張帆 李俊杰 劉高尚 唐建根 張國紅

摘要：針對某型航空發(fā)動機加力接通延遲故障，根據發(fā)動機加力狀態(tài)控制計劃和調節(jié)規(guī)律，建立了以“加力接通延遲”為頂事件的故障樹與故障處理流程圖進行排故，有效提高了排故效率和試車合格率。

關鍵詞：航空發(fā)動機；加力接通延遲；故障樹；故障處理流程圖

Keywords：aero-engine；afterburner power-on delay；fault tree；fault handling flow chart

0 引言

某型航空發(fā)動機為模擬電子—機械液壓控制的軍用雙轉子加力渦輪風扇發(fā)動機。受噴口喉道面積與加力供油量匹配性影響，該型發(fā)動機接通加力的控制規(guī)律復雜，燃燒條件惡劣，涉及因素較多，使用過程中燃油控制系統(tǒng)故障頻發(fā)，廠內試車以及外場多次發(fā)生加力接通延遲問題。

為了準確定位該型發(fā)動機加力控制系統(tǒng)的故障點，本文研究了加力接通過程中加力燃油系統(tǒng)工作的原理，建立以“加力接通延遲”為頂事件的故障樹，通過故障樹與排故流程圖方法逐級進行故障排查，可以高效準確地對故障進行定位和處理。

1 發(fā)動機加力接通延遲定義與加力燃油系統(tǒng)工作原理

航空發(fā)動機加力接通延遲問題的定義是：飛機在起飛線快推油門桿起飛或在空中飛行推油門桿進入加力域時，發(fā)動機按給定程序接通加力，但接通時間超出技術要求，從加力接通信號出現至接通加力狀態(tài)的時間過長。技術要求為：單發(fā)加力接通時間小于4.75s，或者雙發(fā)加力接通時間差小于2s。

某型航空發(fā)動機加力燃油系統(tǒng)原理圖如圖1所示。發(fā)動機油門桿推到加力域任意位置，液壓延遲器活塞桿上的襯套隨油門桿下移，同時帶動加力泵接通活門下移，關閉加力泵活塞左腔的回油路，使加力泵開始向加力燃油系統(tǒng)供油。燃油壓力信號器向發(fā)動機綜合調節(jié)器發(fā)出“已向加力燃燒室輸油”的信號，發(fā)動機綜調加力控制與信號模塊開始工作，向加力點火裝置發(fā)出信號，使加力燃燒室產生30s的電火花，最小加力電磁活門通電。電磁活門打開定壓油的來油，使頂桿活塞上移到小加力位置。燃油經加力起動輸油圈流入加力燃燒室。

當加力燃燒室內離子火焰探測器檢測到火焰信號后，向發(fā)動機綜調發(fā)出信號，發(fā)動機綜調加力控制與信號模塊發(fā)出指令，液壓延遲器活塞桿上的回油孔重新打開，液壓延遲器活塞下移到油門桿給定的襯套位置。發(fā)動機的加力狀態(tài)與油門桿位置相對應。根據上述工作原理分析，當加力起動油壓低、點火系統(tǒng)故障、加力輸油圈霧化情況、液壓延遲器調整不當、指令油壓力低、液壓放大器調整不當等原因均會引起發(fā)動機加力接通延遲。

2 加力接通延遲故障樹的建立

良好的加速性是航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的重要性能指標之一，同時也影響整機的最大推力。加力接通時間延遲可能導致飛行員對發(fā)動機加力接通狀態(tài)判斷失誤，尤其在起飛階段，可能導致飛行員誤以為飛機加力接不通將油門桿拉回，使飛機中斷起飛后滑回跑道，影響飛行安全。而發(fā)動機加力接通延遲故障的廠內試車與外場可調整手段和措施有限，現有的故障處理模式效率較低，無法根本解決該問題。

航空發(fā)動機加力控制系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)。加力燃燒室由于風速高、壓力低，點火條件惡劣。加力點火涉及的部附件有噴口加力調節(jié)器、綜合調節(jié)器、噴口油源泵、離子火焰探測器、加力燃油分配器等。通過對加力燃燒室以及加力燃油調節(jié)系統(tǒng)結構和工作原理進行分析，決定采用故障樹的方法來解決這個問題。

選定加力燃油調節(jié)系統(tǒng)“發(fā)動機加力接通延遲”故障作為故障樹的頂事件。從這一頂事件出發(fā)，先找出直接導致事件發(fā)生的各種可能因素或因素組合，再找出這些因素的直接因素，逐級向下深入，一直追溯到不需要繼續(xù)分析的底事件為止，如圖2、圖3所示。

