某型发动机加力蜂鸣故障分析

摘 要：发动机在加力工作过程中，因加力燃烧室氧气含量低、气流速度大等先天条件限制，容易发生加力蜂鸣故障，对发动机的危害较大。本文从蜂鸣故障发生的机理入手，对某型发动机加力蜂鸣的测量、判别和故障的排除方法等进行了初步分析。

关键词：发动机；加力； 蜂鸣；分析

1 引言

随着航空发动机性能要求的提高，为达到增加推力的目的，往往在发动机主燃烧室之后，增设加力燃烧室，通过二次喷油，利用尾气中的剩余氧气进行燃烧增推。但是，由于受氧气含量低、气流速度大等先天条件限制，加力火焰稳定燃烧条件较差，容易出现燃烧故障，加力蜂鸣就是其中一种难以排除的典型故障。

加力蜂鸣故障实际上就是发动机加力燃烧室在工作过程中因为振荡燃烧而发出的一种噪音。某型发动机的加力燃烧室由于采用直射喷嘴顺喷的方式，燃油的雾化质量较差，当局部燃油过多时会导致富油熄火，未燃的油气混合气在向后流动的过程中，可能被再次点燃，这种熄灭――点燃――熄灭的燃烧过程会引起燃气压力的脉动，发出蜂鸣声。某型发动机在外场使用过程中多次发生加力蜂鸣故障，导致发动机低压涡轮轴承支承整流支板和加力催化点火器损坏，给使用带来了一定的安全隐患。

2 故障模式

发生蜂鸣时，加力燃烧室的主要燃烧形式为振荡燃烧，且可细分为高频、中频和间歇振荡燃烧三种模式，其脉动波形如图1所示。

（1）高频振荡。接通加力后可以听到尖叫声，噪声刺耳，波形有周期性，压力脉动幅度P≥10%P0。P0是加力燃烧室平均工作压力，频率为200～300Hz。高频振荡燃烧虽不至于造成熄火，但可能激起零件或薄壳件的颤振和筒体过热；

（2）中频振荡。接通加力后持续振荡。音调低沉如滚雷，波形有周期性，压力脉动较大，P≥20%P0 。频率在50～200Hz，燃烧不稳定会引起发动机转速波动，加力燃烧室筒体过热，加力推力减小。筒体内的零件可能被震松、变形、震裂乃至掉块，也可能很快熄火，还能激起喷口及筒体颤振；

（3）间歇振荡。接通加力后，无节拍地间歇放炮，可能放几炮后就熄火，破坏性很大，波形周期长短不一，在波峰上重叠有高频增幅的小波动。压力波动很大，P≥（50～100%）P0频率很低，变化不定，每秒几周到十几周。

3 机理分析

某型发动机加力燃烧室由于采用了外函冷空气参与燃烧的技术，为解决低温稳定燃烧问题，采用了三圈蒸发管式火焰稳定器。在工作中，蒸发管中喷射由加力燃调提供的附加燃油，并与引入的少量燃气混合，形成富油混合气，然后经蒸发管喷入V形槽稳定器内，再与V形槽稳定器顶端进气槽孔引入的气体混合，形成可燃混合气，当V形槽内回流区的可燃混合气与V形槽稳定器后的大回流区的燃气相遇，即可点燃稳定燃烧。该型发动机在发展阶段，加力主燃油的分配试验中发现，1号和4号燃油总管的燃油对“蜂鸣”的产生起的作用最大，最后取消了1号总管，代之以催化点火器；4号燃油总管供油量占加力总流量的23%，且离喷管壁较近，压力波撞击喷管壁易引起共鸣，因此对加力燃烧室的隔热屏进行了周向呈波纹状设计，同时减小了4号总管的流量。

发动机加力燃烧稳定工作的条件用公式表示为：

（1）

其中， NT―燃烧稳定性；P―燃气压力；V―气流速度；T―气流温度

（2）

其中，φ―回流区当量比；θ―总的当量比；β1 ―稳定器前的蒸发系数；β2 ―稳定器上的液熵收集系数；β3 ―稳定器上液膜蒸发系数；K ―尾迹回流系数。

理论分析和试验表明：某型发动机加力燃烧室内气流振荡振频为100～120Hz，振幅在1.1磅/平方英寸以下，属于中频振荡燃烧范围。从发动机结构和加力系统控制规律可以看出，某型发动机加力燃烧的影响因素主要有5个方面（关系曲线见图2，影响因素见表1）：①加力供油量；②内外函混合器形状、位置、尾喷管的几何形状，火焰稳定器的形状及位置等；③发动机进气部件；④飞机进气道；⑤尾喷口面积。

