武器装备发动机排气温度异常跳变分析与研究

武器装备发动机 排气温度异常跳变分析与研究

孔德良 1 张凯 2

航空工业陕飞 陕西汉中 723000

摘要：依据发动机排气温度系统原理，结合电路实际情况，对武器装备正常运行中出现的排气温度跳变问题进行分析论证，得到了排气温度跳变产生的初步原因，提出了预防措施，并通过实施预防措施，有效降低了排气温度跳变发生的概率。

关键词: 排气温度 跳变 热电偶 告警系统

1. 引言

武器装备采用机电式排气温度表与热电偶构成发动机排气温度指示系统，用于使用者判读排气温度。

发动机排气温度指示系统用以远距测量发动机尾喷口喷出的燃气平均温度，依此判定燃料的燃烧情况，应注意温度表的指示，保持温度在规定的范围内，不能过高或过低，尤其在起动过程中，应特别注意温度表的指示，防止温度过高。

为适应综合显示要求，从武器装备正常运行开始，机电式排气温度表被数字式发动机指示和告警系统代替，武器装备保留了热电偶，作为告警系统采集排气温度的信号输入端口。告警系统拥有自己的处理器和显示器，可以实现对排气温度参数进行采集、处理和显示，同时将信号转发给数据记录系统。

2. 故障描述及分析

武器装备正常运行中，曾发现排气温度出现异常跳变，幅度达100℃左右，出现过两次。随后查看数据记录系统记录的数据，跳变出现多次，幅度最高达100℃，多次在50℃左右，发生正常运行后约2小时后，在某一特定的条件下发生比较频繁，经进一步检查与试验，故障现象未复现。

对数据记录系统记录的发动机相关参数进行综合判读，判定发动机排气温度跳变非发动机真实的排气温度显示；检查发动机主滑油油虑、中后轴承回油虑、进气道、涡轮第三级工作叶片、排气段，未见异常；使用内窥镜检查进气导向器叶片、压气机第一级工作叶片、压气机第十级工作叶片、燃烧室、涡轮第一级工作叶片，未见异常。

外观检查告警系统显示处理机插孔，通电试车检查告警系统显示处理机性能，情况良好。

外观检查电温调插孔，通电试车检查性能，情况良好。

查看数据记录系统，发动机排气温度显示异常跳变，持续时间为1 s，经初步分析，认为出现这种跳变，是由于干扰信号进入排气温度信号，导致排气温度显示出现跳变。

3. 机理分析

排气温度表是利用测量热电偶受温差所造成的热电动势的原理而工作的。当发动机工作，燃气温度变化时，在热电偶的热端和冷端之间产生热电动势，其大小与热电偶热端和冷端之间的温度差成正比。热电偶是由硅青铜合金和铁镍合金两种材料组成。双金属的工作端插在喷管中感受高温，双金属的非工作端分别接在接线板上，并采用防波导线传输送到温度表。

为测得平均温度，将均布在尾喷管圆周上的4个热电偶串联起来，用一个磁电式毫伏表来测定总电动势；因总电动势和平均温度成正比，所以将此毫伏表上的刻度改为温度后就成为温度表，直接指示出喷管的平均温度。其工作原理见图1。

图1

采用综合显示后，告警系统直接采集热电偶的热端和冷端之间产生热电动势，通过解算，显示出发动机排气温度。

热电偶在100℃以下无电势输出，测温范围为100℃～900℃，常用工作范围为300℃～600℃，正端烧毁温度为1400℃，负端烧毁温度为1200℃。热电偶的温度、毫伏(四根热电偶串联起来的热电势值)对照见表1。

表1 温度、毫伏对照表

4. 故障分析

排气温度的异常跳变，经过分析，建立故障树如下图2：

图2 故障树

依据故障树的分析，故障集为：T1=A1+B1+C1

T：排气温度异常波动

A1：热电偶故障，输出信号异常

B1：排气温度线路故障，信号受到干扰

C1：显示处理机故障

下面针对可能存在故障进行逐一分析：

A1：下表2给处理热电偶失效故障模式，从表2中不难看出，只有当有直流干扰信号进入测量线路或热电极变质，测量端腐蚀严重的情况下才有可能造成输出电压偏高。因此，热电偶故障会导致输出信号异常，该因素不能排除。

表2 热电偶失效故障模式表

将孔探仪从发动机尾喷口伸入至热电偶测温端位置，周向检查4支热电偶测温端整体外形、进出气孔，热电偶无结构失效、异物堵塞等现象；成品从武器装备离位后，检查到其中一件热电偶（103190）内壁有不同于其他位置的白色部位，疑是风沙环境中，有异物进入，在飞行中受振动相互摩擦导致。