3 加力接通延遲臺架試車以及外場典型故障分析

3.1 由離子火焰探測器故障引起的加力接通延遲

某次發(fā)動機臺架試車，在檢驗試車第五階段檢查過渡態(tài)加減速性能。接通小加力狀態(tài)時，慢車到最大狀態(tài)加力接通時間長，發(fā)動機接通加力時間延遲。檢查臺架線纜與數采系統(tǒng)，發(fā)現試車設備狀況正常。檢查發(fā)動機試車曲線，查看接通狀態(tài)試車參數，發(fā)現從中間狀態(tài)接通到加力狀態(tài)時，快推油門桿，加力接通時間延遲5s。其他試車參數正常，離子火焰探測器的電流值在50～200μA之間大幅跳動。

按照故障樹與排故流程圖逐級進行排查，檢查離子火焰探測器與綜調連接線纜，檢查加力點火裝置與點火電嘴安裝狀況，更換綜調后再次試車，故障依舊。更換離子火焰探測器后，發(fā)動機再次試車，進入小加力狀態(tài)后各狀態(tài)參數良好，慢車到最大狀態(tài)，檢查發(fā)動機過渡態(tài)時加力接通時間正常，從中間狀態(tài)進入最大狀態(tài)時加力接通時間在合格范圍內，加力接通延遲故障排除。

該類故障為臺架試車典型故障，主要是由于離子火焰探測器靈敏度差，或離子火焰探測器失效進而不能有效感受到加力燃燒室點火狀態(tài)，延遲發(fā)送信號導致綜調判斷發(fā)動機加力接通狀態(tài)延遲。離子火焰探測器故障還可能導致加力接通狀態(tài)加力信號燈閃爍、進入小加力接通狀態(tài)I左、I右電流值不合格以及加力接不通等加力系統(tǒng)故障。

3.2 由供氣系統(tǒng)故障引起的加力接通延遲

某次發(fā)動機臺架試車在附加試車檢查過渡態(tài)加減速性能時，發(fā)現加力接通時間超過規(guī)定上線，離子火焰探測器檢測電流值I左、I右正常。檢查發(fā)動機N2R轉速、油門桿、噴口位置，均在合格范圍內。檢查加力供油，發(fā)現燃油流量比R1、Ri、Ro值位于合格范圍下線，隨后調整加力I區(qū)燃油調整釘Ф15，發(fā)現R1、Ri、Ro無明顯變化，調整P31′′調整供油量，變化量較小。檢查過渡態(tài)加速性時接通延遲依舊。

按故障樹與排故流程圖逐級進行排查，初步斷定為空氣系統(tǒng)故障。檢查臺架空氣減壓過濾器以及連接氣管，清洗后安裝檢查氣密性，合格后再次進行試車。進入小加力狀態(tài)后各個狀態(tài)參數良好，慢車到最大狀態(tài)檢查發(fā)動機過渡態(tài)時加力接通時間正常，從中間狀態(tài)進入小加力狀態(tài)加力接通時間在合格范圍內，加力接通延遲故障排除。

供氣系統(tǒng)異常主要表現在當調整發(fā)動機加力系統(tǒng)供油量或調整幾何通道時試車參數變化不明顯或無變化。這種情況下，在試車排故過程中應著重檢查供氣管路以及空氣過濾減壓器。供氣管路需進行檢查與清洗，或更換供氣管路、空氣過濾減壓器。供氣系統(tǒng)故障還可能導致加力燃油供油量發(fā)生壓力波動或油氣匹配性差，導致發(fā)動機試車推力性能不合格。

3.3 由加力燃油系統(tǒng)性能調整時起動輸油圈I區(qū)燃油供油量與落壓比調整的油氣匹配性引起的加力接通延遲

某次外場飛機地面試車時，6次進入加力狀態(tài)中的3次左發(fā)加力接通時間長，加力信號延遲5s，加力I區(qū)油壓為1.7MPa，高壓壓氣機后P31壓力為1.8MPa，噴口閉環(huán)值為2.6。查看故障試車曲線，發(fā)現當油門桿快推進入加力域時加力信號延遲5s，噴口受落壓比控制響應速度延遲約5s，試車曲線如圖4所示。

