某型发动机加力燃烧室喘振故障研究

袁林 那宝奇 唐秀娟

摘要：针对某型发动机试车过程中加力燃烧室发生喘振故障，阐述了加力燃烧室系统组成及工作原理，并进行了故障分析研究，最终找出原因，可为同类故障的排除提供借鉴和有效的解决方案。

关键词：加力燃烧室；喘振；压比调节器

Keywords：afterburner；surge；pressure ratio regulator

0 引言

某型发动机地面试车过程中，当加力比逐渐增大时，加力燃烧室出现放炮声，发动机转速下降，加力燃烧室发生喘振。该型发动机为带加力燃烧室（见图1）的双转子涡扇发动机。加力燃烧室安装在排气混合器和尾喷口之间，利用内涵燃烧剩余的氧气和外涵的新鲜空气，再一次喷油燃烧，放出热量，提高燃气的温度和速度，瞬时增大发动机的推力。发动机从军用状态到小加力再到大加力过程中，加力燃油控制系统供油量逐渐增大，尾喷口从预开位置随油门增大，喷口逐渐增大。加力燃烧室喘振往往伴随着压气机喘振，严重时会发生气流逆流，导致叶片折断，发动机振动飙升，发动机熄火，严重影响飞行安全。因此，分析研究加力燃烧室喘振故障具有重要意义。

1 加力燃烧室系统组成及工作原理

1.1 加力燃烧室组成

加力燃烧室系统由加力燃油控制系统、喷口控制系统、加力燃烧室组成。加力燃油控制系统由加力燃油流量调节器、加速溢流活门、分圈活门、空气吹除活门和催化点火燃油控制器等附件组成；喷口控制系统由喷口滑油箱、喷口滑油泵、喷口滑油散热器、旁通活门和单向活门、喷口作动筒、喷口收放活门和压比调节器等组成；加力燃烧室由扩散机匣、燃油总管、加力燃烧室机匣、火焰稳定器、传焰肋、隔热屏、支板、催化点火器等组成。

1.2 加力燃烧室燃油系统工作原理

当发动机接通加力后，高压控制燃油通过加力选择活门和同步活门上的油孔分为几路。一路进入加力燃油泵，打开加力燃油泵进口和出口；一路进入压比调节器（见图2），解除压比调节器自锁，压比调节器控制喷口大小；一路进入喷口收放活门，为喷口提供预开条件；一路进入空气吹除活门，切断吹除空气；一路进入催化点火燃油控制器，为加力点火提供燃油，并控制加速溢流活门关闭，防止加力启动瞬间加力燃烧室供油过大，喷口大小与加力不匹配。低压油经过加力燃油泵增压后进入加力燃油流量调节器，一路经过加速溢流活门进入分圈活门为加力燃油总管供油；一路进入空气吹除活门为加力蒸发槽供油。

1.3 加力燃烧室喷口系统工作原理

喷口由喷口作动筒活塞杆前后移动带动作动机匣前后移动控制。当喷口作动筒伸长，喷口放大，反之缩小。当发动机进入加力前（发动机处于军用状态），尾喷口处于预开位置。在未接通加力前，压比调节器处于锁定状态，喷口滑油泵斜盘角度固定，喷口滑油泵供油量一定，此时喷口由喷口收放活门控制。来自喷口滑油箱的滑油经喷口控制泵增压分成两路，一路进入喷口作动筒活塞右端，另一路经过喷口收放活门回油，此时喷口作动筒活塞右侧压力受喷口收放活门控制回油量控制。

接通加力后，从同步活门流出的高压燃油进入喷口收放活门，喷口收放活门活塞两端均通高压油，活塞处于固定位置，喷口由压比调节器控制。接通加力后，从加力燃油泵低压间断活门流出的高压油进入压比调节器，解除压比调节器自锁，由压比调节器通过控制喷口控制泵斜盘角度来调节控油压力，进而控制喷口大小。随着加力供油量的增大，加力燃烧室燃气温度升高，引起涡轮后反压P6增大，压比调节器P3/P6活塞右移，喷口滑油泵斜盘角度减小，喷口作动筒右室压力降低，活塞右移，喷口放大，P6降低，P3/P6活塞左移，直到重新达到平衡，喷口位置固定。

