某型发动机喘振上边界转速不符合规定故障研究

马劲夫 李乾坤

摘要：针对某型航空发动机在地面测喘过程中发生喘振上边界转速不符合规定的故障，对故障产生机理进行分析，提出了相应的预防措施，以防止此类故障再次发生。

关键词：航空发动机；压气机；喘振；叶片型面；装配间隙

Keywords：aero-engine；compressor；surge；blade surface；assembly clearance

0 引言

航空发动机喘振故障是指压气机工作不正常的现象，空气流量下降，气流进入发动机时攻角增大，当流量减少到一定程度时，流入动叶的气流攻角大于设计值，导致气流在叶片叶背分离严重，产生大量涡流，发生喘振。

喘振故障往往对发动机造成很大危害，通常伴随发动机声音由尖哨转变为低沉；有强烈的机械振动；转速不稳定，推力减小；排气温度升高，造成超温现象等问题发生，严重时引起发动机熄火停车。如果不立即采取措施，发动机各部件都将因振动而造成严重的变形，导致毁坏。出现喘振现象应立即退出这一状态，一般在地面试车时采取紧急停车的做法。研究喘振故障对保证飞行安全有着重要意义。

1 故障现象

某型发动机进行清洗、测喘工作，试车检查发现该型发动机喘振上边界转速为3656r/min（按当时大气温度计算，3630r/min为正常），出现了一起发动机喘振上边界转速不符合规定的故障。

2 机理分析

由于该型发动机为单转子发动机，相比于其他涡喷发动机来说喘振裕度较小，外场使用过程中喘振故障时有发生。为了防止喘振故障，在压气机第三级与第四级之间设计了放气带。当发动机在3800+50r/min以下工作时，放气机构自动将放气带打开，放出压缩空气，以增大压气机前端的空气流量，使空气进入方向不会过陡，避免气流严重分离，从而防止喘振。

在发动机出厂时要严格控制发动机喘振上界转速。具体检查方法为：试车检查发动机稳定工作裕度，将发动机转速推至3900+100r/min，稳定工作1～2min后接通放气带手动开关，关闭放气带，匀速缓慢地收油门杆，将转速修正至标准临界转速（通过安装在厂房内的温度传感器测出大气温度，按相应的计算公式计算出临界标准转速），检查发动机的稳定工作情况。此时应重点检查发动机转速和涡轮后燃气温度的变化，听检发动机声音，当出现异常声音、转速突然下降、涡轮后燃气温度突然上升时，应立即打开放气带手动开关放气，同时将油门杆拉停。发动机在临界标准转速0～-15r/min范围内稳定工作3min，期间不发生喘振故障，则发动机穩定工作裕度符合要求。外场发动机测喘工作与上述原理相同。

因此，在厂内严格控制发动机喘振上边界转速的前提下外场测喘时仍发生喘振上边界转速不符合规定的根本原因是压气机效率降低、涡轮效率降低等。

2.1 压气机效率降低

该型发动机压气机前6级转子叶片为铝叶片，容易在飞机使用过程中被小砂石打伤、变形、掉漆。压气机叶片损伤、叶片表面光洁度受损、叶片型面变形都会使流动阻力增大，造成压气机效率降低，增压能力变差，增压比降低，出口空气流量减小。另外，发动机进厂修理后，多次的抛修将造成叶片型面偏离设计值，也会导致压气机效率有所降低。

2.2 涡轮效率降低

涡轮叶片、涡轮导向器叶片损伤和变形等表面故障会引发涡轮效率降低，使涡轮功率减小，转速相应降低，为维持转速不变，必须增加供油量，提高涡轮前温度。在同等条件下，供油量维持不变，则转速减小，空气量减小，涡轮前温度急剧提升。涡轮前温度提升，将造成流动阻力增大，使得空气流量减小，压气机喘振区域扩大，喘振上限转速增大，如图1所示。

2.3 发动机其他机件变形、裂纹

发动机在使用过程中燃烧室出现变形、裂纹后，会增大气流损失，导致燃烧室出口总压力下降，使流过涡轮导向器的空气流量减小，影响涡轮效率。尾喷管存在变形、裂纹故障也会影响发动机喘振上边界转速。

2.4 发动机设计原因

由于该型发动机为早期设计的单转子喷气式发动机，设计裕度小，导致发动机喘振上边界转速问题重复发生。

3 故障排查

通过以上分析，对返厂检查的一台该型发动机进行分解检查发现，该发动机压气机1至6级转子部分叶片存在轻微打伤，3片叶片型面不满足工艺要求。

从厂内外的喘振故障统计来看，近几年该型发动机喘振上边界转速不符合规定故障多发生于1000h以上发动机中，该故障机的使用寿命约为1041h。

根据故障现象及厂内外检查情况，结合历史故障统计，认为本次故障发生的根本原因是：该型发动机为早期设计的单转子喷气式发动机，发动机喘振裕度小，随着发动机使用时间的增加，叶片型面发生变化，气流在叶背表面发生分离，压气机效率降低，性能衰减，造成喘振上边界转速不符合规定。

4 预防措施

由于该型发动机喘振裕度小，虽然设计了中间级放气装置，但是喘振上边界转速不符合规定问题一直未得到有效解决。根据发动机设计特点及喘振原因，在修理过程中可对以下环节进行控制。

1）当压气机在非设计状态工作时，将进口导流叶片旋转一定角度，发动机进口预旋量相应改变，从而使第一级工作叶片气流的攻角恢复到接近设计状态的数值，消除叶背上气流分离，可避免喘振现象的发生。该型发动机前机匣导流叶片虽然在使用过程中不能转动，但是在修理过程中通过对安装角进行控制，并对叶尖进行扭角，可在很大程度上提高发动机喘振裕度。

2）控制压气机叶片型面。由于压气机1至6级转子叶片及压气机静子叶片均为铝叶片，在使用一次翻修寿命后，叶片表面经常存在损伤、腐蚀等故障，常用抛修手段来恢复叶片状态，但是经过多次抛修后，叶片型面偏离设计值，导致压气机效率降低。因此，翻修过程中应该对叶片的型面、粗糙度、波纹度、弦长、减薄量等要求进行控制，特别是对压气机转子1至3级转子叶片，更应严格把控型面、粗糙度、波纹度等要求，避免过度修理，破坏型面。

3）控制压气机转子与机匣间隙。压气机转子叶片叶尖间隙每增大1%，压气机效率下降约1%～2%。在保证压气机转子与机匣间隙符合要求的同时，尽量将间隙控制在中线范围内。

4）在发动机装配过程中，控制涡轮叶片与导向器之间的间隙。

参考文献

[1]刘长劳，高云峰. 某型发动机故障研究[Z].北京：航空工业出版社.

[2]罗明泽，等. 航空发动机喘振的研究与发展[J].机械设计与制造基础，2015，44（6）：1-4.

[3]张林，等. 某型发动机喘振故障机理分析[J].科技创新导报，2013（16）：58.

作者简介

马劲夫，助理工程师，主要从事航空发动机主体维修工作。