TB2-117A型发动机喘振停车故障分析及排除

喘振是燃气涡轮发动机压气机一种不正常的工作现象,也是燃气涡轮发动机的特有故障。发动机喘振时,不但性能变差,还会引起自动停车。如果处置不当,使发动机在喘振工作条件下时间稍长,压气机、涡轮等部件就会因高温和振动而严重损坏。研究压气机喘振的目的是要弄清喘振的原因和条件,制定预防措施,以便正确使用与维护。一、故障现象     

基于压气机进口导叶可调的涡轴发动机性能参数换算方法研究

通过分析研究涡轴发动机整机试验性能评价方法,量化分析了大气湿度对涡轴发动机整机性能的影响程度,分析研究了湿度修正导致相同换算转速下压气机进口导叶角度不一致的原因。对原涡轴发动机整机试验性能评价方法进行改进,引入因湿度修正后压气机进口导叶角度不一致对整机性能影响的修正项,并通过试验研究获得了涡轴发动机燃气发生器相对换算转速0.90～0.98时压气机进口导叶角度修正量与环境温度和湿度的曲线。验证结果表明,改进后的涡轴发动机整机试验性能评价方法效果明显,精度得到较大提升。     

基于级间放气的发动机防喘控制

航空发动机一般会采用级间放气和导叶调节等控制措施来保障压气机的稳定工作,防止压气机喘振造成发动机损坏。对某型航空发动机的级间放气控制技术进行分析和研究,利用FADEC控制放气阀动作,控制软件预设放气调节计划,根据发动机实时状态计算合适的放气阀位置需求,通过PID控制实现阀无级调节,使放气阀在发动机整个工作过程中自动保持需求的打开位置,提高压气机喘振裕度,同时提出了喘振检测及退喘控制方法,并进行试验验证,结果表明该技术合理可行。     

一种两级导叶可调的模拟方法

现代发动机压气机压比设计状态较高,压气机特性线较陡,在节流状态发动机很快达到喘振,而压气机导叶调节作为一种行之有效的方法,越来越广泛地参与到发动机调节控制中。同时特性图的插值是发动机部件级模型关键一环。本文提出了一种压气机两级导叶可调的四元插值方法,能够对压机导叶进行无极可调模拟仿真。结果表明,该方法的正确性和通用性,经过发动机整机计算表明导叶调节可以提高发动机的稳定性,该方法对静子导叶调节规律的制定和优化具有指导性的意义。     

某型发动机喘振特征分析及消喘系统验证试验

分别采用吊舱进口安装扰流板和提高发动机慢车以上状态供油量进行某型发动机地面逼喘试验,研究了两种方法的特点,分析了喘振过程中发动机参数变化情况和喘振原因.结果表明,安装扰流板间歇缓推油门杆和提高供油量快推油门杆逼喘试验均能够有效反映干扰因子对发动机稳定性的影响:安装扰流板后的加速过程中,总压畸变和空气流量减少引起喘振,前者是主要因素,风扇先喘压气机后喘;提高供油量后的加速过程中,燃烧室油气比始终偏大,稳定工作裕度降低,高压燃气堆积并堵塞了空气流,压气机和风扇先后喘振.喘振过程中消喘系统可靠投入工作.获得了该型发动机的临界畸变指数.为该型发动机空中逼喘试验及稳定性评定奠定了基础.      

涡轮轴断裂条件下的涡扇发动机性能建模

为了研究双轴混合排气涡扇发动机高压轴断裂失效后的动态性能，建立了轴断裂条件下涡扇发动机过渡态的共同工作方程，以及各部件考虑容积效应和气体惯性力的模型部件。在此基础上，分析了地面起飞状态和巡航状态下涡扇发动机高压轴断裂后发动机气路参数的瞬态响应规律和机理。研究表明:涡扇发动机高压轴断裂会在不超过05s的时间内导致压气机喘振、涡轮前温度超温、涡轮转速超转等继发性危害事件。在不同飞行状态下出现的轴断裂，上述事件发生的先后次序各不相同。尤其在地面起飞状态下，涡轮超转事件极可能先于压气机喘振现象而发生，012s内涡轮即可达到其破裂转速。这些都需要在航空发动机被动安全设计中给予足够的重视。      

基于台架试验的涡轴发动机喘振发生位置规律

为了探究某型涡轴发动机喘振发生位置规律,采集并分析了台架喘振试验时进气道、轴流压气机叶尖、轴流压气机出口和离心压气机出口的压力信号。采用连续小波时频变换对压力信号进行特征提取,以小波系数作为喘振信号特征,阈值为小波系数最大值的10%,结果表明:某型涡轴发动机的轴流压气机总是比离心压气机先发生喘振,喘振在轴向上由进气道向离心压气机传递的同时,在周向上也沿着压气机转子叶片旋转方向传递。对某型号发动机进行实时喘振监测时,监测轴流压气机能比监测离心压气机更早发现喘振,在后续某型涡轴发动机改型设计时,可增加轴流压气机的喘振裕度来提升整机防喘能力。      

