某型航空发动机常见T45温度异常故障分析

某型航空发动机常见 T45温度异常故障分析

李瑞敏 朱林 张震

中国航发南方工业有限公司 湖南株洲 412002

摘要：某型航空发动机使用中多次出现T45温度异常现象，该现象可能由发动机性能下降、燃油流量控制异常、温度指示异常等多种因素造成，排查难度较大，影响发动机使用。本文基于航空发动机涡轮工作、T45温度测量与匹配等原理，利用故障树的方法，分析影响发动机T45温度的常见故障部位及表现形式，总结了排故的方法和流程，提高工作效率。在控制系统故障诊断不准确、不稳定时，T45温度异常问题的排除方法和经验也可作为发动机电子控制器故障诊断的补充，对同类故障的排除有一定的参考价值。

关键词：发动机、电子控制器、T45温度、故障树

1. 概述

燃气涡轮出口温度（T45温度）是航空发动机运行的一个关键热力学参数,用于监控发动机性能,参与发动机状态控制，某型发动机的T45温度测量与指示系统由热电偶、T45匹配盒、电缆、电子控制器构成，发动机在使用过程中多次出现T45温度异常但控制系统未报故或故障告警不及时、不稳定的现象, 后期发现是发动机燃气涡轮叶片热腐蚀或热电偶、匹配盒故障。本文从航空发动机涡轮工作、T45温度测量与匹配等原理出发,总结排除T45温度异常故障的方法和流程，提高排故效率。在控制系统故障诊断不准确，不稳定时，应重视T45温度数据变化，异常时查明原因，及时处理，排除故障隐患。

2. T45温度测量原理

2.1 热电偶测温原理

热电偶是利用两种导体的热电效应制作成的一种传感器，组成热电偶的两种导体称为热电极，测温点称为工作端（热端），另一端为自由端（冷端），利用热端和冷端之间的温度差所产生的热电势的关系可以求出被测处的温度值，如图1所示，当两节点的温度为T和T₀时，回路中的热电势 为：

……………………（1）

T₀

B

2.2 冷端温度补偿

7个打孔节点

A

T₀

显示仪表

T

Ra

B

Rb

T₀

图1 热电偶测温原理图 图2 匹配电路原理图

2.3 匹配盒电阻匹配原理

热电偶经过冷端温度补偿修正后可以测量燃气涡轮出口温度T45，由于每台发动机的个体差异，T45温度相同时，燃气涡轮进口温度T41不同，发动机使用过程中直接对实测T45温度进行限制，不能完全发挥每台发动机的性能。

为使T45指示温度与发动机关键性能参数T41之间具有相同的关系，需要通过匹配盒对T45测量值进行温度匹配，电子控制器可以通过限制匹配后的温度充分发挥发动机的使用潜能，使T41温度达到允许使用的最大值，匹配算法见式2、3、4，匹配电路原理如图2所示， A、B分别为斜率修正系数和零位修正系数，发动机试车确定修正系数后对匹配盒电路板进行打孔，断路不同的打孔节点得到不同电阻的和值即为Ra、Rb的阻值。

……………………（2）

…………………………（3）

………………………（4）

2.4 T45温度测量与指示系统工作过程

发动机T45温度测量与指示系统结构如图3所示，8支热电偶探针均匀分布在涡轮机匣后部圆周上，每支探针上有2个完全相同的热电偶,每个热电偶与另外7支探针上的1个热电偶并联,8个热电偶一组测量平均温度,分别经过匹配计算后输入电子控制器中用于发动机指示与控制。

8支热电偶探针

指示匹配电阻

电子控制器

电缆

T45控制

匹配盒

控制匹配电阻

T45指示

图3 T45测量与指示系统结构图

3. T45温度异常故障的常见原因

3.1 热电偶故障

当输入指示系统的某个热电偶线路断裂后，无法输出温差电动势，T45测量值低于实际温度，由于式2中 大于0，此时T45温度指示应低于正常值。

3.2 匹配电阻变化

匹配盒中匹配电阻值Ra或Rb在使用过程中发生变化，如高温滑油进入匹配盒内部造成两个匹配电阻值短期内增大，或对匹配盒印刷电路板打孔时操作不当，根据式2、3、4，T45指示温度变化与Ra和Rb呈正相关。

