某型发动机温限调整时转速摆动故障分析

■ 王小龙 刘克军 吕亚宏 王瑞泽/空装驻咸阳地区军事代表室 国营四达机械制造公司

0 引言

某型发动机为防止发动机超温，设置了排气温度限制系统（简称温限系统，用于“0.7额定”至“起飞”状态以及反推状态的排气温度限制），如图1所示。发动机温限调整时出现的转速摆动现象会影响发动机温度限制调整的准确性，严重时可造成温限系统无法正常调整。

图1 发动机排气温度限制系统

1 故障现象

该型发动机厂内试车，检查调整起飞状态限制温度时发动机出现转速摆动，摆幅近100r/min且排气温度伴随摆动；检查9900r/min限制温度时转速也有摆动，但摆幅较小，发动机无法调整排气限制温度。

更换执行机构、温度传感器、状态传感器、温度调节器等发动机温度限制系统附件，故障未排除；更换装有测量排气温度热电偶的集电环组件、温度补偿器以及补偿器与集电环之间的电缆后，发动机排气温度摆幅明显减小；调整导流环调节器，使发动机导流环达到0°时的转速小于10000r/min，再次检查调整限制温度，故障现象消失。

2 系统工作原理

2.1 发动机排气温度限制系统

发动机排气温度限制系统由控制系统和被控制系统组成，控制系统的主要元件包括敏感元件、放大元件、执行元件、供油元件[1]。为保证发动机涡轮前燃气温度不超过涡轮机件能承受的温度极限，确保发动机长期安全工作，该型发动机采取涡轮后排气温度限制系统，限制涡轮后排气温度不超过最大限制值，从而间接限制涡轮前燃气温度。该系统是由热电偶、热电偶补偿器、温度传感器、状态传感器、温度调节器、执行机构、燃油泵调节器等附件及电缆构成的闭环控制系统。

发动机排气温度由12个K型热电偶分两组测量并输出[2]，其中，一路由补偿器进行温度补偿后送到座舱指示仪表，用于操纵人员监测发动机排气温度，另一路由补偿器补偿后输入温度调节器。为便于监控测量，在台架试车时台架数采系统对补偿器后的信号进行采集。两路所测的温度差不超过8℃。

状态传感器摇臂与燃油泵调节器油门摇臂通过连杆刚性连接，如图2所示。油门摇臂的位置对应于发动机状态。燃油泵调节器油门摇臂旋转带动状态传感器摇臂在“0.7额定”刻线与“起飞”刻线之间旋转时，状态传感器输出电压与摇臂旋角成比例变化。在“0.7额定”刻线输出最大电压，“起飞”刻线输出最小电压；在两刻线间区域之外的区域，状态传感器输出电压恒定在最大值或最小值。当发动机接通反推时，反推接通信号输入温度调节器，切断状态传感器输入温度调节器的状态信号。

图2 状态传感器与燃油泵调节器的连接

温度调节器根据进口温度传感器、状态传感器输入的信号进行计算形成V设定（即发动机相应状态下的排气温度限制值），V设定与补偿器输送的V测量进行比较形成△V，△V=V测量-V设定。温度调节器根据△V的大小发出27V的电脉冲进入执行机构。执行机构是一个电磁铁衔铁活门，其根据电脉冲接通时间t通和电脉冲循环周期时间（即t通+t断）的比值——充填系数（占空比）S（S=t通/（t通+t断）），改变电磁铁衔铁活门在一个脉冲周期内的打开时间，从而改变燃油泵调节器的液压延迟器活塞控制腔回油量，改变延迟器活塞控制腔压力；延迟器轴向移动改变转速调节器转速弹簧预紧力，通过转速调节器降低发动机供油量和发动机排气温度，保证发动机安全工作。为便于发动机限制温度的设置，温度调节器设有调节按钮，按下调节按钮，温度调节器将使设置的限制温度下降Δt=100℃[3]。当接通反推时，温度调节器限制的温度将比起飞状态的限制温度低40℃。

