某型直升機發(fā)動機異常停車故障分析

劉沖沖，林森什

（中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

發(fā)動機為直升機提供飛行所需的動力，是直升機的核心部件，被稱為直升機的“心臟”[1]。發(fā)動機一旦發(fā)生故障，輕則導(dǎo)致飛行任務(wù)無法完成，重則會導(dǎo)致重大飛行事故。

直升機通常采用渦軸發(fā)動機作為動力裝置。渦軸發(fā)動機通常由進氣道、壓氣機、燃燒室、燃氣渦輪、動力渦輪、減速器等組成[2]。環(huán)境空氣從進氣道進入發(fā)動機，經(jīng)壓氣機壓縮后進入燃燒室與燃油混合燃燒，產(chǎn)生的高溫燃氣驅(qū)動燃氣渦輪和動力渦輪做功。動力渦輪通過減速器驅(qū)動旋翼，進而提供飛行所需的動力。

渦軸發(fā)動機工作原理和機械結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜，故障模式較多。在發(fā)動機所有故障模式中，發(fā)動機停車的后果是非常嚴(yán)重的。發(fā)動機停車后必須立刻進行故障分析，一方面可為解決故障提供指導(dǎo)，另一方面可為其他型號的設(shè)計、排故工作提供參考。

1 故障現(xiàn)象

某型直升機懸停飛行時，在提總距過程中飛行員未做任何發(fā)動機操縱的情況下，2號發(fā)動機燃氣渦輪轉(zhuǎn)速（Ng）、渦輪間溫度（ITT）、扭矩快速下降，報“2號發(fā)動機停車”“2號發(fā)動機燃壓低”“2號發(fā)動機滑壓低”告警。

經(jīng)判讀飛參，2號發(fā)動機停車過程中工作參數(shù)（燃油流量除外）、燃油壓力低告警、滑油壓力低告警、故障字和狀態(tài)字等均與正常停車一致，但是燃油流量存在異常。正常停車燃油流量在Ng下降到一定值時消失，但是本次停車過程中燃油流量在Ng下降到0才消失。

綜上所述，確認故障是2號發(fā)動機異常停車。

2 故障分析

根據(jù)直升機上各系統(tǒng)的故障模式，發(fā)動機異常停車故障樹如圖1所示。

圖1 發(fā)動機異常停車故障樹

吸入阻燃物質(zhì)會使燃燒室熄火導(dǎo)致發(fā)動機異常停車。排故時發(fā)現(xiàn)2號發(fā)動機進氣兜未按圖紙要求開排水孔。故障前一天機場天氣情況為暴雨，導(dǎo)致進氣兜積水約5 kg。直升機配裝的發(fā)動機要求穩(wěn)定工作時進氣含水量不高于λ，飛行中積水被吸入發(fā)動機可能會使燃燒室熄火導(dǎo)致發(fā)動機停車，無法排除底事件X1。

異常吸入固體會導(dǎo)致壓氣機失效使ITT上升，與故障現(xiàn)象不符，可排除底事件X2；進氣畸變會導(dǎo)致Ng波動、ITT異常升高，與故障現(xiàn)象不符，可排除底事件X3；現(xiàn)場檢測燃油品質(zhì)為5級，可排除底事件X4；異常停車前未報燃壓低告警，進行了燃油管路檢查、油箱增壓泵檢查、通氣孔檢查及氣密性試驗，地面試車發(fā)動機工作正常，可排除底事件X5;檢查未發(fā)現(xiàn)異常防火斷油，可排除底事件X6。

異常停車時PMS開關(guān)在“飛行”位置未變化，可排除底事件X7；飛行中未報“油門偏”告警，可排除底事件X8；異常停車后燃油流量一直存在，發(fā)動機吸油未中斷，表明未發(fā)生線路故障和機械故障，可排除底事件X9、X10；檢查燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子未發(fā)生卡滯，可排除底事件X11；機匣破裂和燃氣渦輪破裂會導(dǎo)致停車前Ng持續(xù)波動，與故障現(xiàn)象不符，可排除底事件X12、X13。

綜上所述，發(fā)動機異常停車的原因是吸入阻燃物質(zhì)。

3 故障機理

3.1 故障前發(fā)動機進氣含水量分析

某型直升機配裝的發(fā)動機要求穩(wěn)定工作時進氣含水量不高于λ。地面開車標(biāo)定了進氣兜積水5 kg時發(fā)動機在不同工作狀態(tài)的進氣含水量。由于進氣兜水面距離發(fā)動機進口92.1 mm，試驗測得地慢狀態(tài)和飛慢狀態(tài)進氣含水量遠小于λ，因此故障前發(fā)動機可以正常工作。

