航空发动机飞行试验喘振故障分析研究

雷 杰，许艳芝，郭政波

(中国飞行试验研究院 发动机所，陕西 西安 710089)

1 引 言

发动机喘振是气流沿压缩系统轴线方向发生低频高幅振荡现象[1-2]，在飞行试验中具有多发性、突发性等特点，轻则造成发动机工况急剧恶化,重则导致发动机机械损伤，严重危及飞行安全[3-4]。喘振发生时，可以观察到发动机工作不连续，转速摆动或下降，排气温度升高，有喘声并急剧振动，同时发出低沉的噪声，推力急剧下降[5-7]。

引起发动机喘振的原因很多，主要包括以下3类：(1)发动机几何调节机构工作异常、燃油控制异常以及机械故障引起的发动机气动失稳[8]；(2)发动机进气畸变和进气道斜板调节系统故障等引起的进气扰动[9-10]；(3)发动机喘振裕度不足，导致发动机稳定裕度过低[8]。

某发动机在飞行试验中出现了喘振停车故障，本文从引起发动机喘振的3个方面影响因素入手，分析了该发动机喘振停车故障原因，有针对性地给出了发动机调整措施，并对调整措施进行了试验验证。

2 喘振故障现象

发动机风扇可调导向叶片角度α1、压气机可调导向叶片角度α2、尾喷口喉部面积D8以及飞机进气道斜板可调。喘振故障发生在高空发动机加速过程中，图1为喘振发生时发动机主要参数变化曲线。

图1 喘振时发动机主要参数变化曲线

由图1可知，发动机喘振出现在节流状态油门上推过程中，9.1s喘振后受消喘切油影响，发动机转速、排气温度以及压气机出口总压P31开始下降，其中排气温度以及P31在下降过程中均出现摆动现象，9.9s高压转速下降至空中慢车转速以下，排气温度开始出现大幅上升并伴有转速悬挂，28s排气温度超温，发动机触发2次切油保护程序后手动拉停。

3 喘振停车故障分析

根据上述发动机喘振故障现象，可以看出存在两个方面问题：发动机喘振和消喘失效。下文针对这两个问题进行研究和分析。

3.1 风扇和压气机可调导向叶片调节

图2和图3分别为发动机风扇前导向叶片α1和压气机前导向叶片α2调节过程变化曲线，图中α1和α2的值越大，代表风扇和压气机叶栅级间流通面积越大。由图2和图3可知，发动机喘振前首先处于减速过程，α1减速过程调节处于瞬态控制线范围内，并停留在最小极限调节位置。α2减速过程调节出现部分小于允许使用下界的现象，属于发动机减速过程超前调节，可以提高发动机的稳定工作裕度。发动机喘振时，α1和α2均处于正常调节位置，后续受发动机消喘影响，α2先后出现5次关小消喘调节过程，α1由于已经处于最小调节极限位置，消喘时其调节位置不变。综上可知，发动机喘振前后α1和α2调节过程均正常。

图2 α1调节过程变化曲线

图3 α2调节过程变化曲线

3.2 尾喷管喉道面积调节

图4为发动机尾喷口喉部面积D8随高压换算转速的变化曲线图。由图4可知，发动机喘振前，D8按照高压转速控制正常处于小喉部面积位置，发动机喘振后，D8正常执行了4次面积适当放大的消喘措施，后续由于高压换算转速降低，D8按照高压转速调节为大喉部面积状态，发动机喘振前后D8调节未见异常情况。

图4 发动机D8调节过程变化曲线

3.3 主燃油控制

喘振时发动机会自动执行消喘切油以及遭遇启动程序，消喘切油结束后，主燃烧室供油会自动恢复，使发动机恢复到喘振前稳定状态。图5为发动机主燃烧室燃油压力变化曲线。由图5可知，喘振前在油门杆上推后，燃烧室燃油压力正常上升。喘振后发动机先后执行了5次切油程序，其中第1次切油后发动机高压转速降至慢车以下，出现停车现象。后续在消喘切油和启动供油影响下，主燃烧室燃油压力在空中最小供油量上下波动，发动机出现转速悬挂、排气超温，发动机拉停前执行了2次正常的超温切油保护程序。可以看出，喘振时发动机主机消喘切油出现异常，正常消喘系统切油后，发动机主燃烧室供油量不低于空中最小供油量限制，发动机出现停车是由消喘切油过深导致，而启动供油和消喘切油二者综合作用则使发动机转速出现悬挂。