3.3 冷端温度补偿系统故障

电子控制器内冷端温度修正值与T45指示温度变化呈正相关。

3.4 燃气涡轮叶片异常

燃气涡轮叶片异常通常表现在叶尖磨损、热腐蚀、掉块等方面，导致发动机性能衰减，主要机理为：涡轮与机匣的间隙增大，流动损失增加，燃气涡轮出口气流可用功增大，同转速下发动机功率升高，为维持动力涡轮转速恒定，发动机转速降低，根据双发匹配原理，控制系统控制该发燃油流量增加，燃气涡轮进口温度T41上升，T45指示温度也随之上升。

4. 故障实例

发动机使用过程中多次出现T45温度异常但控制系统未报故或故障诊断不稳定的现象，实际故障原因主要集中在热电偶故障、匹配盒电阻变化、燃气涡轮叶片热腐蚀等方面，下面分别举例说明。

4.1 T45温度指示波动

某台发动机地面开车至地慢稳定后，出现几次T45温度值在540℃到460℃波动现象，发动机状态增大后，现象消失，询问该发近期工作状态，维护人员反映地面通电过程中控制系统偶尔报“T45原始故障”，断电重启后故障消失，误认为线路接触不良，未引起重视。

T45温度出现波动，说明发动机T45温度指示异常，现场计算匹配盒阻值，更换不对发动机匹配温度产生较大影响的匹配盒开车试验仍有温度波动现象，可排除匹配盒电阻变化影响。初步判断为热电偶故障，随即检查热电偶，发现11点钟方向（从后往前观察）热电偶断裂在卡箍中，处于虚接状态（图4），导致两组信号中分别仅有7个热电偶探针输出温差信号，指示系统中，T45温度指示值向下波动，在控制系统中表现为“T45原始故障”。

4.2 匹配盒阻值变化

某台发动机工作过程中，T45温度比另一发高70℃，控制系统未报故，测量匹配盒指示匹配电阻Ra=4016Ω，Rb=8430Ω，对比发动机出厂值Ra相同，Rb为5210Ω。根据式1、3计算，随着Rb值的增大，相同测量温度的情况下，T45温度值指示值应升高63℃，考虑双发本来的温度差异，计算结果与实际故障现象相符，拆下T45匹配盒检查电路板状态，发现Rb电阻的2号节点经过补焊处理(图5)，前期使用正常，阻值符合出厂要求，在发动机后期使用过程中，焊点失效，节点断路，电阻增大。

4.3 燃气涡轮叶片热腐蚀

某台发动机分解时发现整盘燃气涡轮叶片排气边、叶尖存在不同程度的热腐蚀掉块,使用过程中T45温度偏高，发动机分解前进行了性能试车，与新机出厂时相比，在相同的性能验收点，T41温度升高88℃。对该地区所有同型发动机燃气涡轮叶片进行内窥镜检查，抽取燃气涡轮叶片热腐蚀情况不同的发动机进行了性能试车，结果如表1所示：

表1 温度变化表

以上结果说明发动机燃气涡轮叶片热腐蚀掉块严重后会导致发动机性能衰减，直接表现为T45指示温度升高,发动机性能恶化，可通过内窥镜检查燃气涡轮叶片及发动机健康状态检查监控发动机状态。

此节点为错误打孔

操作后，重新补焊

重新进行了补焊处理

图4热电偶断裂处 图5 焊点失效位置

5. 结论

发动机使用过程中，应重视T45指示温度变化，不能过度依赖控制系统的故障诊断，数据异常时查明原因，排除故障隐患。

T45温度异常升高时，可以通过测量T45匹配盒匹配电阻，内窥镜检查发动机燃气涡轮叶片或进行发动机健康状态检查来初步判断数据变化原因采取对应措施；温度异常降低时，首先验证匹配盒匹配电阻、热电偶是否正常；排除热电偶故障、匹配电阻变化及燃气涡轮叶片异常的情况后，可以通过更换电子控制器来验证冷端温度补偿系统是否正常。

参考文献

[1] 航空燃气轮机原理.彭泽琰,刘刚,桂幸民,黄勇.国防工业出版社,2008.

[2] 航空发动机试车台热电偶测温的实现方法.饶芊芊.工程与试验( VOL.60NO.1 V219）.

[3] 某型航空发动机培训手册.中国航发南方工业有限公司，2016.

[4] 某型航空发动机安装手册.中国航发南方工业有限公司，2016.

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