周燕，王曦，姜曉峰，徐剛剛

(1.西安航空動力控制科技有限公司，西安710077；2.中國人民解放軍駐一一三廠軍事代表室，西安710077)

航空發(fā)動機噴口收放異常故障診斷與分析

周燕1，王曦2，姜曉峰1，徐剛剛1

(1.西安航空動力控制科技有限公司，西安710077；2.中國人民解放軍駐一一三廠軍事代表室，西安710077)

航空發(fā)動機使用過程中出現(xiàn)噴口收放異常故障現(xiàn)象，通過現(xiàn)場排故及測得數(shù)據(jù)分析，得出噴口收放異常是由于指令壓力低所致。為此，建立以指令壓力低為頂事件的故障樹，從頂事件出發(fā)找出直接導致頂事件發(fā)生的各種可能因素。然后再找出這些因素的直接原因，并逐級向下深入，一直追溯到引起系統(tǒng)發(fā)生故障的全部原因。逐一排除，最終認定噴口收放異常故障是由于燃油增壓泵花鍵磨禿導致燃油增壓泵失效引起。更換燃油增壓泵，故障排除。

航空發(fā)動機；自動控制系統(tǒng)；噴口收放異常；排故；指令壓力；故障樹；頂事件

1 引言

某型航空發(fā)動機在使用過程中，出現(xiàn)噴口收放異常故障現(xiàn)象，即收噴口時發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2= 90%(指標規(guī)定(79±2)%)，放噴口時n2=81%(指標規(guī)定≥74%)，收放噴口轉(zhuǎn)速差為9%。現(xiàn)場首先通過調(diào)整慢車域控制活門調(diào)整釘C35，無法使噴口收放正常。后又監(jiān)測指令壓力，n2=72%時指令壓力為0.75 MPa(經(jīng)驗值應為1.00 MPa)，n2=80%時指令壓力為0.80 MPa(經(jīng)驗值應為1.10 MPa)，實測指令壓力均低于經(jīng)驗值。通過反復調(diào)整指令壓力調(diào)整釘，指令壓力始終偏低，故障無法排除。

為此，本文通過對該故障建立以指令壓力低為頂事件的故障樹，按照該故障樹對該型發(fā)動機噴口收放異常故障進行深入分析，查找故障原因，提出排除故障措施。

2 航空發(fā)動機噴口收放功能機理分析

該型航空發(fā)動機實現(xiàn)噴口收放功能的主要部件，包括指令壓力活門、n2指令形成器活塞桿、慢車域控制活門、噴口控制活門及定壓活門。

發(fā)動機噴口收放功能工作原理如圖1所示：發(fā)動機工作時，n2指令形成器活塞桿移動，壓緊或放松彈簧1，彈簧力經(jīng)杠桿傳遞給指令壓力活門的頂針，頂針帶動指令壓力活門移動，改變定壓油通往回油腔的流通面積形成指令壓力pKOM，該指令壓力通往噴口加力調(diào)節(jié)器上的慢車域控制活門。慢車域控制活門根據(jù)指令壓力信號，在n2=(79±2)%時，打開通往噴口關(guān)斷活門的油路，將定壓油引至噴口控制活門控制腔，活門移動，打開噴口控制活門通往噴口作動筒的高壓油路，控制噴口收縮。當n2降低至74%時，控制噴口放大。噴口收縮和放大，n2的差值要求在3%～7%之間。

圖1 航空發(fā)動機噴口收放功能原理圖Fig.1 The principle of an engine nozzle control

3 噴口收放異常故障樹的建立

根據(jù)上述分析可知，造成噴口收放異常的故障原因可能有兩方面：一方面是指令壓力不正常，導致噴口未按要求收放；另一方面是慢車域控制活門卡滯，導致噴口無法正常收放。根據(jù)前期的使用及排故情況，慢車域控制活門卡滯的可能性被排除，故噴口收放異常故障定位為指令壓力偏低，選擇以指令壓力低作為故障樹的頂事件。

