【doc】某涡扇发动机加力喘振故障分析

【doc】某涡扇发动机加力喘振故障 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 某涡扇发动机加力喘振故障分析 18红旗技术2006年第3期 某涡扇发动机加力喘振故障分析 王承田,张向斌 (西安航空发动机(集团)有限公司 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 所,西安710021) 摘要某涡轮风扇发动机,使用中连续发生加力喘振故障.其原因是压比调节器故障, 它控 制的喷口面积不能随加力比的增加而放大,加力燃烧室内的温度和压力增大,气体 发生倒流, 使发动机进口空气流量减少,低压压气机内的气体分离而发生喘振.对装机使用发 动机的压 比调节器进行普查,并进行调整或更换,可使问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 得以解决. 关键词加力喘振压比调节器故障 1引言 某发动机在使用中半年内曾有多台发动机 先后发生加力喘振故障,以致停止使用半年.该 发动机低压压气机5级,高压压气机12级,分别 由各自的两级涡轮带动.而高压压气机采用了 7级放气和进口导流叶片可调的防喘措施,但这 种喘振发生在低压压气机内,其特征是:在慢车 —— 军用——小加力工作正常,由小加力向大加 力推油门过程中喷口放炮,声音巨大,有时还伴 随有火球喷出,人们习惯称这种现象为"爆燃". 为了查清故障原因,有关单位做了大量的分 析和试验,发现控制加力喷口面积的压比调节器 由于使用时间长而故障比较多,于是对外场装机 使用的发动机进行了普查,并更换了故障件,使 问题得以解决. 2加力喘振的形成 2.1喘振基本原理 喘振发生在压气机内,根本原因是气流分 离.就压气机转子而言,气流是否分离,要看气 流进入叶片前缘攻角i的大小,而i的大小又与 进口空气流量有直接关系,因此可用流量系数 Ca=C/U表示,C为气流轴向速度,U为压气 机转子的圆周速度.Ca小于设计值,气流在叶 背分离,Ca越小分离越严重.对多级压气机, 收稿日期:2006—05—09 由于叶轮的旋转,个别分离区会迅速扩延到整个 压气机通道,使通道堵塞,流动受阻,而后面级的 压力高,气流总有回冲的趋势,当气流向后流动 的动能不足以克服高压气体回冲的趋势时,就发 生倒流.这时压气机由于后面反压降得很低,通 道瞬间变得畅通而恢复正常流动和工作.可是 气体流动条件没有改变,进口流量系数仍小 于设计值.气流在压气机内又发生分离,倒流重 复发生,造成流量和压力剧烈脉动,压气机的稳 定工作遭到破坏,进入喘振. 喘振发生是有条件的,从压气机通用特性曲 线图l可以看出:一是在进口条件T1(大气温 度)及P1(大气压力)一定的情况下,转速等于设 计值,空气梳量减少时,工作点靠近喘振边界易 发生喘振;二是工作点A沿共同工作线向下移动 而靠近喘振边界.该发动机加力喘振,是在军用 转速下发生的,因此,符合第一种情况. 空气流量减少,飞行中会经常发生,如飞机 侧滑,拉杆过猛,大迎角飞行,特技,进入螺旋等; 另外加力时喷口放不开或放大速度慢导致空气 流量减少而发生喘振,这种喘振不论在空中或地 面都会发生. 2.2加力喘振成因 这种发动机由于使用时间长,压气机性能衰 减,喘振边界会自然右移使喘振区扩大(图1虚 线);另外有的附件(如压比调节器)调节功能失 灵,所以容易发生喘振. 加力选择活门由小加力向大加力移动,加力 2006年第3期王承田,张向斌:某涡扇发动机加力喘振故障分析19 供油量按 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 增加,在加力燃烧室内与空气混合 进行燃烧,放出大量的热使温度和压力骤然升 高,要是喷口不能及时放大,燃气憋在尾喷管内, 其温度和压力进一步升高,必然要向前倒流,此 时,有两种情况发生:第一,低压压气机出口气流 约40%沿外涵道向后流到排气混合器,压力比 较低,加力燃烧室的燃气沿外涵道倒流,使外涵 道堵塞,对低压压气机来说就出现了"前喘后堵" 的状况,前面的空气进不来,流量减少,即流量系 数小于设计值,气体分离发生喘振;第二,由 于加力燃烧室的压力P8升高,前面排气}昆合器 的压力P6也随之升高,主燃烧室的燃气通过低 压涡轮的阻力增大,热能的转换和低压涡轮做功 的能力都降低,低压压气机的转速随之下降,空 气流量减少,检查加力喘振发 动机的低压转速差(?NL)必然小,?NL: NL加力一NL'gStl,其中NL加力为小加力状态时的 低压转速,NI军用为军用状态时的低压转速. ?Nf规定为发动机履历本记录值加一个公差 值为合格,有的达一3%,两种情况都使进VI空 气流量减少,加剧喘振的发生.