其中②、③、④项，在发动机、飞机定型以后，对振荡燃烧的影响就基本确定，①、⑤项为可调且直接影响振荡燃烧的。图2中的纵坐标FR/0.9M8为加力燃烧室油气比，如燃油流量FR大，空气流量M8（喷口面积决定）小，则容易发生富油燃烧而进入蜂鸣区；横坐标PWT/V称为稳定性参数，具体影响因素见表1。

从图2中可以看出：

（1）蜂鸣故障在加力比还比较小的情况下也可能发生；

（2）稳定性参数受唇缘总温T、静压P及流速V的影响较大；

（3）减少燃油流量FR或增大空气流量M8能消除蜂鸣。

4 测量技术

加力振荡燃烧有时很难以人的听觉来判断，发动机燃烧不良时有时也发生低（中）频隆隆噪声。但是，振荡燃烧可以通过测量、判读的方法来确定，技术也不复杂。即：将振荡燃烧指示表、经过滤波器、压力传感器接到发动机排气混合器出口静压测量管上，为避免压力波传递的滞后，金属管的长度规定为1米。输入压力传感器的脉动压力，经过膜盒转变为电的信号，送到紫外线记录仪，在记录纸上绘出脉动压力波形，根据波形的频率和振幅来鉴别故障（见图3）。

4.1 振荡燃烧的检查和测量

当怀疑发动机发生加力蜂鸣故障时，先进行如下工作：

（1）检查发动机低压压气机工作线和低压涡轮出口温度是否偏低；

（2）检查加力燃烧室的各种调整是否准确无误。

如检查未发现问题，将振荡燃烧指示表按图3所示接到发动机静压接头处，并接通压力传感器和紫外线记录仪之间的接线，此传感器在紫外线记录纸上（使用宽度为28cm）对应的压力标准范围为0～28磅/平方英寸。按下列开车程序进行测试：

（1）起动发动机，将油门推到最大不加力状态；

（2）选择加力，将油门杆拉到比出现振荡燃烧蜂鸣状态的推力低500 磅位置，稳定后用紫外线记录仪记录约6秒钟，记录纸的速度为4英寸/秒；

（3）推油门杆直到出现振荡燃烧蜂鸣噪音，稳定后进行紫外线记录；

（4）停车，分析两次紫外线记录结果。

4.2 振荡燃烧的识别

4.2.1 基准波形

在5.1节中，测量低于振荡燃烧状态的推力500磅的紫外线记录，是用作比较基准的基准波形，便于比较振荡燃烧出现前后的波形变化，以便识别振荡燃烧波形的变化规律，其典型波形如图4所示。

4.2.2 蜂鸣波形

当听到加力燃烧室振荡燃烧蜂鸣噪音后，紫外线记录纸上可以记录下两种波形：

（1）当加力燃烧室刚开始出现振荡燃烧的蜂鸣噪声，噪音断续出现，记录波形多变，频率时高时低，表明已到振荡燃烧的边界，波形如图5所示。

（2）当发动机出现剧烈振荡燃烧蜂鸣时，从紫外线记录纸上可以很容易地看出较整齐的频率图形，如图6所示。

5 排故措施

（1）通过调节加力燃油流量调节器齿形垫圈改变凸轮箱操纵杆长度，减小加力供油量，同时检查加力燃油流量调节器的最大止动钉间隙是否在3.43～0.38mm范围内；

（2）检查并调整发动机的高压转子转速调整至96-98%之间，改变激起气流脉动的原始频率；

（3）对低压压气机转子的可见部分进行清洗，保证发动机流量；

（4）清洗加力燃烧室喷嘴；

（5）用外场测试仪检查低压转子工作线和排气温度，必要时重调；

（6）重新调整压比调节器；

（7）重新匹配发动机。

6 小结

从某型发动机加力蜂鸣故障的分析和测试可以看出，控制发动机加力供油量，匹配好油和气的关系，改善加力燃烧室工作条件是控制和消除加力蜂鸣故障的基本措施，从长远来看，在加力燃油系统中采用数字电调技术也是改善油气匹配关系的措施之一。

作者简介：陈代富（1977―），男，四川简阳人，汉，1999年毕业于西北工业大学，主管航空装备质量临督。