根據(jù)噴口收放功能結(jié)構(gòu)和工作原理分析，噴口收放控制系統(tǒng)基本上是一個串聯(lián)系統(tǒng)。結(jié)合發(fā)動機實際工作及排故情況，從頂事件出發(fā)，先找出直接導致頂事件發(fā)生的各種可能因素，再找出這些因素的直接原因，逐級向下深入，一直追溯到引起系統(tǒng)發(fā)生故障的全部原因，直到不需要繼續(xù)分析的底事件為止。把各級事件用相應的邏輯符號連接起來，就建成了一棵以頂事件為根、底事件為葉的故障樹[1-2]。

以噴口收放控制系統(tǒng)原理為基礎(chǔ)，編制噴口收放異常故障樹，如圖2所示。通過本故障樹，對造成指令壓力低的各部件進行分析，查明故障發(fā)生的重要件和關(guān)鍵件[3-5]。

圖2 噴口收放異常故障樹Fig.2 The FTA of abnormal control of an engine nozzle

4 噴口收放異常故障分析

據(jù)故障樹可知，導致指令壓力值偏低包含五個事件，結(jié)合外廠排故、檢查情況，可按故障樹分別對發(fā)動機故障進行初步分析。

4.1 定壓油壓力低

根據(jù)原理圖1，對指令壓力活門建立流量平衡方程：

式中：A1為指令壓力活門與定壓油之間的油嘴面積，A2為指令壓力活門面積，p1為定壓油壓力，p2為回油壓力。

根據(jù)公式(1)可知，指令壓力與定壓油壓力成正比。圖3示出了其他因素不變、n2=80%時指令壓力隨定壓油壓力的變化?？梢?，n2=80%時，定壓油壓力每降低0.10 MPa，指令壓力相應降低0.04 MPa。當定壓油壓力降低至1.60 MPa時，指令壓力會降低至0.82 MPa(含回油壓力)。由于外廠受條件限制，無法測量定壓油壓力，因此不能排除定壓油壓力降低導致指令壓力降低。

圖3 指令壓力隨定壓油壓力的變化(n2=80%)Fig.3 The change of instruction pressure with constant pressure oil

4.2 主燃油泵調(diào)節(jié)器內(nèi)腔回油壓力低

根據(jù)原理分析和公式(1)可知，回油壓力與指令壓力成正比。根據(jù)定壓活門工作原理，定壓活門輸出的定壓油壓力等于彈簧力和回油壓力的總和。因此，回油壓力下降引起的指令壓力變化，還應迭加定壓油壓力下降引起的指令壓力下降值。

同樣以n2=80%為例，根據(jù)公式(1)改變p2(回油壓力最大按0.50 MPa)，p1按相應程度降低，其余條件不變，則指令壓力隨回油壓力變化的計算結(jié)果見圖4?？梢?，回油壓力下降對指令壓力影響很大，回油壓力每降低0.10 MPa，指令壓力也相應降低0.10 MPa。 n2=80%時，如果回油壓力降低至0.20 MPa時，指令壓力會降低至0.80 MPa(含回油壓力)。

圖4 指令壓力隨回油壓力的變化(n2=80%)Fig.4 The change of instruction pressure with returning oil pressure

主燃油泵調(diào)節(jié)器內(nèi)腔回油壓力與發(fā)動機液壓系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，主燃油泵調(diào)節(jié)器內(nèi)腔回油管接頭P28通過管路與燃油增壓泵進口所裝的轉(zhuǎn)接管相連，而該型發(fā)動機的回油均匯集此處，因此主燃油泵調(diào)節(jié)器內(nèi)腔回油壓力與發(fā)動機狀態(tài)息息相關(guān)。若燃油增壓泵失效或管路出現(xiàn)泄流，均會導致主燃油泵調(diào)節(jié)器內(nèi)腔回油壓力降低。設(shè)主燃油泵調(diào)節(jié)器的回油從管接頭P28流到轉(zhuǎn)接管的節(jié)流損失為Δp28，燃油系統(tǒng)的回油從轉(zhuǎn)接管流到燃油增壓泵進口的節(jié)流損失為Δp1，燃油增壓泵進口壓力為p3，則主燃油泵調(diào)節(jié)器內(nèi)腔回油壓力應為：

