某渦槳發(fā)動機(jī)空中異常順槳故障分析

鐘櫚　黃慶　李慈應(yīng)

【摘? 要】針對某渦槳發(fā)動機(jī)發(fā)生空中順槳故障，對螺旋槳順槳的原理進(jìn)行分析，建立故障樹，通過飛行參數(shù)分析、工業(yè)CT成像檢查、零件分解檢查，故障零件理化分析等，初步確定原因為：反槳連桿碳炭刷組件在螺旋槳進(jìn)行復(fù)裝時安裝錯誤，反饋環(huán)與碳刷組件異常磨損后貝塔活門完全彈出導(dǎo)致。通過對故障原因進(jìn)行分析，準(zhǔn)確定位了故障原因，并通過地面整機(jī)試驗復(fù)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速異常偏高的現(xiàn)象。最后提出改進(jìn)措施，增加對照檢驗要求和慢車槳速異常告警。

【關(guān)鍵詞】渦槳發(fā)動機(jī);順槳;調(diào)速器;貝塔活門;故障

1 故障情況

某型飛機(jī)在轉(zhuǎn)場后進(jìn)行了螺旋槳復(fù)裝，在復(fù)裝后進(jìn)行第二次飛行時，爬升過程中出現(xiàn)螺旋槳空中順槳，飛機(jī)應(yīng)急返航。

飛參數(shù)據(jù)如圖1所示，爬升過程中在無任何操作指令的情況下螺旋槳轉(zhuǎn)速突然下降，5秒內(nèi)螺旋槳轉(zhuǎn)速由100%下降至40%，燃?xì)獍l(fā)生器的轉(zhuǎn)速保持在100%不變，發(fā)動機(jī)輸出扭矩上升60%，燃?xì)鉁u輪后溫度T4.5上升約20℃，發(fā)動機(jī)滑油壓力由0.31Mpa上升至0.33MPa。

從數(shù)據(jù)上分析，螺旋槳轉(zhuǎn)速突然下降后，燃?xì)獍l(fā)生器的轉(zhuǎn)速依然保持在100%，表明燃?xì)獍l(fā)生器發(fā)出的功保持不變，輸出軸的轉(zhuǎn)速降低所以扭矩增大;自由渦輪與螺旋槳機(jī)械連接，順槳后轉(zhuǎn)速一同降低，致使發(fā)動機(jī)空氣流量減少，發(fā)動機(jī)T4.5溫度升高;滑油壓力上升表明滑油系統(tǒng)某處的用油量減少。

發(fā)動機(jī)在地面試車慢車時，進(jìn)行順槳的操作發(fā)動機(jī)參數(shù)變化情況如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)其參數(shù)變化與事故架次的發(fā)動機(jī)參數(shù)變化趨勢一致，據(jù)此判斷螺旋槳異常進(jìn)入順槳狀態(tài)。

2螺旋槳順槳原理

3故障樹分析

3.1故障樹

根據(jù)螺旋槳工作原理，以螺旋槳異常順槳為頂事件建立故障樹，排查螺旋槳順槳的原因。

3.2底事件排除

1）若調(diào)速器輸入軸驅(qū)動失效，發(fā)動機(jī)驅(qū)動力無法傳遞到調(diào)速器，調(diào)速器齒輪泵無法為滑油加壓，螺旋槳控制油路油壓將持續(xù)減小，則螺旋槳在順槳彈簧力和槳葉配重離心力的作用下變大距至低轉(zhuǎn)速或順槳狀態(tài)。若調(diào)速器閥套外部花鍵失效，齒輪泵亦無法對滑油加壓，后果與輸入軸失效一致。經(jīng)現(xiàn)場實物檢查，調(diào)速器輸入軸、閥套外部花鍵和齒輪完好，轉(zhuǎn)動靈活，底事件X1、X2可以排除。

2）若選速手柄因某些原因異?；氐搅阄唬鶕?jù)前述第一種順槳原理，螺旋槳將進(jìn)入順槳狀態(tài)。查飛行指令系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)操縱機(jī)構(gòu)的連接情況，未發(fā)現(xiàn)異常情況，底事件X3可以排除。

3）若調(diào)速器彈簧失效，彈力變小，離心力將大于彈簧力，先導(dǎo)活門上移，將槳缸內(nèi)控制油路接回油，油壓持續(xù)下降，螺旋槳槳速減小或順槳。軸承失效后同樣導(dǎo)致彈簧彈力變小，后果與上述彈簧失效一致。經(jīng)調(diào)速器分解檢查，彈簧、軸承完好，底事件X4、X5可排除。

4）若調(diào)速器異物卡滯，如異物將先導(dǎo)活門卡滯在螺旋槳控制油路與回油路接通位置，螺旋槳腔油壓持續(xù)下降，槳速將降低直至順槳。經(jīng)對調(diào)速器進(jìn)行CT檢查，先導(dǎo)活門位于正常位置，分解檢查無異物卡滯，底事件X6可排除。

