pc）下降幅度不会高于1%（预期值）[1]。通过发动机整机试验数據分析发现，1#发动机加装Pt2探针后，Pc变化不大，与计算预期值相符;2#发动机加装Pt2探针后，Pc出现明显下降，远超计算预期值。针对2#发动机Pc下降幅度超出计算预期值故障，开展了分析工作，进行了排故检查和验证，最终确定了故障原因，提出了整改措施，进行了试验验证，并结合本故障提出了径向进气压气机进口总压测试的改进方案。

1 故障描述

1.1 Pt2探针安装情况

某涡轴发动机的Pt2探针，安装在压气机进口截面，共9支，周向均布。

1.2 加装Pt2探针性能变化情况

图1是1#发动机加装Pt2探针后性能的变化情况，可以看出在nc为95～99%范围内进气流量降低了0.22～0.45%，压比降低了0.32～0.42%，功率降低了0.1～0.3%，T45升高0.1～0.17%。图2是2#发动机加装Pt2探针后性能的变化情况，可以看出在nc为95～99%范围内进气流量降低1.14～ 1.5%，压比降低2～2.24%，功率降低2.6～2.8%，T45降低0.4～0.44%。

装Pt2探针后1#机的Pc下降符合预期，而2#机的Pc下降最大幅度达到2.8%，远远超出预期值，需要查找原因，排除故障。需要查找原因，排除故障。

2 故障分析和排查

2.1 故障树

根据故障现象，结合试验流程，建立发动机装Pt2探针Pc超预期下降故障树[2]，见图3。故障树分四个方向进行排查分析：

流道件损伤和流道件污染是导致发动机功率下降最常见的原因，所以将其作为故障树最先排查的两个方向;原机状态和加装Pt2探针状态的车台性能试验之间，对发动机冷端部件进行了孔探仪检查，所以将内窥孔密封故障作为故障树第三个排查方向;Pt2探针加装作为故障树最后一个排查方向。

2.2 故障排查及定位

对故障树底事件进行逐项排查。

2.2.1 对发动机流道件进行孔探仪检查

通过孔探仪检查，发动机流道完好未受损伤，排除X1～X4;发动机进气道和压气机流道件清洁未受到污染，排除X5和X6。

2.2.2 对发动机外部漏气检查

发动机冷运转，进行发动机外部漏气检查，发现发动机有两处内窥孔安装位置漏气，重新安装后重复上述检查工作，没有发现漏气现象。再次对发动机进行性能录取试验，发动机性能没有明显的改善，排除X7～X9，X16。

2.2.3 对加装Pt2探针故障进行排查

为保证Pt2探针测试的精度，尽量保证探针伸入流道的方向与气流方向垂直，但是受机匣几何形状和尺寸的限制，设计方案上存在以下两个缺陷：Pt2探针上选取的O型密封圈截面直径较小，容易受到损伤;其次Pt2探针O型密封圈安装孔为斜孔，当Pt2探针伸入流道时，O型密封圈一侧先接触机匣壁，存在受力不均造成损伤的隐患。假设O型密封圈发生损伤，密封失效，第一级离心叶轮出口引向输出轴组件密封用气体将从Pt2探针密封位置进入压气机进口，如图4所示，这种情况与开启防冰引气类似，对此情况建立模型进行计算模拟。

第一级离心叶轮出口引气比：

B=Wa引气/Wa2

9个胶圈间隙与离心叶轮出口引气间隙面积之比：

b=S胶圈间隙/S引气间隙

密封失效系数K=1/3、2/3、1进性能计算。

密封故障，泄露进入压气机进口的气体流量为：

Wa泄露=B*b*K*Wa2

根据流量连续可以得到：

Wa2=Wa0+B*b*K*Wa2

即为：Wa2=

根据能量平衡可以计算出：

Wa2*T2=Wa0*T0+B*b*K*Wa2*T25

经变换可得压气机进口温度为：

T2=（Wa0*T0+B*b*K*Wa2*T2.5）/Wa2

上式中，T2.5为引气温度，其计算公式为：

T25=（T3-T2 ）+T2

式中与发动机状态基本无关，本文取为常数θ;而（T3-T2）为燃气发生器转算转速和T2的函数关系，令其为f1（nc，T2）则：T25=θ*f1（nc，T2）+T2

已知发动机进口温度T0、发动机进口空气流量Wa0、燃气发生器转速ng、引气处的温比θ等参数，根据上述公式可以计算出在密封故障下的压气机进口各未知参数，计算流程见图5。

假设密封故障出现后，泄露气体与进口空气在压气机前充分掺混，没有畸变。根据不同密封失效系数下计算得到的发动机性能参数，与相同换算转速状态下没有泄露时发动机性能参数对比，见图6～图8。

通过比较，试验得到的性能变化趋势和不同泄露系数下的计算的性能变化趋势基本一致，试验时发动性能变化值介于K=1/3和K=2/3计算性能变化值之间，初步推断胶圈损伤个数在3个以上。拆卸Pt2探针后确认探针上有5个胶圈出现损伤，与初步推断相符。