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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文TB3-117BM型发动机感温筒漏油导致起动失败的故障分析李卫京 王克峰 单伟忠（陆军航空兵学院机械系发动机教研室，北京，101114）947摘 要: 本文针对一起因感温筒泄漏而导致的TB3-117BM型发动机起动转速悬挂现象，深入分析了温度校正器感温筒的结构组成及工作机理，同时探讨了压气机可转静叶仰角的调节规律及燃气发生器转子转速调节器的控制原理，揭示了该故障发生的原因。关键词: 感温筒 转速悬挂 可转静叶片仰角51 故障现象图1 温度校正器结构图2008年4月陆航某部一架米-17-B5直升机在进行地面试车过程中，左发动机起动正常，在起动右发动机时出现
2、转速悬挂现象,当发动机转速达到60%时，空气起动机断开，但随即发动机转速不上升，低于正常的慢车状态。发动机停车后，机务人员清洗了燃油滤、P2空气滤、空气起动机气滤后，再次起动还是不能进入慢车状态。后来在检查发动机燃油调节器的时候，发现温度校正器感温筒因制造缺陷导致内部充填的石英油完全泄漏，从而使顶杆的伸长量明显缩短。更换温度校正器中的感温筒后，发动机起动正常。2 相关机构工作原理分析造成发动机起动转速悬挂的原因较多，但该故障发生的一个特点是温度校正器感温筒的顶杆伸长量失调。因此，有必要从温度校正器的工作原理来进行分析。2.1 温度校正器的工作原理温度校正器的功用是：第一，根据发动机进口处空气温
3、度校正燃气发生器转子转速调节器的调节，使大气温度在60十5范围内变化时，保持最大状态的恒定功率；第二，校正发动机进口空气温度在60+60范围内变化时的压气机可转静子叶片的迎角。温度校正器由感温筒、感温筒顶杆组件和摇臂系统组成，如图1所示。感温筒是一种充填式温度敏感元件，其结构示意图如图2所示，包括密封外套、波纹管、顶杆和固定座。密封金属外套和波纹管均焊接在固定座上，二者之间充满石英油，波纹管自由端与顶杆固定在一起，当被测介质压气机进口的气体温度改变时，石英油油温也随之改变,因此其体积发生相应的变化，导致作用在波纹管上的压力变化，使波纹管自由端产生向上或向下的位移，从而带动顶杆亦相应地移动，输出
4、位移信号。充填式温度敏感元件工作可靠，但能感受的温度范围较小。图3 压气机可转静子叶片位置调节器1-弹簧 2-摇臂 3-平衡摇臂 4-操纵油压活塞组件 5-弹簧 6-分流活门 7-回输凸轮 8-拉杆 9-压气机可转静止叶片 10-回输杆 11-回输拉杆 12-摇臂连扳 13-液压作动筒图2 感温筒结构示意图感温筒感受温度信号，输出位移信号，位移量通过感温筒顶杆、弹簧和叉形接头及摇臂传递给燃气发生器转速调节器，从而使大气温度在60十5范围内变化时，校正燃气发生器转子转速调节器的调节，保持最大状态的恒定功率；同时，感温筒感受大气温度的变化，输出位移，通过叉形摇臂传递给压气机可转静子叶片调整机构，从
5、而校正发动机进口空气温度在60+60范围内变化时的压气机可转静子叶片的迎角，见图1。所以导致起动过程转速“悬挂”需要从两个方面来进行分析，一是压气机可转静子叶片调节机构的工作机理，二是燃气发生器转速调节器的控制原理。2.2 压气机可转静子叶片调整机构工 作原理压气机可转静子叶片调节机构的作用是根据燃气发生器涡轮转子转速改变压气机可转静子叶片的迎角，以提高压气机效率和防止压气机喘振。该调节机构由液压动作筒、操纵分流活门组件、平衡摇臂组件、操纵油压活塞组件、带终端开关的液压动作筒、温度校正摇臂系统、回输系统、动力操纵摇臂和弹簧等组成。在该机构中，平衡摇臂组件是关键件，它上面作用着两个力矩，即燃气发
6、生器转速操纵油压产生的逆时针力矩和感温筒顶杆通过弹簧产生的顺时针力矩。这两个力矩的大小决定着分油活门的位置。在标准状态下，等发动机转速达到81%时，顺时针力矩和逆时针力矩平衡，此时分油活门处于中立位置，使液压作动筒的左右腔油压相等；而在发动机转速低于81%时，平衡摇臂组件的顺时针力矩大于逆时针力矩，分流活门处于偏左位置，带终端开关的液压作动筒右腔通低压油，左腔通高压油，该作动筒保持在最右端位置，从而使可转静止叶片的迎角保持为最大（27+1.5），此时压气机气流通道的面积最小，又称“完全关闭”；而在发动机转速高于81%时，平衡摇臂组件的逆时针力矩大于顺时针力矩，分流活门处于偏右位置，带终端开关的
7、液压作动筒右腔进高压油，左腔通低压油，该作动筒在油压差作用下逐渐左移，使可转静止叶片的迎角与发动机转速的上升成线性规律的变化，压气机气流通道的面积逐渐开大。当发动机处于最大状态时迎角最小，为（6.50.5），此时压气机气流通道的面积最大，又称“完全打开”，从而保证供油量和供气量基本匹配。图4 TB3-117发动机燃气发生器转速调节器1-操纵弹簧 2-平衡摇臂 3-挡板放油活门 4-叉形摇臂 5-油门摇臂 6-转速调节器凸轮 8-温度补偿器 9-温度校正器 10-离心飞重2.3 燃气发生器转速调节器的控制原理燃气发生器转子转速调节器的功用是按规定的精确度保持发动机的慢车转速和最大转速；在自由涡轮