5）若貝塔活門完全彈出，活門將切斷來油，同時將螺旋槳槳缸內(nèi)的滑油快速從活門另一端泄出，螺旋槳進(jìn)入順槳狀態(tài)。反槳杠桿上的碳塊組件安裝位置異常或限位壓桿脫落，均會導(dǎo)致貝塔活門完全彈出。如圖5所示，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)碳塊支架與反槳杠桿已分離（且未找到碳塊組件及碳塊支架實物），與反槳杠桿相連接的碳塊支架銷軸端頭出現(xiàn)嚴(yán)重異常磨損，反饋環(huán)靠發(fā)動機(jī)側(cè)約有1/2圓周長斷裂，經(jīng)理化分析掉塊的斷口為疲勞斷口。底事件X7不能排除。

6）若螺旋槳控制油路泄油或限速器泄油，槳缸內(nèi)的滑油直接泄去，槳速下降，但由于調(diào)速器的目標(biāo)轉(zhuǎn)速不變，將增加通往槳缸的滑油供給量，因此發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)滑油用量增加，滑油壓力下降。此次故障出現(xiàn)順槳時滑油壓力出現(xiàn)明顯上升，與上述故障時參數(shù)的變化不符。據(jù)此可排除螺旋槳控制油路泄油的兩個底事件X8、X9，限速器泄油的三個底事件X10、X11、X12。

綜上所述，除底事件X7無法排除外，其他底事件均可排除。

4故障原因分析

通過故障樹分析，初步判斷螺旋槳異常順槳的原因為貝塔活門完全彈出。

下面分析貝塔活門的位置對螺旋槳槳速的影響。初始安裝時需將貝塔活門向里壓縮，使得貝塔活門到先導(dǎo)活門油路處于通路狀態(tài)。發(fā)動機(jī)起動至慢車后，選速桿置于最大位置，調(diào)速器打開先導(dǎo)活門將高壓油注入槳缸，由于發(fā)動機(jī)功率較低，槳距將持續(xù)減小并達(dá)到設(shè)定的最小值，此時伺服活塞向右運動接觸到貝塔螺母帶動反饋環(huán)向右運動，反饋環(huán)帶動貝塔活門右移減少注入的滑油壓力，這樣貝塔活門保持在一個平衡位置，維持了槳缸中恒定的滑油壓力從而保證槳葉角處于最小槳距狀態(tài)。貝塔活門的初始安裝位置關(guān)系到螺旋槳達(dá)到的最小槳距，當(dāng)貝塔活門向左側(cè)壓縮偏多時，槳距要變得更低才能將貝塔活門移動到平衡位置，因此慢車槳速高;反之則最小槳距值變高（慢車槳速低）。

復(fù)查故障發(fā)生前所有慢車轉(zhuǎn)速下的螺旋槳慢車轉(zhuǎn)速如表1所示，5次慢車轉(zhuǎn)速下的螺旋槳轉(zhuǎn)速越來越高，說明貝塔活門的初始位置出現(xiàn)了偏移，向左側(cè)移動導(dǎo)致。

如果碳刷未正確安裝至反饋環(huán)內(nèi)，而是被壓在減速器機(jī)匣和反饋環(huán)之間，此時貝塔的活門的位置和正常安裝時貝塔活門的位置相差不大，所以螺旋槳拆裝前后慢車螺旋槳槳速僅略有增加。發(fā)動機(jī)開車后，碳刷與反饋環(huán)、減速器機(jī)匣開始與進(jìn)行異常碰磨，此時反饋環(huán)、碳刷、貝塔活門仍可繼續(xù)執(zhí)行其控制功能，且反饋環(huán)向前擠壓碳刷，隨著碳刷越磨越薄，貝塔活門的壓縮量增大，導(dǎo)致復(fù)裝后4次慢車槳速逐漸升高。在反饋環(huán)將碳刷及碳刷支架磨損殆盡之后，反饋環(huán)和碳刷完全脫開，反槳杠桿失去約束，貝塔活門完全彈出，造成螺旋槳順槳。

5 故障復(fù)現(xiàn)

根據(jù)上述分析，進(jìn)行了在不同貝塔活門壓縮量的發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗。試驗數(shù)據(jù)如表2所示，隨著貝塔活門壓縮增加，慢車槳速成呈逐漸上升狀態(tài)，驗證了上述分析理論。

由于整機(jī)貝塔活門彈出試驗存在風(fēng)險，在調(diào)速器模式試驗臺上，人工將貝塔活門彈出測量模擬腔的滑油壓力。試驗結(jié)果顯示，調(diào)速器模擬工作時將貝塔活門彈出腔壓迅速降為零。

6改進(jìn)措施

針對故障發(fā)生故障的原因，提出兩點改進(jìn)措施：

1）增加維護(hù)后的圖片對比檢驗要求，確保碳刷、限位桿安裝正確;

2）增加慢車槳速異常告警邏輯，慢車槳速超過限制值時，則進(jìn)行告警。

7 結(jié)束語

1）順槳故障原因為炭塊組件在螺旋槳進(jìn)行復(fù)裝時安裝錯位，反饋環(huán)與碳刷組件異常磨損后貝塔活門完全彈出，槳缸內(nèi)的滑油全部泄出所致;

2）不同的順槳模式的發(fā)動機(jī)滑油壓力變化是不同，可據(jù)此初步判定順槳故障方向;

3）貝塔活門的初始安裝位置與慢車槳速相關(guān)，壓縮量越多槳速越高。