3.2 提距過程中進氣兜水面運動模擬

發(fā)動機停車前13 s內(nèi)直升機俯角變化如圖2所示。懸停飛行提距過程中，直升機俯仰角迅速增大。發(fā)動機停車前13 s內(nèi)直升機俯仰角由0.3°增大至4.1°，尤其在發(fā)動機停車前2 s，直升機俯仰角由1.1°增大到4.1°。當(dāng)直升機俯仰角為4.1°時，水面與發(fā)動機進氣口靜態(tài)距離縮小了11.6 mm，水面距離發(fā)動機進氣口僅80.5 mm，水更容易被吸入發(fā)動機。

圖2 發(fā)動機停車前13 s內(nèi)直升機俯仰角變化

為進一步研究發(fā)動機異常的故障機理，需分析直升機俯仰角增大過程中進氣兜內(nèi)水面的運動過程?？紤]到飛行安全和試驗條件的限制，采用FLOW-3D進行數(shù)值仿真，模擬發(fā)動機異常停車前13 s進氣兜內(nèi)水面運動過程。FLOW-3D采用Tru VOF方法對流體界面進行三維重構(gòu)，模擬自由液面的運動[3]?？紤]到水是不可壓縮流體，采用RNG方法應(yīng)用于Navier-Stokes方程作為控制方程，采用有限差分法進行求解。

不考慮發(fā)動機狀態(tài)，2號發(fā)動機異常停車前13 s和2號發(fā)動機異常停車時刻水面運動如圖3和圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，2號發(fā)動機異常停車時刻水面劇烈震蕩，進氣兜內(nèi)部分水脫離水面甚至可能被甩出進氣兜進入發(fā)動機。

圖3 2號發(fā)動機停車前13 s進氣兜水面運動圖

圖4 2號發(fā)動機異常停車時刻進氣兜水面運動圖

3.3 發(fā)動機停車故障復(fù)現(xiàn)

為進一步確認發(fā)動機異常停車的原因，本文進行了故障復(fù)現(xiàn)試驗。由于真實復(fù)現(xiàn)起飛過程中2號發(fā)動機異常停車存在較大風(fēng)險，以地面試驗作為故障復(fù)現(xiàn)的依據(jù)。

第1次試驗?zāi)M進氣兜積水5 kg。2號發(fā)動機PMS開關(guān)從“停車”撥到“地慢”，2 min后從“停車”撥到“飛行”，3 min后直升機提距。試驗過程中發(fā)動機正常工作，故障未復(fù)現(xiàn)。雖然進氣兜積水量和故障當(dāng)天一致，但是直升機俯仰角沒有變化，所以進氣含水量低于規(guī)定值λ，發(fā)動機沒有停車。

第2次試驗?zāi)M進氣兜積水12 kg。2號發(fā)動機PMS開關(guān)從“地慢”撥到“飛行”，9 s后ITT溫度不穩(wěn)定，表明發(fā)動機燃燒室已經(jīng)熄火。第2次試驗2號發(fā)動機停車前Ng、ITT上升比1、3號發(fā)動機慢，扭矩上升比1、3號發(fā)動機快，與故障當(dāng)天現(xiàn)象相符。

上述理論分析、數(shù)值仿真、地面試驗表明，直升機提距過程中發(fā)動機吸入雨水導(dǎo)致進氣含水量大于λ是導(dǎo)致發(fā)動機異常停車的原因。

4 整改措施

為解決本次發(fā)動機異常停車故障，按照圖紙補開了進氣兜排水孔。后續(xù)進行多次試飛行驗證，2號發(fā)動機無異常，故障未復(fù)現(xiàn)。為防止類似故障發(fā)生，在本型號直升機和新研直升機維護手冊中增加了進氣兜排水孔應(yīng)無堵塞的檢查要求。

5 結(jié)論

本文針對某型直升機懸停飛行過程中發(fā)動機異常停車問題，利用故障樹、理論分析、數(shù)值仿真和地面試驗分析器故障原因和機理。通過分析，可以得到以下結(jié)論。

（1）本次發(fā)動機異常停車故障是進氣兜積累雨水導(dǎo)致進氣含水量高于發(fā)動機規(guī)定值λ導(dǎo)致的。

（2）針對本次發(fā)動機異常停車，可通過在進氣兜補開排水口解決，試飛結(jié)果也表明措施有效。

（3）本文對排查發(fā)動機異常停車故障有指導(dǎo)意義，也對新研直升機進氣系統(tǒng)設(shè)計有一定的借鑒意義。