王永華，孫 濤，張 赟，王 琳

(海軍航空大學 航空基礎學院，山東 煙臺 264001)

某型航空發(fā)動機作為直升機的動力裝置，在飛行訓練和使用過程中頻繁發(fā)生起動系統(tǒng)故障，這些故障造成了起飛任務不成功、停飛等問題，對飛行安全產(chǎn)生了重要影響，極大地影響了飛行訓練計劃。由于發(fā)動機起動不成功故障原因多，機務人員依據(jù)飛參測量的外場監(jiān)控參數(shù)主要有燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速、排氣溫度、滑油壓力、滑油溫度等，這些參數(shù)難以與發(fā)動機起動系統(tǒng)建立直接的故障關(guān)聯(lián)，而對于與起動系統(tǒng)故障有關(guān)的燃油溫度、燃油壓力等參數(shù)均不在發(fā)動機上測量，顯然飛參參數(shù)不能直接反映發(fā)動機起動不成功的故障原因，無法確定起動系統(tǒng)具體故障部件，因此機務人員難以通過日常維護和使用飛參監(jiān)控進行發(fā)動機起動系統(tǒng)的排故工作。國內(nèi)對發(fā)動機故障的研究大多依據(jù)飛參監(jiān)控參數(shù)建立故障模型，對氣路部件故障研究居多，對于飛參監(jiān)控參數(shù)與燃油溫度、燃油壓差等參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系研究較少[1-2]。

本文通過起動系統(tǒng)故障樹分析，建立了某型發(fā)動機起動系統(tǒng)不成功排故流程，探索了起動不成功故障與監(jiān)控參數(shù)關(guān)聯(lián)性關(guān)系。以燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速上升而排氣溫度不上升的發(fā)動機起動不成功故障作為典型故障進行分析，研究結(jié)果表明燃油壓差參數(shù)對起動系統(tǒng)故障分析和排除具有重要指導作用。

1 起動系統(tǒng)故障統(tǒng)計分析

某型發(fā)動機起動系統(tǒng)的作用是使飛機在地面和空中均能迅速起動。起動系統(tǒng)包括起動點火供油系統(tǒng)、起動點火系統(tǒng)和起動電氣系統(tǒng)三部分，主要包括起動電磁活門、起動放油活門、起動噴嘴、高能點火器、高能電嘴等部件。當發(fā)動機起動時，油門桿、主燃油開關(guān)位于起動位置后，按下起動按鈕，起動機、點火組件和起動電磁活門接通電源。起動機帶動燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子，燃油泵出口壓力增大，當燃油壓力增加到0.12 MPa時，起動放油活門關(guān)閉，停止放油。增壓燃油經(jīng)起動電磁活門、起動噴嘴成霧狀噴入燃燒室。同時，高能點火器工作，半導體電嘴產(chǎn)生電火花，點燃油氣混合氣，起動機停止工作。起動系統(tǒng)工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 起動系統(tǒng)工作原理示意圖

統(tǒng)計分析使用該型發(fā)動機的三個單位在2016—2019年發(fā)生493項發(fā)動機故障事件，對其中發(fā)生的90起地面故障事件進行梳理分析，發(fā)現(xiàn)其中起動系統(tǒng)相關(guān)故障76起，占地面故障事件的84%。在起動系統(tǒng)故障現(xiàn)象中，發(fā)動機起動不成功故障達63起，占起動系統(tǒng)所有故障事件的82.9%，發(fā)動機起動系統(tǒng)其他故障數(shù)量及比例見表1。

表1 起動系統(tǒng)故障現(xiàn)象統(tǒng)計表

通過對63起發(fā)動機起動不成功故障事件分析，可以看出燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速上升而排氣溫度不上升的發(fā)動機起動不成功故障事件發(fā)生次數(shù)最多，達41次。這也與某型發(fā)動機技術(shù)說明書中對起動系統(tǒng)關(guān)于起動機和燃氣發(fā)生器渦輪共同帶動燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子加速階段多發(fā)生起動故障的論述相吻合。因此，本文將燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速Ng上升而排氣溫度T4不上升的發(fā)動機起動不成功故障作為起動系統(tǒng)典型故障進行分析。