对拆下的热电偶进行性能检测及故障排查。具体检查项目及结果如下。

1. 性能检测

对热电偶性能检测项目以及检测结果如下表3。

表3热电偶性能检测项目以及检测结果

2. CT射线检验

对103190号热电偶测温偶头进行CT射线检验，检验位置为热电偶测温端（翻转角度确认成组藕丝所在平面），检查结果如下图所示，测温端偶头一侧偏移，偶头离管咀壁最小距离为0.15 mm。

图3 CT射线检验

3. 振动试验

对测温偶头存在偏移的热电偶按技术条件要求进行振动试验，试验要求见表4，振动方向根据外场实际安装情况确定，试验时对热电偶测温端喷火加热至300℃～600℃。

表4 振动检测要求

对103190号热电偶进行振动试验，振动试验设置如图4所示，用数字多用表监测热电偶输出电压和绝缘电阻（用数字多用表监测偶丝与壳体通断情况）试验过程中未见绝缘电阻有接触壳体跳变情况，试验后检查产品电阻值和绝缘电阻符合要求。

图4

振动检测中，检测到热电偶受振动台干扰，热电偶所带电缆防波套分别对热电偶两个输出端由约1 mv电压，防波套上存在3 mv左右电势。

4. 分解检查

对103190号热电偶进行分解，机械加工方式去除管咀头部，分解情况见图5～图7所示，偶头弯曲方向一侧偶丝为负极硅考铜材料，偶丝表面覆盖较多油污、积碳，测温偶头及偶头弯曲方向壳体表面未见明显磕伤痕迹。

图5 分解图

图6 显微镜观察偶头弯曲方向管咀壳体

图7 显微镜观察测温偶头

对测温偶头和分解后壳体进行超声波清洗，未见明显磕伤。

B1：排气温度线路采用双纽屏蔽导线，导线屏蔽层采用单点接地方式，其屏蔽层接地是否可靠，导线各转接点接触是否可靠，会造成输出信号瞬间抖动。因此，排气温度线路故障，信号受到干扰，该因素不能排除。

检查武器装备排气温度接线柱正、负端导线到告警系统接线模块的绝缘性，导线防波套接地；电温调插头到告警系统接线模块的绝缘性，导线防波套接地，情况均良好。

检查发动机防火墙后发动机巢上臂接线柱到热电偶，接线柱到武器装备外体对接面插头，武器装备外体对接面插头到集成设备架插头，集成设备架插头到告警系统接线模块，告警系统接线模块到告警系统显示处理机插头导线连接连接牢固可靠，进行导通、绝缘测量，情况良好。

采用手拧的方式检查接线盒内接线柱上安装螺母无松动现象，目视检查接线盒内补偿导线与接线柱连接的接线片，接线片平整无油污，导线与接线片压接牢固，导线绝缘层无破损。

C1：告警系统显示处理机对信号进行采集，处理，并将处理后的数据发给液晶显示器进行显示。在数据的采集、处理过程中，两部处理机同时工作，从数据记录系统记录数据可以看出，两部处理机采集的数据一致，都存在跳变现象，并且该现象与用户反映情况一致。初步分析，排气温度跳变，不是告警系统显示处理机导致。因两部处理机可以完全互换，排气温度跳变，是否与告警系统显示处理机有关，需要对告警系统显示处理机返厂进行检测。

告警系统显示处理机返厂检测，两台显示处理机状态一直，常温、高温检测未见异常，参数采集、处理、输出均正常。

5. 结论

通过对热电偶的检查，认为存在疑点的热电偶偶头存在偏移异常，为排气温度跳变产生奠定了基础。热电偶在振动加温检测中，自带防波套出现3 mV电势，经分析及验证，该电势为振动台干扰产生。武器装备电磁环境比振动台产生的电磁环境更为复杂，热电偶自带电缆防波套上产生的电势势必会更高，热电偶偶丝表面覆盖较多油污、积碳，有异物存在，振动中搭接到热电偶壳体，导致聚集在热电偶防波套上的干扰电势进入排气温度信号，致使排气温度显示出现跳变。武器装备复杂的电磁环境是有多个设备共同导致，无法解决。热电偶偶头是装在壳体中，装配后无法观察是否在壳体中心位置，只能通过CT成像观察，并且无法更改。热电偶检查电阻和绝缘性合格及为合格产品。

因此，针对出现排气温度跳变，只能通过清洗热电偶，保持热电偶偶头的清洁，防止在振动中与壳体搭接，减少异常信号的干扰，导致显示排气温度跳变。