图5 发动机燃烧室燃油压力变化曲线

3.4 进气扰动情况

图6为发动机喘振前后飞行姿态变化情况。由图6可知，喘振时飞机在同一高度水平飞行，其高度保持在0.647Hp.max(Hp.max表示飞机升限)附近，马赫数保持在0.65，进气道斜板未起调，迎角α不超过4.8°，俯仰角θ不超5.7°，侧滑角β接近0，法向过载Nz变化范围在0.9～1.1g(高度降低之前)，纵向过载Nx和侧向过载Ny接近0。可以看出，发动机喘振时飞行姿态稳定，发动机进气条件良好，不会造成严重的进气扰动，可以排除进气扰动影响。

图6 发动机飞行姿态变化曲线

3.5 消喘机构工作情况

发动机喘振时，消喘系统会执行短时关小α1和α2、减小主机供油量、增大D8及进气道斜板板位(起调条件下)、遭遇启动等措施，使发动机恢复至喘振前油稳定状态。从图2可看出，发动机喘振时，α1受最小调节极限位置限制不再执行消喘关小措施。从图3可看出，发动机喘振后，α2先后出现5次明显关小消喘调节过程，说明α2正常执行了消喘措施。从图4可看出，D8正常执行了4次D8放大消喘措施，其在执行的第5次消喘指令时，D8受转速降低影响执行放大调节过程，故未能直接观察到第5次的消喘调节过程。从图5可看出，发动机喘振时先后执行了5次消喘切油和遭遇启动程序，但在主机消喘切油后，主燃油室供油量出现低于空中最小供油量限制的异常情况，说明发动机消喘切油深度控制出现问题。地面整机检查后，发现启动装置控制切油深度的节流嘴出现脱落，导致发动机消喘过度切油。

3.6 加速性检查

表1 发动机慢车至中间状态加速性对比

3.7 喘振停车故障原因

综上可知，喘振发生时发动机参数正常，进气稳定，几何机构调节和燃油控制正常，发动机稳定裕度不足是导致加速过程中发动机出现喘振的主要原因。发动机空中出现停车是由启动装置机械问题导致发动机消喘切油过深引起，消喘切油和启动供油的综合作用使得发动机出现转速悬挂现象，是发动机消喘失效的主要原因。

4 排故措施及验证

4.1 排故措施

根据上文发动机喘振停车故障分析结果，为了解决发动机稳定裕度不足以及消喘切油过深问题，采取排故措施如下：

(1)减少发动机加速供油量，将压气机α2沿n2 cor减小方向适当关小(减小进气攻角，改善叶片吸力面的气流分离)，提高发动机稳定裕度；

(2)重新安装脱落的启动装置节流嘴，进行地面消喘验证。

4.2 试验验证

发动机启动装置节流嘴重新安装后进行了地面消喘验证，具体结果见表2，可知地面消喘后未见停车现象，发动机消喘切油控制恢复正常。

在0.647Hp.max(喘振高度)进行了发动机加速性对比试验，并在0.647Hp.max喘振工作点进行3次复查验证试验，试验时发动机工作均正常，未再出现喘振现象。其中，慢车至中间加速性对比验证结果见表3，可知调整发动机后，0.647Hp.max上慢车至中间加速时间变长，由于发动机喘振故障未再复现，验证了本文发动机喘振扩稳措施的有效性。

表2 消喘功能验证结果

表3 加速性对比验证结果

5 结 论

根据发动机喘振停车故障分析以及排故措施验证结果，可以得到以下结论：

(1)发动机加速供油量设计与稳定裕度不匹配导致发动机在加速过程中出现了喘振，稳定裕度不足是发动机喘振的主要原因。

(2)机械故障导致主机消喘切油过深，喘振切油后发动机状态降至慢车以下，主机出现停车现象。消喘切油和启动供油的综合作用使发动机出现转速悬挂，直接导致发动机排气超温和消喘失效。

(3)减小发动机加速供油量以及关小压气机α2角度可以有效提高发动机稳定裕度，但会影响发动机加速性能。