加力燃烧室内的 燃气在向前方倒流的同时,也有向后喷出之势, 当倒流使P8下降到一定程度,或者喷VI突然放 大,通道畅通了,高温高压燃气突然高速喷出,热 能以声能的形式释放,声音的强度与排气速度的 8次方成正比,因此,声音巨大,发动机随声振 动.巨大的声音掩盖了低压压气机喘振的沉闷 声音,所以人们听到的只是放炮声,没有感觉到 喘振. 图1压气机通用特性曲线 数 3压比调节器故障 3.1加力系统的工作 加力系统的功用是增加必要的推力,能使飞 机迅速起飞或高速飞行.增加推力的方法是向 加力燃烧室喷入燃油,与燃气中剩余的氧气进行 燃烧,使温度和压力升高. 加力系统由加力燃烧室,加力燃油系统和喷 口控制系统三大部分组成,如图2所示.喷口控 制系统又由滑油箱,喷口滑油泵,滑油散热器,收 放活门,作动筒和压比调节器组成.喷口在接通 加力之前由收放活门控制,接通加力后就由压比 调节器控制. 高压转子转速在80%以上才能接通加力. 接通加力时,加力燃油系统开始向加力燃烧室供 油,点火燃烧,喷口处于预开位置,压比调节器自 锁装置解锁,从此喷VI就由压比调节器来控制. 加力选择活门从小加力移动到大加力,加力燃油 流量增加10多倍,与占总空气流量约60%未参 与燃烧的空气进行混合燃烧,加力燃烧室进口理 论温度为750K,出VI温度升高达2180K以上, 加温比很大,压力也很大,加力比由1.1增加到 1.675.为了防止压力增大和保持有效的排气速 度,压比调节器根据加力比的大小,操纵喷口在 面积为3064cm2,6151cm2之问无级变化,燃 气在喷管内膨胀加速顺利排出机外,保持加力状 态喷口面积与燃气流量相适应,并使主机不受加 力燃烧室工作的影响.加力燃油流量与喷口开 度的匹配是自动控制的,二者匹配不协调就会发 生加力喘振. 3.2压比调节器故障 从上述分析可知,加力喘振的主要原因是由 于加力燃油与喷口面积不相适应引起的.压比 调节器是该发动机加力喷口控制系统的关键附 件,从多台发动机加力喘振故障分析结果表明, 压比调节器不能协调喷口面积,导致了加力喘 振. 压比调节器的功用是:加力时,调节喷口面 积和给加力燃油流量调节器的空气信号发生器 提供一个P3/P2信号;不加力时,使喷VI滑油泵 斜盘固定在4.5.的角度上,保持喷口关闭. P3/P6活塞的全行程称为6,也是这部分 的代名词.它由与喷口滑油泵相连的动力活塞, 20红旗技术2006年第3期 感受活塞,分油活门,传动齿轮,自锁装置,调节螺X2,其结构与X6基本相同. 钉等组成,如图3所示.P3/P2活塞全行程称为 加力燃油 图2气体倒流及喷口控制示意图 图3压比调节器 P3修正器 2006年第3期王承田,张向斌:某涡扇发动机加力喘振故障分析2l 接通加力,高压燃油打开自锁装置之后就由 X6感受活塞感受涡轮的压力比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的斜盘角度进 行调节,喷口跟随斜盘角度的变化开大或关小,从 而保持涡轮落压比不变.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,使喷口移动缓慢而平稳;圆柱段为工作 段,在喷口打开方向获得无限增益.这三个特型 段与调节螺钉孔形成可变节流孔,用以调节 P3/P6比值,从而达到调节喷口收放速率和面积 的目的,其工作特性曲线如图4所示. 图46一P6特性曲线 X2也参与喷口的调节,它所控制的P3修正 器也是由型针与外孔形成的可变节流孔,当P3 空气通过时,为X6感受活塞提供一个P3分压, 与实际的P6相比较使活塞平衡或移动.x6活塞 直接操纵喷口滑油泵斜盘使喷口开大或关小. 对N台引起喘振的压比调节器,返厂作了性 能复验,分解检查,产生故障的主要原因有: 1)X6辅助螺钉螺纹乱扣卡死,螺纹孑L偏 斜,螺钉锥面严重磨损,螺钉锥面积炭. 该螺钉拧进拧出,能使感受活塞室的P3压 力增大或减小,X6活塞左右移动,喷口关小或开 大,P6压力增大或减小即特性曲线上下移动,对 低压转子工作线有直接影响.