侧风影响下航空发动机失速/喘振适航审定方法

由于压缩系统的喘振和旋转失速问题是航空发动机在运行过程中经常遇到的两类气动不稳定现象,针对中国民航规章(CCAR)中3365条的失速/喘振特性条款进行了解析。并以Rotor 67为研究对象, 从适航审定的角度出发,建立了一种侧风影响下发动机喘振/失速裕度的快速预估方法。该方法的结果表明：当侧风速度为35 m/s时,起飞状态的喘振裕度下降了51%,着陆状态的喘振裕度下降了198%。     

多级轴流压气机不同工况下失速／喘振试验研究

通过试验的形式，开展了多级轴流压气机在静叶优化角度及中间级引气情况下的失速／喘振试验研究。采用高精度、高频响的动态压力传感器，高速同步采集板、快速A／D采集板和高速处理机相结合，借助于频谱分析的方法来找出失速／喘振频率，并且找出对应该频率的各通道之间的相位差，分析出失速／喘振首发级。利用DASP6．61数据大容量自动采集与信号处理系统对喘振信号进行数学处理。试验结果表明：测量手段及数学处理模型是可行的。在压气机静叶优化条件下，不同的引气量对失速／喘振有影响。     

进口导叶角对叶根失稳压气机流动失稳的影响

以一台航空高速压气机为研究对象，通过加装进口导叶调整压气机进气预旋角，采集失稳过程中的动态压力信号，观察不同导叶角度、流动失稳演化过程。结果表明：在负导叶角情况下，压气机由转子叶尖突尖波引起失稳；在零导叶角及较小的正导叶角情况下，由静子叶根区域的局部喘振诱发失稳；在较大的正导叶角情况下，静子叶根在节流过程中首先出现局部失稳，进一步节流导致叶尖旋转失速团出现，压气机完全失稳。分析认为，导叶角的增加通过降低反力度，调整了转静间的负荷分配，从而引起了失速初始扰动发生上述“转子突尖波-静子局部喘振-静子局部失稳”的转变。     

基于高速慢车的航空发动机快速响应控制

针对传统航空发动机响应速度慢,难以在紧急事件中用于控制受损飞机完成起降过程的问题,采用高速慢车控制模式来提升发动机加速性能,通过增加发动机在慢车时高压压气机转速,为加速前期提供更大的燃油流量,从而缩短发动机从慢车至最大状态的加速时间。为保证慢车时高压转子转速提高的同时发动机推力和稳定裕度不变,通过修改高压压气机可调导叶控制计划来调整高压转子工作点。仿真结果显示,与原有控制相比,采用高速慢车快速响应控制模式的发动机加速上升时间从原来的2.00s缩短至1.86s,而高压压气机最小喘振裕度仅由16.01%下降至14.81%,同时慢车推力基本保持不变。     

进气畸变对压缩系统稳定性影响的数值模拟

采用基于平行压气机理论的准一维时间相关模型方程以及激盘－滞后－容积的压气机级模型，研究了进气畸变对航空燃气涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的影响,在一定物理转速和流量条件下的压气机稳态工作点参数则采用级堆叠方法进行计算。对总压畸变、总温畸变等进气条件下压气机稳定工作边界的变化进行了计算分析，结果表明进气总压畸变和进气总温畸变对发动机稳定性有很大的影响，畸变进气使得压气机稳定工作边界在压所机的特性图中向右下方移动，降低了发动机的喘振裕度。     

特斯拉阀对压气机深度喘振影响研究

深度喘振是压气机运行过程中最为恶劣的、极具破坏性的流动失稳现象，与压气机部件性能以及系统特性紧密相关。本文通过在压气机上下游采用特斯拉阀以改变系统特性，对比分析了不同特斯拉阀方案对深度喘振的影响规律和机理。研究结果表明，特斯拉阀位置不同对压气机深度喘振特性的影响不一样：压气机下游采用特斯拉阀延长了深度喘振中充放气时间，降低了深度喘振频率同时增大了喘振圈大小；而上游采用特斯拉阀可贮存高温压缩流体，提升进口总温从而使压气机折合转速降低，进而降低压气机最大压升，减小了叶轮所受最大非定常轴向气动力和喘振圈的大小，有效控制了喘振强度。     

多级轴流压气机失速／喘振的测量及数据处理

在多级轴流高压压气机上 ,开展从气动失稳到喘振及退出喘振时对气体压力的动态测量。试验是在多级轴流高压压气机静叶设计角度及中间级引气的情况下进行的。采用高精度、高频响的动态压力传感器 ,高速同步采集板 ,快速A/D采集板和高速处理机相结合 ,借助频谱分析的方法来找出失速 /喘振频率 ,并且找出对应着该频率的各通道之间的相位差 ,分析出失速 /喘振首发级。在试验中运用信号分析方法对叶片排中失速及喘振信号进行数学处理。测量得出的结论是 :在多级轴流高压压气机中 ,失速 /喘振均属于突变型 ;在 n=0 .8时压气机工作于多值区 ;中间级引气将影响失速 /喘振。     

