航空发动机放气带提前关闭故障分析

杨 俊，艾军军，田慧清

(1.空装西安局某军事代表室，西安 710021；2.中国航发西安航空发动机有限公司，西安 710021)

1 引言

某型发动机防喘措施单一，没有采用如多级可调导流叶片、可变弯度导流叶片等防喘措施，仅采用在低转速时打开放气带来预防喘振发生，可靠性低[1-5]。当发动机转速低于3 800+50r/min 偏离设计状态较多时，通过打开放气带放掉部分空气，避免发动机进入喘振。当转速达到3 800+50r/min时，放气带关闭。如果放气带在发动机转速低于3 800+50r/min时提前关闭，会导致发动机进气量过大而无法排出，容易发生喘振[6]。

该型发动机在地面试车过程中，推最大工作状态时发生喘振故障。飞参显示放气带关闭时转速低于3 800+50r/min，说明放气带发生了提前关闭，喘振故障是由放气带提前关闭所致[7]。但该故障发动机返厂后在试车台进行复试的过程中，放气带提前关闭现象并未捕捉到，故障未得到复现。

由于故障表现为“快推全程加速性过程中放气带提前关闭”，而快推全程加速性是在飞机起飞过程中使用，一旦发生放气带提前关闭引起发动机喘振，很可能造成空中停车并引发等级事故，对飞行安全危害极大，亟需解决此类问题。针对该故障，本文进行了相应的故障分析，并提出了解决措施。

2 放气带结构

放气带位于压气机第3、4 级之间的中机匣前、后舱接合处的圆周上，由放气窗口、放气带、传感器和作动筒等操纵系统组成，如图1 所示。放气带作动筒由外壳、活塞、弹簧、固定销等部件组成，通过2个支臂固定在中机匣上。放气带通过耳环及固定销固定在作动筒上，作动筒内部弹簧的张力把活塞推向作动筒两端，使放气带打开，空气从环形间隙放出。当压缩空气输入放气机构作动筒后，活塞克服弹簧力向中间靠拢，于是放气带关闭，停止向大气放气。

图1 放气带结构示意图Fig.1 Bleed belt structure

3 故障分析

3.1 故障树分析

根据可能引起放气带提前关闭的原因，如冷气电磁阀异常工作、离心传感器提前工作、AN-2C 按钮异常工作、发动机电气连接短路、飞机防火系统异常工作等，绘制故障树(图2)，并逐条分析和排除。

(1)冷气电磁阀异常工作：作为执行机构，冷气电磁阀接收电流信号，控制压缩空气进入作动筒。根据试车结果，放气带动作与电流信号对应准确，执行机构响应及时，可排除此项。

(2)AN-2C按钮异常工作：AN-2C按钮为检查放气带关闭功能的手动按钮，若该按钮异常接通，会导致冷气电磁阀电路提前接通。由于该按钮已取消功能，用密封胶封死，所以不存在异常接通故障。

图2 放气带提前关闭故障树Fig.2 Failure tree of early closing of bleed blet

(3)发动机电气连接短路：若该回路不经过离心传感器而短路，会导致冷气电磁阀电路接通。若电气系统出现异常短路，则发动机放气带异常接通的时机应该与转速无关，在任何状态下均可出现放气带提前关闭，与故障现象不符，可排除此项。

(4)飞机防火系统异常工作：当发动机的AKP2-2 微动开关和发动机舱的感温器同时故障时，会导致冷气电磁阀的电路接通，使放气带关闭。但发动机的AKP2-2微动开关只有在停车时才能接通，与故障现象不符，可排除此项。

图3 右部传动系统结构Fig.3 Structure of the right part of transmission system

通过以上排查，最终将故障定为离心传感器提前工作。离心传感器是控制放气带开闭的附件，安装在发动机附件机匣右部，位于右部传动系统(包括中央传动机构、右中介传动机构、发动机附件机匣传动机构及发动机附件机匣，如图3 所示)最末端。该发动机发生提前关闭故障时，其预调关闭转速为3 960 r/min，实际使用过程中关闭转速向下漂移至3 710 r/min，转速相差250 r/min。如此大的差异必然与离心传感器输入转速波动或离心传感器异常工作相关。离心传感器感受的是由发动机转轴经右部传动系统传递给它的转速，涉及9 个直齿轮、6 个锥齿轮及右传动杆、水平传动杆等几十个零件，结构关系复杂。可见，右部传动系统是否平稳、传递到离心传感器输入端的转速与发动机轴线处的转速是否一致非常重要，必须进行离心传感器输入转速测试。

3.2 测试系统及测试结果

为了确定发动机输出转速以及右部传动系统转速是否存在波动，采用如图4 所示的测试系统[8-9]进行测试。

图4 发动机测试系统结构Fig.4 Diagram of aero-engine test system

(1)测试信号

测试时，发动机转速信号从试车台转速仪表输出端引出；放气带指示灯信号从试车台放气带指示灯两端并出；放气带动作位移信号从发动机左侧放气带上方位移传感器接入；离心传感器工作电流信号由串接在主电缆中的电流传感器接入；离心传感器输入转速信号由离心传感器输入转接段装置中的电涡流传感器接入。测试时采样频率设置为10 kHz，整个试车过程连续采样。

(2)滤波器硬件设置

由于测试系统采样频率高，且没有滤波处理，测试时试车过程中的各类干扰信号也被叠加进去作为测试信号进行处理，导致测试出的转速信号波动较大。发动机最高转频为78 Hz，换算到离心传感器处为415 Hz，按照分析频率为其2.56倍规律计算，滤波频率最小应为1 062 Hz。为不丢失信号，在测试数采转速通道增加2 kHz硬件滤波器以滤除高频干扰信号。