2 故障分析

2.1 压比调节器

正常状态下，压比调节器按照选定的加力度使加力燃油流量与喷口面积相匹配，保持加力状态下燃气通过涡轮的正确压比。接通加力室，高压燃油打开压比调节器自锁装置，之后由X6感受活塞感受涡轮落压比P3/P6，并按该比值的变化带动分油活门分配随动动力活塞的油路，产生的随动输出对喷口滑油泵斜盘角度进行调节，从而改变供油量和供油压力，使喷口作动筒活塞杆移动，改变喷口大小，从而保证涡轮落压比不变。X6感受活塞上的型针设计成小锥段为不加力段；大锥段为小加力段也是控制段，使喷口平稳移动；圆柱段為工作段，在喷口打开方向获得无限增益，这时P3值不变，P6迅速增大，X6感受活塞以最大速度右移，喷口滑油泵斜盘角度减小，供油压力减小，喷口放大。这三个特征段与调节螺钉孔形成可变节流孔，用以调节P3/P6比值，达到调节喷口速率和面积的目的。

在外场，发动机工作过程中会根据工作状态调节辅助调节螺钉位置，如果在调节过程中螺钉乱扣卡死、螺纹孔偏斜螺钉锥面严重磨损或螺钉锥面在工作过程中积炭，均会影响X6感受活塞位置，直接影响喷口大小。该辅助调节螺钉的拧进拧出能使X6感受活塞的P6压力增大或减小：拧进时，感受活塞右室压力增大而左移，X6动力活塞随其一起左移，喷口滑油泵斜盘角度增大，喷口收小，P6压力增大，辅助调节螺钉卡死后会失去调节功能，致使加力燃烧室内压力升高，发生喘振。当辅助调节螺钉锥面积炭时，锥面截面积增大，相当于将螺钉拧入，减小气流流通面积，动力活塞左移，喷口收小，加力燃烧室压力升高，发生喘振。

动力活塞、感受活塞与衬套严重磨损或X6动力活塞涨圈磨损等都能引起喘振，如压比调节器上的不锈钢涨圈在不加力位置磨出两道深约0.2mm的槽，加力时，X6动力活塞卡在槽内，移动受阻，造成喷口无法放大或放大缓慢，导致喘振。

X2感受活塞串气，主要原因是活塞与衬套的间隙超过工艺规定的0.004mm。串气使活塞两侧的压力差减小甚至为0，活塞处于中立位置不能移动，此时P3修正器和空气信号发生器的型针处于一个固定位置，X6感受活塞右室的压力是一个定值，活塞不会移动，喷口滑油泵斜盘角度不变，喷口不会放大而发生喘振。

2.2 加速溢流活门

加力点火期间，伺服活门在下端高压伺服燃油压力作用下上移，沟通活塞下端的回油路，活塞下移，切断去往总管的燃油路，使来自加力燃油流量调节器的加力燃油回低压。停止点火后，催化点火燃油控制器切断伺服活门下室的高压伺服燃油，在弹簧力作用下，伺服活门下移，切断活塞下室的回油路，活塞下室的燃油压力逐渐增大，活塞逐渐上移，关小回油孔，开大去往分圈活门的供油孔。供油孔从全关到全开约1.5s。当伺服活门由于锈蚀等原因出现卡滞时，接通加力后伺服活塞无法上移，控制加速溢流活门通断的活塞下端无法回油，活塞无法下移，加速溢流活门一直处于开通状态，加力点火瞬间，加力燃烧室已充满燃油，喷口还未来得及放大到与之匹配的大小，造成加力燃烧室喘振。