外場初步故障會診認為，該發(fā)動機中間狀態(tài)下受綜調N2限制，外場工作時間已使用至后期，壓氣機工作效率偏低，進入加力燃燒室的供氣量偏低，油氣比不匹配導致加力接通延遲。由于壓氣機工作效率較低，導致高壓壓氣機P31供氣壓力偏低，進而導致噴口加力調節(jié)器落壓比控制器薄膜上腔壓力偏低，薄膜向上彎曲，拉簧使杠桿反時針轉動，擋板活門開大，噴口開大，低壓渦輪后P6壓力減少，使落壓比按調節(jié)計劃Πt=f（T1）控制噴口截面積保持渦輪后落壓比不變。在中間狀態(tài)噴口偏大，不利于發(fā)動機接通加力狀態(tài)。由于壓氣機工作效率較低，導致高壓壓氣機P31供氣壓力偏低，進而導致進入加調擺差活門的壓力偏低，加力起動I區(qū)壓力偏低，發(fā)動機接通加力延遲。

檢查發(fā)動機艙、噴口—加力調節(jié)器、輸油圈和供壓導管，無燃油滲漏。檢查預燃區(qū)離子火焰探測器與火焰穩(wěn)定器的具體方位與方向，更換離子火焰探測器后，地面試車良好。飛機在地面起飛過程的飛行參數良好，飛機返回后檢查飛行參數，發(fā)現空中接通加力時加力接通延遲4s。再一次地面試車，檢查占空比S1，符合技術要求。之后，通過P1調整釘將α2開度調大一個刻度，對發(fā)動機空氣過濾減壓器噴口閉環(huán)值進行調整。通過P31′調整噴口閉環(huán)值刻度，將中間狀態(tài)閉環(huán)前后的噴口閉環(huán)值調整至2.4，進一步地面試車，發(fā)現延遲時間保持在2.5s。進一步調整Ф15加力I區(qū)調整釘，將加力I區(qū)油壓調整至2.2MPa，地面試車良好。之后進行了多架次飛行，加力接通延遲情況不再復現，飛行狀況恢復正常。

對此次故障進行原因分析發(fā)現，離子火焰探測器長時間使用后可能表面產生積炭，導致靈敏度降低，通過優(yōu)化點火時刻的油氣比，調整中間狀態(tài)噴口閉環(huán)值刻度，有利于發(fā)動機接通加力。加力I區(qū)起動供油量與噴口落壓比調整的油氣匹配性影響加力接通時間。受空中飛行包線的影響，發(fā)動機加力接通過程相對于低空或地面試車時更加困難，外場通過更換離子火焰探測器，調整位置尺寸與發(fā)動機油氣比性能，可以有效解決一般性的發(fā)動機加力接通延遲問題。

4 總結與應用

影響加力接通延遲的因素具有多樣性，離子火焰探測器安裝位置、燃油噴嘴偏轉角度、噴口落壓比等均會影響加力接通延遲時間。此外，車臺臺架與飛機線纜故障、α1與α2角度和加力供油量等也會影響加力接通延遲，一般情況下貧油不利于點火。

遇到此類故障時，應初步檢查發(fā)動機試車參數與飛參曲線，檢查臺架或發(fā)動機艙、噴口加力調節(jié)器、輸油圈和供壓導管有無燃油滲漏。檢查預燃區(qū)離子火焰探測器與火焰穩(wěn)定器的具體方位與方向，必要時可更換離子火焰探測器或進將內外涵離子火焰?zhèn)鞲衅靼惭b位置的互換。對點火環(huán)境的檢查調整為檢查發(fā)動機綜合電子調節(jié)器自檢加力點火系統(tǒng)，檢查發(fā)動機加速性和“中間”以上占空比S1，如不符合要求，則需進行調整。將噴口加力調節(jié)器C23節(jié)流器流通量調小，減緩液壓延遲器的響應速度，尾噴管喉道直徑增大速度減慢，有助于加力點火。將噴口加力調節(jié)器Ф25節(jié)流器流通量調小，提高加力供油三級指令油壓的建立速度，同時也有助于加力點火。調整α2開度，適當調大α2角度，調整發(fā)動機空氣過濾減壓器噴口閉環(huán)值以及通過Ф15調整釘調整加力I區(qū)起動油壓也有助于減少加力接通延遲時間。

上述通過故障樹以及流程圖逐級排故的方法，可以快速準確地進行故障定位。對2019～2020年廠內試車與外場使用情況進行統(tǒng)計對比，對于加力接通延遲單一故障，該方法平均節(jié)約40%的發(fā)動機排故時間，使發(fā)動機試車合格率提升30%，有效提高了排故效率和試車合格率。

參考文獻

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