李斌
摘 要：在直升机检修维护工作中，时常会遇到发动机喘振问题。根据实践工作经验，本文结合直升机发动机喘振故障实例，对直升机发动机工作原理和喘振机理展开了分析，并通过确认喘振原因提出了相应处理方法。从分析结果来看，直升机发动机喘振与发动机排气口与进气口距离过近造成的压气机进气口温度不均和活门排气量不足有关，通过优化改造发动机排气结构，能够有效排除发动机喘振故障。
关键词：直升机涡轮轴发动机 喘振故障 压气机
中图分类号：V26 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（c）-0017-03
在直升机设计和使用阶段，发动机性能好坏至关重要，将直接影响直升机飞行安全。所以在直升机检修维护的过程中，还要加强对直升机发动机故障的有效防治，以免直升机出现安全问题。而喘振现象为发动机常见故障，因此还应加强对直升机发动机的喘振分析，以便结合喘振原因采取有效的处理方法，实现对发动机喘振问题的有效预防，为直升机飞行安全提供更多保障。
1 直升机的发动机喘振现象
某型号发动机为自由涡轮式涡轮轴发动机，其采用的压气机为混合式压气机，由跨音轴流压气机和超音离心压气机构成。发动机本身结构较为简单，并且体积较小，性能稳定，能够为直升机使用维护提供便利。但在直升机试飞初期，发动机多次出现喘振现象，产生类似“嘭”的放炮声，涡轮间温度大幅度上升，扭矩明显下降，同时伴随着燃气及动力涡轮转速等参数变化。在发动机喘振期间，直升机机身振动并未发生较大变化，发动机喘振幅度轻微，持续时间在1～5sec之间。而直升机发动机喘振意味压气机工作不稳，其导流叶片与工作叶片间产生了气体分离问题，进而造成发动机内部空气流路产生空气振动。在此期间，由于发动机内部气流压力和速度迅速变化，空气将从进气装置喷射出来，造成压气机内空气压力不足，燃气涡轮燃烧不稳，叶片及发动机将伴随气体温度升高而发生抖振，并发出异常声音。所以在直升机飞行过程中，喘振的发生意味着发动机功率降低，可能造成燃烧室熄火，引发发动机过热或停车，甚至造成发动机零部件损坏。因此还应找到直升机发动机喘振原因，并通过有效处理喘振故障确保直升机飞行安全。
2 直升机发动机喘振原因分析
从实践经验来看，不同型号直升机发动机发生喘振的原因并不相同，喘振的发生与发动机压气机工作特点存在直接关系。为确认直升机发动机喘振原因，还要结合直升机发动机内部空气流路对发动机喘振机理展开分析。
2.1 发动机内部空气流路
从该型号直升机发动机工作原理来看，在工作过程中，外界空气将由进气道进入压气机，在轴流压气机中得到首次压缩，然后进入离心压气机得到再次压缩，最后进入燃气室与燃油混合燃烧，从而向涡轮排出高压高温燃气。这些燃气将在涡轮中膨胀做功，以驱动压气机工作，并驱动直升机旋翼工作。从空气流動过程来看，发动机内部空气流路可划分为前部、中部和后部3个部分，前部由轴流压气机得到的压缩空气P1将在前后轴承篦齿封严装置作用下从离心压气机叶轮间隙流入，使压气机后轴承得到密封。而篦齿封严装置为密封装置，可以利用篦齿前后空气压差进行装置封闭。分析其工作原理可以发现，在增压空气进入篦齿封严装置后，将从装置间隙向压力低的一侧流动，从而使空气流量得到有效限制，并始终由压力高向压力低的一侧流动，继而使压力低的一侧被空气密闭，避免滑油外泄[1]。在P1进入后，其中一部分将从轴孔流入轴内腔，使前轴承得到密封。在发动机中部，从离心压气机得到的压缩空气P2可以使油盘篦齿封严装置发挥密封作用。在发动机后部，在外界大气P0作用下，自由涡轮导向器和燃气发生器将得到冷却。通过涡轮机匣引气接头将P2引入，并由空气导管传送至减速器空气接头，并从机匣内部通道传输至涡轮前轴承篦齿封严装置，可使空气始终沿着从压力高到低的方向流动，以形成内部空气流路。
2.2 发动机喘振机理分析
从发动机压气机工作原理来看，压气机需要与发动机各部件配合才能完成工作。在设计阶段，由于发动机点火流量固定不变，需要按照预定程序提供加速燃油流量，所以发动机燃油流量可用式（1）表达各参数间的函数关系。式中，Ngco为燃气涡轮换算转速，T2和P3分别为压气机进口温度及离心压气机出口压力。在发动机启动的过程中，不同环境温度下发动机油气比Wf/P3将会随着涡轮换算转速发生变化[2]。如图1所示，为不同环境温暖下发动机启动过程的参数变化情况。利用Wf/P3，可用于进行涡轮进口温度的反映。根据Wf/P3和Ngco的关系，可对压气机喘振特性进行反映。在外界环境温度有所提升的情况下，发动机在初步启动阶段会出现Wf/P3随发动机换算转速增加而变小的情况，以免燃烧室出现富油情况。而进入供油加速阶段后，会出现Wf/P3随发动机换算转速增加而增大的情况。在发动机稳定阶段，会出现Wf/P3随发动机换算转速增加而变小的情况，以避免发动机出现超温情况。在整个过程中，根据各参数函数关系，则能实现对计量活门轴向开度的控制，从而使发动机按照程序由加速发展至稳定运行阶段。