2.2 发动机排气温度限制系统在试车台的检查调整

发动机排气温度限制系统的检查和调整分别在发动机的起飞状态、N2测量=9900r/min引气状态和最大反推状态下进行。在温限系统供电和“调整开关”接通的情况下，发动机油门推至起飞状态时，温度调节器将控制发动机状态，此时的排气温度T6调整应等于根据性能计算所得的温度，若不合格可通过温度调节器上“主”调整旋钮进行调节；发动机物理转速在9900r/min，打开高压压气机11引气，在温限系统供电和“调整开关”断开的情况下，温度调节器将控制发动机的排气温度为根据性能计算所得的温度值；若不合格可用温度调节器上的“0.7额定”调整旋钮进行调整。在温限系统供电和“调整开关”接通的情况下，发动机油门推至最大反推状态时，检查温度调节器将控制发动机的排气温度为（T6调整-40）±8℃。

该发动机在起飞状态温限调整时转速摆动较大，而N2测量=9900r/min引气状态下的温限调整时的转速摆动较小。

3 故障定位

通过上述故障现象和排除过程可以确定，造成发动机调整起飞状态温限时转速摆动的原因有：发动机排气温度测量系统存在摆动；发动机在工作转速区间导流环角度有轻微摆动。

4 故障原因分析

航空发动机工作状态非常复杂，实际使用中容易出现转速摆动现象[4]。导致发动机转速摆动的原因很多，但通常把由指示系统及电磁干扰造成的摆动称为假摆动，把由发动机机件故障或调节系统故障引起的摆动称为真实摆动[5]。根据发动机排气温度限制系统的组成、系统工作和车台排气温度的检查和调整分析，导致发动机温限检查时转速摆动的主要原因有发动机转速摆动和发动机温限系统故障，如图3所示。造成发动机转速摆动的原因有防喘系统导流环叶片角度摆动故障、发动机供油系统故障、发动机转速控制系统故障。另外，执行系统、排气测温系统、温度调节器、进口温度传感器、状态传感器等出现故障均有可能导致温限系统工作不正常。结合本次转速摆动故障现象，重点检查发动机转速摆动和防喘系统导流环叶片角度摆动故障。

图3 发动机温限时转速摆动故障树

由于发动机只在检查调整限制温度时出现转速摆动，断开限温系统电源后发动机各状态的参数正常，未出现转速摆动超过±30r/min、温度摆动超过±3℃的现象，因此可以排除发动机供油系统、发动机转速控制系统故障的可能性。

分别更换执行机构、温度调节器、进口温度传感器、状态传感器，摆动现象未消失。进一步试车检查，发现在导流叶片角度工作转速区间的各稳定状态下，导流叶片角度摆动约为±0.1°，且数采采集显示后的排气温度摆动为±2℃，其后所测温度基本不摆动。由于补偿器后的信号输入温度调节器参与排气限制温度的计算和调整，会导致输出的占空比S摆动，为一次性排除故障，决定更换排气温度测量系统的热电偶、温度补偿器及相连接的电缆组件。再次试车，温度摆动现象消失，检查调整限制温度时转速仍有摆动，摆幅约为60r/min，说明补偿器后的排气温度摆动±2℃，对检查调整限制温度时出现的转速摆动有一定的“贡献”。

接通发动机限温系统电源，将发动机油门推至起飞状态，通过温度调节器的“主”调整旋钮降低发动机转速至50～100r/min，使发动机由温度调节器控制，观察发动机各参数未出现超出工艺的摆动现象，说明发动机排气温度限制系统工作正常。按工艺规定调整导流环调节器1号钉，使发动机导流叶片角度在较小的转速下达到0°（即降低导流叶片工作的对应转速），使在检查调整限制温度时的转速落在导流叶片工作区域的对应转速之外，即检查调整温限时导流叶片角度处于0°状态。再次检查调整限制温度，发动机各项参数正常，未出现转速摆动现象。

通过故障分析和排故过程可以确定，造成发动机检查调整限制温度时转速摆动的原因有两个，一是补偿器后所测的排气温度摆动，造成参与计算的排气温度信号不稳定；二是在一定的转速区间，导流叶片角度有一定的摆动，会对发动机转速稳定性造成影响。当温度调节器将限制温度降低至100℃进行发动机限制温度检查时，排气温度限制系统处于一个动态调节过程，在此过程中又遇温度和转速摆动，两者叠加经温度调节器放大，造成发动机转速摆动。

5 预防措施

当检查调整发动机起飞状态限制温度出现转速摆动时，应首先在断开温限系统电源的情况下、发动机在“0.7额定”以上稳定状态时检查补偿器后的数采温度是否有摆动现象，如有摆动应加以排除，再按要求进行检查。