8、转速调节器不工作时，用发动机操纵手柄调定燃气发生器涡轮转子转速，从而调定发动机的工作状态。图5 慢车状态下发动机转速与外界温度的关系曲线燃气发生器转速调节器的结构如图4所示，由燃气发生器转速传感器、油门摇臂、转速调节器凸轮、叉形摇臂、操纵弹簧、温度补偿器、温度校正器、平衡摇臂和挡板活门等组成。在该机构中，平衡摇臂是个综合受力件，作用于其上的离心飞重的换算离心力、操纵弹簧力以及由感温筒传来的力决定了平衡摇臂的位置转角，决定了挡板活门的开度，也就确定了燃气发生器转速调节器所调定的发动机转速。因此，在其它条件不变时，发动机的慢车转速随环境温度的变化而变化。发动机慢车转速与外界温度的关系曲线如图5所示
9、。3 起动转速悬挂故障机理分析表1 感温筒顶杆输出位移量与环境温度的对应数据记录表环境温度（）5044.537.131.826.217.74.3-9.1-22.2位移量（mm）15.2814.8414.1913.7613.2712.4411.7310.8410.02结合本文开头所述的故障现象进行分析，感温筒中石英油泄漏，导致顶杆输出位移量减小，从而传递出温度降低的信息。顶杆输出位移量与环境温度的关系可以通过做实验得出。将工作情况良好的感温筒置于不同环境温度中，记录顶杆输出位移量数据如表1所示。根据上表数据画出感温筒顶杆输出位移量随环境温度变化的趋势线如图6所示，从该图可知感温筒顶杆输出位移量与
10、环境温度呈线性规律。在故障发动机上测得的泄露了石英油的感温筒顶杆输出位移量为6.32mm。由图6趋势线可知，该位移量对应的环境温度为-67，即由于石英油泄漏，导致感温筒传递给燃气发生器转速调节器和压气机可转静子叶片调整机构的信息为环境温度是-67。图6 感温筒顶杆输出位移量与环境温度的对应关系趋势线从压气机可转静子叶片调整机构工作原理知道，在标准状态下压气机可转静叶开始转动的时机是81%，即当环境温度为15时，由压气机可转静叶控制的气流通道面积开始增大的临界转速是81%。而当环境温度是-67时，临界转速可以通过相似理论计算得出:将具体数据代入上式：得：68.5%即在石英油完全泄漏后，压气机可转
11、静子叶片开始偏转的时机是发动机转速为68.5% 。从而知道发动机转速悬挂在60%时，压气机可转静子叶片调节机构所控制的气流通道仍处于“完全关闭”的最小面积状态，还没有“打开”。所以本文所述故障现象不是压气机可转静叶调节机构动作而造成的。根据图5所示的发动机慢车转速与外界温度的关系曲线，可知在环境温度为-60时，发动机的慢车转速为（5966）%。而由燃气发生器转速调节器的控制机理可知，当感温筒输出杆位移量继续减小，表征环境温度为-67时，发动机的慢车转速将相应的略有下调。由此可知前文所述的发动机起动转速悬挂的原因是燃气发生器转速调节器控制的结果，此时发动机的转速已达到了感温筒所指示的环境温度下的
12、慢车转速，所以不再上升。4 结论温度校正器感温筒输出杆的位移信号同时传递给两个调节机构压气机可转静止叶片调节机构和燃气发生器转速调节器。感温筒中易挥发石英油全部泄漏使输出杆传递出错误信息,即环境温度为-67。在这一温度下，压气机可转静叶调整机构控制的气流通道由“完全关闭”的最小面积到开始打开的临界转速为68.5%，燃气发生器转速调节器所调定的慢车转速为60%。因此，由感温筒泄漏而导致起动转速悬挂的本质原因是燃气发生器转速调节器控制的结果，此时发动机的转速已达到了感温筒所指示的环境温度下的慢车转速，所以起动结束，发动机转速停止上升。参 考 文 献1 韩生寅.涡轴发动机构造学.北京：长城出版社，1
13、999.1 2 TB3-117BM 涡轮轴发动机维护手册,总参陆航部.2005.93 孙健国.现代航空动力装置控制.北京：航空工业出版社，2009.7Analysis for the start failing obstructions caused by the leakage of temperature-sensing cylinder of TB3-117BM turboshaftLI Wei-jing，WANG Ke-feng，SHAN Wei-zhong（Mechanical department of Army Aviation Institute, 101114, Beijin
14、g）Abstract: According to the hang of speed of TB3-117BM turboshaft coursed by failure of temperature-sensing cylinder, this paper proposed the structure and working principle of the temperature-sensing cylinder, and discussed the regulation law of rotational stator vane and control principle of speed regulator of gas generator. In the last, the reason of the fault was reveald.Key words: temperature-sensing cylinder; hang of speed; elevation of rotational stator vane951
