普惠PW127F型发动机裕度衰退故障分析

john1980 · 发表于 2010-7-30 20:40:26

普惠PW127F型发动机裕度衰退故障分析
　　PW127F发动机是加拿大普惠公司针对螺旋桨飞机设计的PW100系列的发动机之一。两级自由涡轮通过减速齿轮箱驱动螺旋桨旋转，保证高低压转子以较高的转速旋转而螺旋桨以较低的转速稳定的工作；产生足够的拉力。PW127F发动机的核心机结构简单、尺寸小、重量轻、单级增压比高，产生的推力小等特点。因此发动机的监控，是保障发动机正常运行的重要手段，发动机的裕度监控就是温度的监控，PW127F发动机裕度监控是由ITT（T6）来完成，因此ITT温度是发动机重要性能参数。通常ITT温度高，裕度下降是由控制系统、指示/传感器系统、冷部件以及热部件的故障或结构损伤造成的。
一、控制系统、指示系统及传感器系统对ITT裕度的影响分析
　　1、指示系统对ITT裕度的影响
　　指示系统通过数字和指针指示ITT温度值，系统将热电偶传来的温度经过配平电阻补偿再和一个热电偶串联，正确地指示出ITT温度。如果指针或表故障，指示系统将指示一个错误的ITT温度值。
　　2、传感器对ITT裕度的影响
　　PW127F发动机测量的是发动机六号站位处ITT温度值，即两级功率涡轮间的温度。测量温度的传感器元件是热电偶，9个热电偶分别测量发动机的6站位温度，并联在一起；再串联一个配平电阻和一个热电偶，接在指示器两端构成完整回路。其中串联的配平电阻和热电偶补偿ITT温度，得到以海平面的标准大气压为基准的准确温度值。由于ITT温度的变化反映了发动机性能的变化。因此ITT是PW127F发动机中一个非常重要的监控参数。
　　如果9个并联热电偶中，有一个故障的话，对ITT温度有影响，影响较小，ECTM曲线变化不明显；但如果配平电阻或串联热电偶故障，对ITT裕度影响非常大，ITT温度曲线发生明显突变，裕度明显衰退。
　　3、控制系统对ITT裕度的影响
　　PW127F发动机核心控制部件是EEC（ENGINE ELECTRONIC CONTROL），EEC是单通道数字式的发动机电控组件。EEC对ITT裕度的影响就是调节和控制供到发动机燃油流量的变化。
　　EEC、燃调及流量传感器配合计量，提供足够多的燃油到发动机，控制发动机工作在稳定的状态下。在30%NH转速以下，燃调控制燃油流量；在30%NH转速以上时，发动机各种工作状态下的燃油流量控制都是由EEC完成，EEC通过对燃调内步进马达的控制，实现对燃油流量的精确控制，节省燃油。因此EEC故障或燃调故障，均可造成向发动机供过多燃油，余气系数小于1，产生富油/过热现象，ITT超温，裕度下降。
二、发动机冷部件对ITT裕度的影响分析
　　在冷部件中造成ITT超温的部件有低压压气机和高压压气机，以及放气活门及相关管路漏气。
　　1、低压/高压压气机的叶片脏
　　造成压气机叶片脏的原因很多，主要是由于硫化、灰尘、积炭以及粘附的盐分，及其它污物。
　　低压压气机、高压压气机分别由低压涡轮和高压涡轮驱动，都是离心式压气机，依靠扩散增压和离心增压的原理对空气增压，形成高压空气，向燃烧室提供高压空气。压气机叶片脏，造成增压通道面积减少，空气流量相应减少，流速发生变化，均会造成ITT温度升高。堵塞的面积越大，对发动机ITT裕度的影响越大。
　　2、低压/高压压气机的叶片损伤或叶片与罩环之间漏气
　　低压/高压压气机在相同工作环境下，如果压气机叶片损伤，叶片对空气作功能力下降，，产生的空气量会相应的减少，ITT温度相应升高，作功能力越低，ITT温度越高，甚至发生发动机喘振。同理，叶片与罩环之间漏气，供向燃烧室的空气量减少，余气系数减小，ITT温度升高，裕度减小。