2.3 催化点火燃油控制器

在加力点火期间，催化点火燃油控制器向催化点火器供给催化点火燃油，并通过一个单向活门向4号总管提供初始燃油，同时为加速溢流活门提供操纵燃油。不加力时，在弹簧力作用下，催化点火燃油控制器活塞处于最左位置，活门关闭。加力时，从汽心泵低压间断活门来的高压燃油通至伺服活塞左室，使伺服活塞右移，在约0.05s时活门打开，开始向催化点火器、加速溢流活门和单向活门供油，到约第3s时活门移至最右位置，使活门关闭进口油路，切断供油。当催化点火燃油控制器内部向左的弹簧力过大或活塞卡滞，在接通加力后，活塞无法正常向右移动，使活门开度较小，控制加速溢流活门中伺服活塞向上移动的油压偏小，伺服活塞无法正常向上移动，加速溢流活门处于常开状态，导致在加力接通瞬间加力燃烧室内部已充满燃油，也会造成加力燃烧室喘振。

2.4 喷口滑油泵

喷口滑油泵为喷口作动筒提供液压油，控制喷口作动筒活塞左右移动，进而调节喷口大小。未接通加力时，喷口滑油泵斜盘角度锁定在4.5°，供油压力一定；加力接通瞬间，压比调节器解除自锁，压比调节器控制喷口滑油泵斜盘角度，通过控制供油压力控制喷口大小。当喷口滑油泵斜盘运动机构受多余物影响，斜盘角度无法正常调节时会直接影响喷口的大小调节，导致喷口状态与加力状态不匹配，造成加力燃烧室喘振。

2.5 喷口作动筒

喷口作动筒内部活塞左侧通低压油，右侧通经喷口滑油泵柱塞泵增压的高压油，在油压和喷口气动力的作用下左右移动，调节喷口大小。当喷口作动筒内的活塞因工作磨损而与筒壁间隙过大时会导致活塞两侧通油，活塞无法正常移动，喷口大小与加力状态不匹配，造成加力喘振。

2.6 空气信号发生器

空气信号发生器根据P3/P2的变化对送到蒸发槽流量计量活门左室的P3B信号进行修正，从而保持加力燃烧室的最佳油气比。P3空气由节流嘴侧面的固定节流孔进入空气信号发生器，经可变节流孔降至P6，在两个节流孔之间形成的P3分压P3B送至蒸发槽流量计量活门左室，其大小由压比调节器P3/ P2输出连杆操纵调节针改变可变节流孔的开度来控制。当P3/P2增大时，P3/ P2感受活塞左移，操纵调节针上移，增大可变节流孔开度，使P3B减小；相反地，P3/P2减小时，P3B增大。当空气信号发生器不工作，蒸发槽流量计量活门随P3增大而右移，开大出油孔，总流量计量活门左移开大出油孔，使加力燃烧室供油量随P3压力升高而增大，造成富油燃烧，P6升高，将发生喘振。

2.7 建立故障树

根据上述分析，理清了加力燃烧室喘振与喷口控制系统和加力燃油系统各附件之间的关系。为便于逐層逐级分析查找故障原因，建立如图3所示的故障树。

3 故障定位

加力燃烧室喘振故障的排除是一项非常复杂的工程，涉及的零件多、结构复杂、精度要求高，排故周期较长。为了缩短排故周期，采用控制变量法和排除法相结合的方法，快速定位故障点，即通过逐一更换附件的方式，锁定故障点，排除故障。

3.1 喷口作动筒

喷口作动筒是直接控制喷口大小的附件，喷口作动筒内活塞与筒壁间隙过大或卡滞都会使喷口无法正常放大，直接导致加力燃烧室喘振。更换喷口作动筒后，加力燃烧室喘振故障复现，因此排除喷口作动筒工作异常。

3.2 喷口滑油泵

喷口滑油泵为喷口大小调节提供液压油，若喷口滑油泵工作异常，直接影响喷口作动筒活塞的移动，导致喷口大小与加力状态不匹配，发生喘振。更换喷口滑油泵后，故障复现，因此排除喷口滑油泵工作异常。