拧进,感受活塞压 力增大而左移,动力活塞随它一起左移,喷口滑油 泵斜盘角度增大,喷口收小,当它卡死以后失去调 节功能,有一个压比调节器P6压力比 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值高 出2.7×10Pa(图4C线),使得低压工作线升高 很多,所以发动机喘振. 值 6(×l0n1) 辅助螺钉锥面积炭,使锥面增大,节流面积减 小,起到了调节螺钉向里拧进的作用,这时,P3 分压增大,X6活塞左移,关小喷口面积,使P6增 大,也会引起喘振. 辅助螺钉孔偏斜使调整螺钉锥面严重磨损, 调节特性偏离设计状态,加力时自然要发生喘振. 2)X6动力活塞,感受活塞及涨圈与衬套 严重磨损都能引起喘振. 有一台压比调节器X6动力活塞不锈钢涨圈 在不加力位置将衬套磨出两道槽,加力时动力活 塞移动受阻,造成喷口放大的速度滞后于加力燃 油供油量的增加,引起喘振. 3)P3修正器进气针被撞弯,与石墨衬套 卡滞,不能及时修正P3空气压力,X6感受活塞 获得P3分压的信号晚,于是喷口放大的速度滞 后于加力供油量的增加而发生喘振. 4)空气(感受)活塞腔串气 某发动机的压比调节器X2空气活塞两腔串 22红旗技术2006年第3期 气,这时活塞两边的压力相等,活塞处于中立位置 不移动,P3修正器和空气信号发生器的型针都 处于一个固定的位置上,X6感受活塞右室的压 力是一个固定值,活塞处于平衡状态不会移动,喷 口滑油泵斜盘角度不变,喷口也就不可能放大;另 外,空气信号发生器不工作,P3分压不变,加力 燃烧室的供油量随P3压力增大而增大,造成富 油燃烧,其结果是加力喘振.这是串气严重的一 种极端结果,那么退一步,串气比较严重,X2活 塞移动迟缓,使喷口放大的速度滞后于加力供油 量的增加,也能造成同样的后果.有的发动机随 着放炮声喷出火球,燃烧的油气团那是极度富油 的表现. 5)"拐点"偏离 "拐点"——把P3/P2活塞全移动量称为 X2,并在位置指示器上的读数标为0,l0,那么 位置指示器读数为7.8处,换算空气流量为230 , 236的这一点称为"拐点". 它是由X2活塞的位置决定的,反映在发动 机上就是由小加力进人大加力的临界状态;在 X6感受活塞型针的大锥段与圆柱段的转接处. 此时,发动机的换算空气流量为230,236,与加 力供油量及喷口面积相匹配,涡轮落压比不变. 因此,进人大加力发动机不会发生喘振.用调整 X2调节螺钉获得正确的"拐点". "拐点"偏离就意味着空气流量减少,由压气 机通用特性曲线上可以看出,当空气流量减少到 一 定的程度,工作点就会进人喘振区.对某发动 机喘振,压比调节器分解检查没有发现明显故障, 性能复验P6比标准值低15.24mnt(图4D线), 似乎不应该喘振,但从曲线走向上可以看出,小加 力段变得比较平缓,而且行程较长,正常情况X6 型针圆柱段在7.87ITlI-n处进入节流孔,此时P3 不变,P6增大,感受活塞迅速右移,喷口以最大 速度放大.现在是在7.52mm位置才进人节流 孔,反映出由X2感受活塞感受到流经高压压气 机的空气质量流量(P3/P2)小,它所控制的P3 修正器的型针移动不到位,P3分压变化量小, X6活塞右移的距离短,喷口放大的面积小,与此 同时,空气信号发生器型针下移的距离小,加力供 油量得不到应有的修正,供油比例失调造成喘振. 另外,一些特定因素使压气机的喘振裕度变 小,如飞机进气道畸变对加力工作线的影响;发动 机使用时间长,压气机很脏使效率下降;叶片安装 角发生变化,表面打伤变得粗糙等,使得喘振边界 右移,当空气流量略有减少就可能导致喘振发生. 4结论 某涡轮风扇发动机加力喘振是由于加力供油 量与喷口放大不协调,导致低压压气机喘振.具 体原因是压比调节器不能及时调节喷口面积所 致. 船决的办法: 1)将低压转速差?调整合格可以避免 喘振. 用调整X6辅助螺钉的方法来实现,该螺钉 往外拧,使得发动机的P6压力减小,P6一x6工 作线下移,低压转子工作线降低,当?NL调合格 后,喘振消失. 2)当?NL调整无效时则更换压比调节 器. 参考文献: [L]彭泽琰主编.航空燃气轮机原理[上册].北京:国防 工业出版社,1989. 作者简介: 王承田(1942一),男,高工,从事航空发动机外场技术服 务工作. 张向斌(1974一),男,工程师,从事航空发动机外场技术 服务工作.