　　3、放气活门或空气相关导管漏气
　　发动机的喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频率、高振幅的振荡现象，PW127F发动机防喘措施采用中间级放气。
　　放气活门是防喘机构中的重要部件，由EEC控制活门的开或关，保证发动机工作在稳定状态。如果放气活门故障在常开位，在起动阶段，工作正常。当工作在巡航阶段，经过低压压气机压缩的空气大量通过放气活门排入大气，供向燃烧室的空气量减少很多，ITT温度很快升高，裕度明显下降，发动机效率明显降低；如果放气活门故障在常关位，在巡航阶段，发动机工作正常，但当发动机工作在起动阶段或大功率的增速，减速，由于放气活门无法正常打开，空气流在压气机部分发生低频率高振幅的振荡，发动机喘振，到达燃烧室的气流非常少，余气系数远小于1，ITT超温严重，甚至发生严重不良后果。
　　发动机空气系统的相关管路如果漏气，产生的故障现象/故障原理与放气活门故障在常开位类似，都会使发动机效率下降，ITT温度升高，裕度下降。同时，发动机空气系统也是造成ITT裕度衰退的主要故障之一。
三、发动机热部件对ITT裕度的影响分析
　　对ITT温度产生影响的热部件有：燃烧室、涡轮导向叶片、高/低压涡轮。
　　1、燃烧室喷嘴位置及进气孔堵塞的影响
　　PW127F发动机采用环型回流式燃烧室，结构简单、点火性能好、总压损失较小、可控制燃气温度分布，极大缩小了燃烧室的面积且节约了发动机的重量。由压气机来的空气分两股进入燃烧室，第一股空气（约占25%总空气量）与燃油混合，形成余气系数略小于1的混合气，保证燃气充分、稳定燃烧。第二股从侧壁上的小孔或缝隙中进入燃烧室（约占75%总空气量），与未完全燃烧的燃气补充燃烧，同时降低燃气温度，控制燃烧室出口的温度分布。如果喷嘴安装不正确或喷嘴孔发生积碳、锈蚀使喷嘴孔径发生变化，使喷射角变化或雾化质量不良，都会造成局部富油，不仅燃烧室局部过热受损，而且会造成ITT温度超温，裕度下降。
　　如果燃烧室进气孔堵塞或其他原因使进入燃烧室的空气少的话，都会使气流发生变化，余气系数减少较多，造成富油现象，因此ITT温度明显超温，裕度发生突变。
　　2、涡轮导向叶片对ITT裕度的影响
　　第一级涡轮导向叶片处的温度是发动机温度最高的地方，也是叶片最易发生裂纹、烧蚀的地方。涡轮导向叶片的构型直接影响高温高压燃气的流动方向以及轴向流动速度。燃气方向、速度的变化导致高/低压涡轮作功能力下降，高温高压燃气未充分膨胀作功，6站位的ITT温度明显上升，裕度下降。
　　3、高/低压涡轮对ITT裕度的影响
　　高温高压燃气在涡轮叶片间膨胀，对外作功，将热能转化为机械能，带动压气机和其他附件高速旋转。高/低压涡轮常见故障是裂纹，会造成高/低压涡轮的作功能力下降，造成ITT温度升高，裕度下降。其次，涡轮间隙的变化，对ITT裕度影响也很明显，涡轮的径向间隙略有增加，涡轮效率明显减小，燃油耗量明显增大，同时ITT明显增加，裕度明显下降。
四、总结
　　影响发动机ITT裕度衰退的因素很多，有控制系统、指示系统及传感器系统、发动机冷部件、发动机热部件等。一般随着这些系统某些故障的出现，ITT均有不同程度的升高，这些变化可以在ECTM监控曲线中表现出来。如果发现ITT裕度发生突变，可以结合NL、NH、WF、FF等因素的变化综合判断，找到故障源。而大多数故障不能直接判断，建议由简到繁、由大到小的顺序进行，先检查由指示系统、控制系统、传感器，是指示错误，还是EEC逻辑故障，还是传感器故障造成的，然后检查空气系统、是否管路漏气，是否放气活门故障；最后再确定是否是由热部件或冷部件造成的故障，结合孔探，最终找到故障源，确定排故方案。