查詢發(fā)動機試車數(shù)據(jù)可知，發(fā)動機狀態(tài)變化時Δp28基本不變(0.05～0.07 MPa)，p3為0.20 MPa。

由公式(2)可知，Δp1變化時主燃油泵調(diào)節(jié)器殼體內(nèi)腔回油壓力也會相應變化，而Δp1與燃油增壓泵供油量和發(fā)動機燃油消耗量差值有關(guān)。如燃油消耗量小則液壓系統(tǒng)的回油量就大。結(jié)合發(fā)動機實測參數(shù)，發(fā)動機正常工作狀態(tài)下，n2=80%時Δp1≈0.25 MPa。

通過以上分析可知，若燃油增壓泵失效，則燃油增壓泵的供油量與發(fā)動機的燃油消耗量無差值，Δp1會很小(該壓差值的大小取決于齒輪泵前的壓力大小，燃油增壓泵不工作時齒輪泵填充不足，在吸油時會產(chǎn)生負壓)。根據(jù)公式(2)，此時會出現(xiàn)主燃油泵調(diào)節(jié)器回油腔壓力減小，因此不能排除燃油增壓泵失效引起的指令壓力降低。

4.3 n2指令形成器輸出異常

根據(jù)工作原理可知，n2指令形成器按n2信號和發(fā)動機進口溫度t1信號工作，高壓轉(zhuǎn)子通過附件機匣與主燃油泵調(diào)節(jié)器剛性連接，若n2指令形成器出現(xiàn)問題，發(fā)動機將無法起動，因此該項原因可直接排除。

若發(fā)動機進口溫度傳感器發(fā)生異常，可導致指令壓力輸出異常，與此同時由n2指令形成器活塞桿控制的發(fā)動機高、低壓壓氣機進口導向葉片的轉(zhuǎn)角α1、α2也將出現(xiàn)異常。根據(jù)返廠信息和現(xiàn)場排故情況可知，在噴口收放故障發(fā)生時，α1、α2控制規(guī)律正常，因此可排除溫度信號異常。

4.4 指令壓力形成機構(gòu)異常

通過工作原理分析可知，在指令壓力形成機構(gòu)工作時，彈簧1和彈簧2的剛度變化，可以改變指令壓力輸出特性的斜率，指令壓力調(diào)整釘能夠平移指令壓力輸出特性；此外，指令壓力活門組件若存在卡滯現(xiàn)象，也會引起噴口收放異常。根據(jù)外場調(diào)整情況可知，指令壓力調(diào)整釘外擰2圈，指令壓力增加0.10 MPa，與廠內(nèi)調(diào)整經(jīng)驗值一致。因此，可排除彈簧1和彈簧2的剛度變化，同時也排除了指令壓力活門組件卡滯的可能性。

4.5 噴口加力調(diào)節(jié)器指令壓力燃油消耗量大

根據(jù)工作原理和故障樹可知，噴口加力調(diào)節(jié)器殼體指令壓力油路滲漏、慢車域控制活門上的膠圈破損，也會導致指令壓力降低。

首先，外場工作人員在排除發(fā)動機故障時，未發(fā)現(xiàn)相關(guān)管路及殼體有泄漏或滲油現(xiàn)象，因此能排除噴口加力調(diào)節(jié)器殼體指令壓力油路滲漏因素。

其次，根據(jù)慢車域控制活門結(jié)構(gòu)(圖5)可知，如果慢車域控制活門襯套上的膠圈密封失效，指令壓力來油環(huán)槽與去往噴口關(guān)斷活門的環(huán)槽(該環(huán)槽與回油壓力溝通)溝通，則指令壓力建立緩慢，收噴口的轉(zhuǎn)速推遲，放噴口的轉(zhuǎn)速提前，導致發(fā)動機收放噴口的轉(zhuǎn)速差值增大。由于在發(fā)動機故障排故過程中，未檢查噴口加力調(diào)節(jié)器，因此不能排除慢車域控制活門密封圈失效引起指令壓力降低因素。