基于脉动压力变化率的航空发动机喘振检测方法

根据发动机发生喘振故障时气流脉动压力会急剧变化这一特征,通过测量和计算压气机出口脉动压力变化率实时检测喘振的发生。对动态压力信号进行预处理以提取特定频段内的脉动压力,计算固定周期内脉动压力变化率;依据发动机整机地面试验结果设定喘振检测阈值及判据,判断脉动压力变化率是否满足判据来实现喘振检测。利用该方法成功检测出发动机飞行试验中的两次喘振故障。分析得出:发动机未发生喘振时,地面试验和飞行试验脉动压力变化率差异很小;发生喘振时,脉动压力变化率绝对值急剧增大;发动机在稳态和瞬态过程稳定工作时,脉动压力变化率不受发动机工作状态变化的影响。     

涡扇发动机消喘系统飞行试验验证方法研究

针对涡扇发动机消喘系统飞行试验验证需求,和传统试验方法不能有效验证消喘结束后发动机状态恢复能力的问题,根据消喘系统工作原理,提出了单次喘振和连续多次喘振下消喘系统的飞行试验验证方法。该方法通过加装座舱开关,触发发动机调节器内设置的喘振模拟模块,发出根据真实喘振信号特征设计的喘振模拟信号,从而使得消喘系统工作,验证飞行状态下发动机消喘系统对短时切油、喷口面积和可调导叶的控制及消喘结束后发动机状态恢复的能力。试验结果表明:所提出的方法能有效验证消喘系统的功能及消喘结束后发动机状态恢复的能力。本研究对发动机消喘系统可靠性和有效性的飞行试验鉴定具有一定的工程应用价值。     

航空发动机温度传感器动态特性改善方法

在某次某型航空发动机的地面台架试车中,该航空发动机发生了喘振.为查证导致发动机喘振的原因,构建了该型航空发动机高压压气机可调静子叶片转角控制系统的数学模型,完成了联合仿真.理论分析及仿真研究证明了:温度传感器动态响应特性滞后是导致发动机喘振的主要原因.为解决喘振问题,设计了该传感器的动态性能校正系统.验证仿真表明:所采用的校正方案可在不影响系统正常工作的前提下,明显改善该高压压气机可调静子叶片角度的动态响应特性,并有效地防止发动机喘振.该温度传感器校正算法具有适应性良好,抗干扰能力强等突出优点,可为解决试车过程中暴露的发动机喘振问题提供重要参考.      

涡扇发动机飞行中的喘振故障分析

介绍了涡扇发动机在飞行试验中出现的一次高空喘振故障,分析了故障现象。采用排除法逐一对比了进气道前方来流条件、燃烧室供油,以及从进气道喉道面积、高低压压气机前导向叶片直至尾喷口喉道的一系列流道可调机构的工作过程,分离出了最可能的致喘因素。分析结果表明,转速下降过程中高压压气机前导向叶片偏度过大而对上游来流形成的堵塞,是引起喘振的主要原因。最后分析了该发动机所执行的消喘程序,及其未能使发动机退出此次喘振状态的原因,并提出改进建议。     

涡扇发动机可调静子叶片控制规律研究

航空发动机高压压气机采用可调静子叶片,可改善高压压气机的工作特性,扩大喘振边界,保证发动机稳定工作;通过优化可调叶片角度控制规律,还能提高发动机性能。基于双转子涡扇发动机的试车数据,介绍了可调叶片角度的控制方法,研究了可调叶片角度在低转速和高转速时的控制规律,分析了打开可调静子叶片角度对发动机性能的影响。研究表明,高压转子转速较高时,通过调节可调静子叶片角度,可以降低高压转子的物理转速,增加转子转速裕度,降低机械负荷,增加发动机在翼使用时间。     

局部喘振的发生机理

为了深入研究高负荷压气机的失稳机制,明确失稳先兆局部喘振现象的发生机理,总结了某跨声压气机在均匀进气不同工作转速下失稳过程的实验结果,继而对其在进气畸变条件的失稳过程开展实验和数值研究.结果发现:在均匀进气条件下,局部喘振在低转速时并未发生,而发生于高转速情况下,推断局部喘振的发生与压气机叶根区域的相对高负荷有关.随后在高转速下降低叶根负荷,则局部喘振现象不再发生;而在低转速下升高叶根负荷,则局部喘振现象发生.所以得出结论,压气机叶根相对高负荷确实为局部喘振的发生条件.对于所研究的压气机,如果近失速点叶根扩散因子超过0.6,则会发生局部喘振现象.