（1）
通过上述分析可知，在不同环境条件下，发送机加速控制参数可能发生变化。而在发动机其他部件流量受限条件下，涡轮转速不变，压气机出口压力将有所提升，最终造成发动机燃油流量下降，压气机工作点则会向喘振区域边界移动。如果外界条件不变，但转速发生变化，也会出现同样问题，进而导致压气机喘振。因此在实际设计时，为确保压气机可靠工作，需进行喘振裕度定义，如式（2）。式中，πk*和q（λ1）均为压气机工作点参数，指的是相似转速线上喘振边界点参数。按照要求，直升机发动机喘振裕度应达到12%以上。
（2）
2.3 发动机喘振原因确认
结合直升机发动机喘振机理可知，想要避免发动机发生喘振，需对压气机的温度分布和入口压力进行调节。而该型号发动机在设计上采取了增加压气机中间级放气活门的方法达到调节入口压力的目的，以防止喘振发生。利用该放气活门，可以在燃气发生器转速降低时将部分轴流压气机出口空气放掉，以增强发动机起动时转子加速。如图2所示，在转速较低的情况下，虚线表示活门关闭状态，此时压气机工作线接近喘振边界，容易导致发动机喘振。在将放气活门打开后，伴随着空气流量G′的增加，压气机工作线距离喘振界线较远，发动机拥有较大喘振裕度，因此可避免喘振现象发生。从放气活门位置来看，其位于机匣锥形段上方，打开后可以使部分P1空气进入外界大气。结合P2/P0≈6.1这一比值，可确定活门开闭界线[3]。按照标准大气条件，在发动机加速阶段，如果涡轮转速约92%，活门应处在关闭状态，如果达到91%则应为开启状态。
结合上述分析可知，直升机发动机发生喘振，主要与3种因素有关，即进气口温度不均、放气活门放气不足、叶片损伤等其他原因。考虑到气温急剧升高可能造成压气机涡轮叶片受损、涡轮转子阻滞等问题。为确认造成发动机喘振的具体原因，需确认发动机是否存在叶片损伤等问题。通过检查发现，发动机不存在零部件损伤的问题，涡轮叶片位发生烧蚀、压坑、变形和破损等问题，自由涡轮转子也能轻松转动。在此基础上，对发动机压气机进气道进行了检查，确认进气道内不存在外来物，并且涡轮转子转动无异常声音。对进气导向器进行检查，可以确认叶片位置正常，能够从一个边缘位置向另一个边缘位置移动。结合检查结果、直升机飞行状态和外界气候条件等相关数据，可以排除其他因素对发动机的影响，确认直升机发动机喘振的产生主要与进气口温度不均和放气活门放气不足这两项因素有关。
为进一步确认喘振原因，需要进行地面开车检查，使用压气机入口温度传感器进行测量，并对放气活门开闭情况进行确认。从检查情况来看，在发动机喘振前后，进气口畸变温度值达到了11℃，较之60°扇形区内温度梯度不超出5.5℃的要求要高出许多[4]。分析导致这一问题产生的原因可以发现，与发动机相连的主喷口的热气有一部分将由进气口上游滑动散热器出风口进入，继而造成进气区温度过高。通过采取临时遮挡措施降低进气口温度，发动机仍然出现喘振现象。所以可以认为，造成发动机喘振的还有其他原因。进一步检查发动机放气活门开闭情况可以发现，在发动机启动阶段，放气活门出现了提前关闭情况，进而造成放气量不足的问题。分析导致这一问题产生的原因可以发现，该型号发动机的进气口与排气口距离较近，排气口位于机身两侧，靠近主减后方发动机进气口，容易产生彼此间相互影响。而该型号发动机采用的启动式放气活门，即将根据P2/P0空气压力完成活门开闭自动控制。在控制部分，存在有用于感受压力的膜合组，内部能过对P2空气压力产生作用，外部可以对P0空气压力产生作用。在达到P2/P0调定值时，膜盒会有所伸长，从而导致薄膜控制腔的泄露口关闭，造成腔内压力升高，活塞腔泄漏口随之关闭。伴随着腔内压力的持续增高，活塞可以对弹簧力进行克服，作用于扇形齿轮使活门关闭。但由于前后进气口与排气口相互影响，膜盒也将受到发动机余温的影响，造成控制计量活门轴向开度不准，进而造成活门提前关闭。因此从总体来看，造车排气量不足和进口温度过高的原因均为排气口与进气口距离过近，从而引发了发动机喘振問题的产生。
3 直升机发动机喘振处理方法
3.1 处理方法
针对直升机发动机喘振原因，还要通过优化改造避免喘振问题的再次发生。首先，需要对发动机主喷管进行修改。原本主喷管为直管，还应改造为偏转角度达到30°的弯管，以便使发动机排气方向有所变化，减少排气口对进气口的影响。其次，需要对排气管切口形状进行修改，通过将其延长120mm和切除出口端弯曲部分减少排气管弯曲角度，从而使排气流动损失得到降低。在此基础上，则可以使排气出口面向机身两侧排气，继而达成减少排气口与进气口相互影响