圖5 慢車域控制活門結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structural diagram of the local domain control valve

5 噴口收放異常故障的排除

根據(jù)上述分析，制定外場排故措施。首先，切斷加力噴口加力調(diào)節(jié)器指令壓力進口油路，測量主燃油泵調(diào)節(jié)器的指令壓力。結(jié)果表明，無論斷開或連接噴口加力調(diào)節(jié)器，指令壓力值均相同，這說明指令壓力偏低與噴口加力調(diào)節(jié)器無關(guān)，排除噴口加力調(diào)節(jié)器上慢車域控制活門密封圈失效的因素。其次，在故障發(fā)動機的燃油增壓泵出口測壓，在n2=72%(慢車)時，壓力為0.09 MPa(正常時壓力約為0.70 MPa)。分解檢查燃油增壓泵后發(fā)現(xiàn)，燃油增壓泵花鍵軸磨禿，燃油增壓泵失效。

由此可以認定，噴口收放異常的故障，是由于燃油增壓泵花鍵磨禿導致燃油增壓泵失效引起。更換燃油增壓泵，故障排除。

6 結(jié)束語

本文應用故障樹的分析方法對某型航空發(fā)動機噴口收放異常故障進行了分析，建立了以指令壓力低為頂事件的故障樹，通過對故障樹定性分析、定量分析，判明了發(fā)動機噴口收放控制系統(tǒng)關(guān)鍵件和重要件，最終找到了噴口收放異常的故障原因并予以了排除。

航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)復雜，涉及的部件多，實際試車過程中一旦發(fā)生故障，很難對故障進行定位。通過故障樹分析法排除可能發(fā)生故障的原因，制定有效的排故方案，可規(guī)避排故的盲目性，對航空發(fā)動機故障診斷和制定排故方案具有指導意義。

[1]史定華.故障樹分析技術(shù)方法和理論[M].北京：北京師范大學出版社，1993：102—145.

[2]毛可久.航空動力裝置控制裝置[M].北京：北京航空學院出版社，1991：76—89.

[3]宋兆鴻.航空發(fā)動機故障分析[M].北京：北京航空學院出版社，1993：245—252.

[4]歐陽軍.發(fā)動機飛調(diào)節(jié)計劃和原理分析[C]//.第十屆發(fā)動機自動控制學術(shù)討論會論文集.西安：中國航空學會發(fā)動機自動控制專業(yè)委員會，2000.

[5]Adibhaita S.Propulsion issues in design of integrated flight and propulsion control system[R].AIAA 94-3610，1994.

Diagnoses and analysis of the failure of an engine nozzle control

ZHOU Yan1，WANG Xi2，JIANG Xiao-feng1，XU Gang-gang1
(1.Xi’an Aero-Engine Controls Company，Xi’an 710077，China；2.The Military Representative Office of PLA Residing in Xi’an 113 Company，Xi’an 710077，China)

The failure of an engine nozzle control appears during the flight training.According to the test data and troubleshooting,it is the low instruction pressure which leads to the fault.The construction of FTA to this failure and the fault diagnosing were implemented.Firstly,the low instruction pressure was considered as the top event.Secondly,all factors which could lead to the top event were listed.Then the direct causes were pointed out.Each level of the fault tree was analyzed until all the factors were cleared out.At last,the solution was worked out and the failure was solved.

aero-engine；automatic control system；abnormal control of nozzle；troubleshooting；instruction pressure；the FTA；top event

V233.7；V263.6

A

1672-2620(2016)06-0034-04

2015-09-09；

2016-12-20

周燕(1980-)，女，四川遂寧人，高級工程師，碩士，研究方向為航空發(fā)動機及自動控制。