W型燃气涡轮起动机性能不达标问题研究

W型燃气涡轮起动机性能不达标问题研究

陈雪 刘萌 伍小连 陈凯

湖南南方通用航空发动机有限公司 湖南省株洲市 412002

摘要：W型燃气涡轮起动机是一种带动力涡轮的小型涡轴发动机。该型起动机在厂内试车时连续出现燃气涡轮转子转速超标、大发冷运转排温高故障。围绕该故障，从分析起动机结构着手，在深入研究燃气涡轮转子转速影响规律和排气温度影响规律的基础上，通过运用燃气涡轮/动力涡轮导向器匹配、机械法截尾缘等技术，结合压气机结构改进等，经多次整机试验、验证后，从根本上解决该型起动机燃气涡轮转子转速超标、大发冷运转排温高等性能不达标问题。

关键词：燃气涡轮起动机；燃气涡轮/动力涡轮导向器；机械法截尾缘；燃气涡轮转子转速超标；大发冷运转排温高

1. 概述

2017年以来，W型燃气涡轮起动机试车时连续出现燃气涡轮转子转速超标（以下简称“超转”）、大发冷运转排温高（以下简称“超温”）故障。该类故障机往期一般处理方式是将起动机分解排故，更换燃气涡轮涡轮导向器（以下简称“燃导”）、动力涡轮导向器（以下简称“动导”）且增加附加试车，若转工抛修燃导、动导，严重延误生产周期，导致排故周期长，严重影响生产交付。

2. 起动机功能与结构

W型起动机是一种带自由涡轮的小型涡轴发动机，在结构上分为两个单元体，即燃气发生器单元体和动力输出单元体。

3. 燃气涡轮转子转速影响规律研究

超转是发动机整机系统性故障。相对一般故障而言，分析和排除此故障需要掌握更全面、更系统的知识，涉及专业领域较广。本文，通过采取光顺气流通道、燃气/动力涡轮导向器排气面积的匹配调整、提高动力涡轮单元体部件效率等方法，目前，已掌握了W型起动机燃气涡轮转子转速的影响规律。

4. 排气温度影响规律研究

利用不同环境温度下起动机大发冷运转的排气温度等有关性能参数，采用离散法分析燃导K值、动导K值分别与起动机大发冷运转排气温度的一次线性变化规律。

5. 燃气涡轮/动力涡轮导向器匹配、调整技术

涡轮导向器面积匹配调整是航空发动机性能调整的一项重要技术手段。实际应用表明，采用导向器面积分组的方式能够满足性能调整的需求，避免因采用调整叶片安装角的方式造成叶片基体裂纹：

采用上述分组方法，保证起动机性能指标均符合设计规定，一次试车性能合格率达95%以上。

6. 压气机结构改进

在维持涡轮进口折合流量基本不变的前提下提升压气机效率、增大压气机进气流量和压比，可通过提高压气机技术参数实现起动机排气温度的下降。

7. 机械法截尾缘的精准运用

为解决W型燃气涡轮起动机大发冷转状态条件下排气温度高的问题，经分析和验证，调整导向器流通能力能有效改善起动机的性能。经工艺试验，可采取截尾缘的方法，调整导向器K值。但在对燃气涡轮导向器采用机械法截尾缘时对截断量的控制尤为重要，如果截断量太少，不能达到增加流通面积作用，排气温度高问题难以解决；如果截断量过大，可能因流通面积过大导致起动机燃气涡轮转子转速超标。在截尾缘过程原来是通过分多次截断后再根据水流试验控制进一步截断量，转工次数多，对起动机交付周期影响大。通过大量数据积累，摸索出对燃气涡轮导向器所截尾缘量与燃气涡轮转子转速关系，工艺方法如下：

a）采用抛修或机械加工（铣削）的方法截短尾缘（叶型截短量：燃导不超过2.5mm，动导不超过4mm），截短后应进行荧光检查,且叶片与内外环应圆滑转接；

b）截短后的涡轮导向器机匣按技术文件进行流通能力检验；

c）叶片截短后不必重新补渗铝；

d）叶片截短后，抛修排气边叶盆和叶背处棱角使其圆滑过渡，抛修叶片与外环和内环连接处，使其圆滑连接。

图3 动导优化打磨示意图

8. 原因分析

综上，通过对起动机结构分析，以及起动机燃气涡轮转子转速、起动机大发冷运转排气温度影响规律研究确定了影响起动机性能的关键因素，主要与流道件（离心叶轮、扩压器、燃导、动导等）导通面积相互配合有极大关系，故而采取针对性措施，包括：压气机部件结构改进、导向器导通面积分组、导向器机械法截尾缘等，经长试考核等确定了以上措施的有效性，从根本上解决了燃气涡轮转子转速超标、起动机大发冷运转排气温度超标故障。

9. 结论

W型燃气涡轮起动机超温超转排除工艺方法，能够解决问题的角度出发，通过分析起动机结构、并层层分解、查找故障根源。本文通过大量的零件尺寸测量、部件试验、整机试车等验证和排除工作，找出了影响超温超转的主要影响因素；针对根源和主要影响因素采取相应措施后，顺利排除了超温超转故障，彻底解决了该系列起动机批生产和科研交付技术瓶颈。

参考文献

[1]刘大响 叶培梁 胡骏等 编著.《航空燃气涡轮发动机稳定性设计与评定技术》〔M〕北京：航空工业出版社 2004.

[2]廉筱纯 吴虎 编著.《航空发动机原理》〔M〕西安：西北工业大学出版社 2006.

[3]秦鹏译 编著.《轴流式压气机气动设计》〔M〕北京：国防工业出版社 1975.

[4]刘长福 邓明 编著.《航空发动机结构分析》〔M〕西安：西北工业大学出版社 2006.

作者简介：陈雪（1987-11），女，汉族，籍贯：湖南省岳阳市，当前职务：技术质量主管，当前职称：助工，学历：本科，研究方向：航空发动机技术质量控制

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