3.3 空气信号发生器

空气信号发生器用于修正P3压力，控制加力燃烧室蒸发槽供油量，进而控制加力燃烧室供油量。当发动机工作状态不变，飞行高度升高（或飞行速度减小）时P3下降，若T1降低，P3/P2增大，P3/P2感受活塞左移，通过连杆使空气信号发生器的型针上移，开大放气孔，使蒸发槽流量计量活门左移，关小油孔，减小蒸发槽供油量。同时，通过杠杆使总流量计量活门右移，关小供油孔，减小加力供油量。如果空气信号发生器不工作，无法控制减低加力燃烧室供油量，会导致该故障发生。更换空气信号发生器后，故障复现，排除空气信号发生器故障。

3.4 催化点火燃油控制器

加力启动瞬间，催化点火燃油控制器控制加力点火供油并控制加速溢流活门关闭。当加力启动瞬间，加力燃烧室供油过猛导致喷口状态与供油量不匹配，催化点火燃油控制器伺服活塞无法正常向右移动，加速溢流活门无法关闭，加力接通瞬间加力燃烧室内部已充满燃油，将导致加力喘振。更换催化点火燃油控制器后，故障复现，排除催化点火燃油控制器工作异常。

3.5 加速溢流活门

加力启动瞬间，加速溢流活门关闭，防止在喷口还未转换到加力状态时加力燃烧室工作状态与喷口不匹配。更换加速溢流活门后，故障复现，排除加速溢流活门工作异常。

3.6 压比调节器

加力接通后，压比调节器解除自锁控制喷口滑油泵斜盘角度，控制喷口作动筒供油压力控制喷口大小。更换压比调节器后，故障排除，确定为压比调节器工作异常导致加力燃烧室喘振。

1）对故障件分解检查，发现辅助调节螺钉锥面积炭，锥面截面积增大，相当于将螺钉拧入，减小了气流流通面积，动力活塞左移，喷口滑油泵斜盘角度增大，供油压力升高，喷口作动筒活塞左移，喷口收小，加力燃烧室压力升高，发生喘振。

2）对积炭的辅助调节螺钉和与之配合的壳体进行清洗，重新装配压比调节器后进行性能测试，性能满足工艺要求；重新将压比调节器安装到原发动机上，发动机工作正常，未再发生加力喘振故障。因此，故障点定位在压比调节器辅助调节螺钉锥面积炭。

4 结束语

本台发动机故障原因是压比调节器辅助调节螺钉锥面积炭，造成压比调节器工作异常，最终导致加力燃烧室喘振。结合本台故障情况，对10台在外场飞行和厂内试车过程中发生加力喘振故障现象的发动机进行统计，其中有6台发动机为调整螺钉积炭、螺纹乱扣和动力活塞与衬套磨损造成压比调节器故障导致喘振发生；2台为伺服活门或控制加速溢流活门通断活门卡滞，造成加速溢流活门故障，导致喘振发生；1台为喷口作动筒活塞磨损，导致活塞左右两侧通油，喷口无法迅速放大，最终发生喘振；1台为空气信号发生器卡滞，飞行状态发生变化，P3下降，空气信号发生器无法修正P3压力，加力供油量增加，加力喘振。以上案例表明加力燃燒室喘振故障发生原因复杂，排故时需理清加力燃烧室喘振与喷口控制系统和加力燃油系统各附件之间的关系，综合分析进行排故。

第一，首先观察故障现象，在加力启动瞬间，查看喷口是否有火球喷出，如有则说明加力燃烧室富油，应更换加速溢流活门。

第二，如果加力喘振发生在飞行状态改变时，检查是否因空气信号发生器无法修正P3压力而导致加力燃油流量调节器供油量增加，如是，则更换空气信号发生器。

第三，检查加力工作过程中，喷口是否迅速放大，如果出现喷口移动迟缓、卡滞，说明压比调节器或喷口作动筒无法正常控制喷口移动，更换压比调节器或喷口作动筒。

作者简介

袁林，助理工程师，主要从事航空维修技术及技术管理工作。

那宝奇，助理工程师，主要从事航空维修技术及技术管理工作。

唐秀娟，高级工程师，主要从事航空维修技术管理工作。