(3)滤波器软件设置

由于电涡流传感器探头在高频状态工作时会产生较多杂波信号，影响所采正常信号的判读，且试车时一些环境因素也会造成干扰信号，故采用IIR 滤波器对转速信号进行滤波处理。选取10 Hz IIR 低通滤波器，将所测转速信号中每秒变化10次以上的干扰信号进行滤波处理，滤波后的信号不会滤掉转速的真实信号。

(4)试验准备

离心传感器输入转速测试装置(图5、图6)是在离心传感器与发动机附件机匣之间增加的一个转接段。它既要保证离心传感器的正常工作，又要保证电涡流传感器能监测到离心传感器的输入转速。为提高离心传感器输入转速测试精度，在转接段中增加一个4 齿计数齿轮。测试时，齿轮凹凸槽尺寸的变化引起电涡流传感器电压变化，从而转换成脉冲信号，实现转速测量。

图5 转速测速装置装配图Fig.5 Assembling drawing of speed measurement device

图6 转速测速装置安装位置Fig.6 Assembling position of speed measurement device

通过该测试系统测量发动机输出转速、离心传感器输入转速及离心传感器接通时与放气带关闭的对应关系，来判断转速的波动是源于发动机本身还是其右部传动系统。另外，测速装置所测离心传感器输入转速比试车台所测发动机转速精度高，能够对离心传感器接通和断开瞬间的转速值和平稳度，以及与发动机转速、信号灯信号、放气带位移信号和离心传感器工作电流信号的对应关系等进行精确测量。

通过大量试验及统计，最终在故障发动机上精确测出放气带关闭和打开时离心传感器输入转速存在较大波动，波动值分别为83 r/min和125 r/min，而发动机转速的波动值仅为20 r/min并准确捕捉到快推过程中出现的放气带提前关闭现象(3 780 r/min关闭)，故障最终得到了复现，如图7 所示。证明了发动机输出转速平稳，而右部传动系统的输出转速波动较大，且这种波动超出离心传感器转差波动范围时会导致离心传感器提前工作。同时，通过测试排除了离心传感器本身异常工作引起的放气带提前关闭。

图7 3 780 r/min放气带关闭瞬间时域曲线Fig.7 Time domain curve of 3 780 r/min when bleed belt closed

3.3 齿轮参数测量

对右部传动系统零件进行复查，最终将故障排查重点聚焦于6个传动锥齿轮[10]。通过对21台发动机(3 台故障发动机、8 台未发生过放气带异常关闭的大修发动机和10台新发动机)右部传动系统锥齿轮结构特性参数(相邻齿距误差、齿向误差、齿形误差、周节累计误差和跳动值)的检测，发现故障发动机的6 个锥齿轮，特别是中央传动主动锥齿轮(1 号锥齿轮)，其周节累计误差与未发生过放气带异常关闭的大修发动机相比偏大。由于锥齿轮设计图纸无周节累计误差控制标准，考虑到周节累计误差是影响齿轮传动精度和平稳性的关键特性参数，经过深入研究，对锥齿轮增加了周节累计误差控制要求，并进行了优化和验证。

结合中央传动机构、右中介传动机构锥齿轮的计量情况，为验证右部传动系统锥齿轮对放气带关闭转速波动的影响，按新增的周节累计误差控制标准挑选图3中2号和4号锥齿轮共2套，分别装配在故障发动机上进行对比试车。试车过程中，快推和慢推放气带关闭和打开时转速一致性较好，效果明显。试车中离心传感器接通时放气带关闭转速对比如图8 所示。从中可看出，相比故障发动机在返厂状态下的试车，在更换传动锥齿轮后试车情况明显改善，放气带关闭转速明显提高。其中，慢推时从最低约3 840 r/min 提高到3 900 r/min 左右，快推时从最低约3 780 r/min提高到3 880 r/min左右。

图8 故障发动机快推和慢推离心传感器接通时转速对比Fig.8 Speed comparison with connecting of centrifugal sensor by slow/fast pushing

4 解决措施

基于对比试验及离心传感器试验情况分析，故障发动机放气带提前关闭的主要原因为右部传动系统传输转速不平稳，而右部传动系统传输转速不平稳主要与右部传动系统锥齿轮的周节累计误差未制定控制措施有关。故新增右部传动系统6个锥齿轮周节累计误差控制要求：中央传动主动锥齿轮(1 号锥齿轮)周节累计误差≤0.13 mm，其他5个锥齿轮(2号～6 号锥齿轮)周节累积误差≤0.08 mm。对因放气带故障返厂的发动机，采取更换控制周节累计误差6 个锥齿轮方案进行排故；对装配贯彻优化齿轮的发动机的外场使用情况进行跟踪。后续地面试车，未再发生此类故障，有效解决了发动机放气带提前关闭引发的喘振故障。

5 结束语

针对某型发动机放气带提前关闭引起的发动机喘振，通过制定故障树、设计测速装置、进行相应对比试验、测量齿轮尺寸等工作，最终明确了故障原因是由于右部传动系统锥齿轮的周节累计误差未控制造成右部传动系统传输转速不平稳导致。据此，新增右部传动系统6 个锥齿轮的周节累计误差控制，并对故障发动机进行优化齿轮更换。后续试验结果表明，该措施可行、有效，排故效果令人满意，可为同类故障分析提供参考。