2 典型故障分析

2.1 起動不成功故障分析

發(fā)動機起動不成功故障主要可能由發(fā)動機起動系統(tǒng)故障導致，但是當燃油系統(tǒng)故障時(如燃油不足)也會導致起動不成功，但這類故障情況在飛機預先機務準備通電檢查時外場維護人員大多能發(fā)現(xiàn)，因此本文分析發(fā)動機起動不成功故障，忽略由于燃油系統(tǒng)故障導致的起動不成功原因,只對起動系統(tǒng)本身導致故障原因展開詳細分析。某型發(fā)動機起動系統(tǒng)包括起動點火供油系統(tǒng)、起動點火系統(tǒng)和起動電氣系統(tǒng)三個子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)故障均有可能造成該典型故障的產(chǎn)生。分別對三個子系統(tǒng)進行分析，在建立故障樹時不考慮由于人為因素導致的故障，如未將油門桿放于起動位置等。當燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速上升時，可以得出起動機正常帶轉(zhuǎn)。排氣溫度不上升的故障原因為起動過程中未正常燃燒，未正常燃燒可進一步分為未正常點火與未正常供油。結(jié)合使用中的排故實際情況，最后對所有可能造成故障的原因進行分析可以建立起動不成功的故障樹，如圖2所示。

圖2 起動不成功故障樹

2.2 典型排故流程

根據(jù)典型故障建立的故障樹，進行故障排除，具體流程步驟如下。

(1) 確定起動點火系統(tǒng)是否有故障

聽有無點火聲音進行檢查。若無點火聲音，則按維護手冊檢查高能點火器和兩個半導體電嘴是否正常工作。若檢查或更換部件仍無法正常點火，則對電氣系統(tǒng)中高能點火器及兩個半導體電嘴的供電線路進行排故。

(2) 確定是否正常供油

若檢查起動點火系統(tǒng)時有點火聲音，則檢查渦輪機匣漏油活門是否有燃油排出。若無燃油排出，則檢查供油油壓是否正常。若供油油壓低則檢查燃油系統(tǒng)是否正常工作。若供油壓力正常，則對起動電磁活門及噴嘴進行排故。

(3) 確定起動點火供油系統(tǒng)是否故障

若有燃油排出，則供油正常，則對起動點火供油系統(tǒng)中的防止再噴油開關(guān)、起動活門或噴嘴進行檢查。排故流程圖如圖3所示。

圖3 起動不成功排故流程圖

2.3 故障處置

統(tǒng)計分析所有故障事件，可以看出由起動電磁活門故障導致的發(fā)動機起動不成功故障事件達36起。建議起動電磁活門生產(chǎn)廠家對起動電磁活門進行分解分析與工藝優(yōu)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在36起起動電磁活門故障事件中，電磁活門內(nèi)部元件故障較為分散，包括活門卡滯、微動開關(guān)故障、彈簧不復位、膜片故障等，因此廠家在對起動電磁活門進行優(yōu)化設計時，需要著重考慮整體上的設計優(yōu)化，以提高電磁活門的使用壽命。

在設計優(yōu)化落實前，由于起動電磁活門拆卸較為復雜(起動電磁活門需要同放油活門一同卸下)，維護檢查所需步驟與工序較多，因此若安排對電磁活門的定期維護，會對機務人員工作造成額外負擔。因此對電磁活門的維護仍然按照維護規(guī)程進行，但在進行排故時可先判斷是否為起動電磁活門故障(更換電磁活門再進行起動)，以提高排故效率[3-4]。

3 故障與監(jiān)控參數(shù)分析研究

根據(jù)圖2的故障樹，結(jié)合使用過程中實際發(fā)生的排故結(jié)果對所有導致發(fā)動機起動不成功故障的故障部件進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 發(fā)動機起動不成功故障部件統(tǒng)計表

由表2可知，發(fā)動機起動不成功故障多由起動電磁活門故障導致，占該故障的57.1%。但目前外場現(xiàn)有監(jiān)控參數(shù)無法在起動不成功時判斷出起動電磁活門是否有故障，一般采用對高能點火器排故后間接反映起動電磁活門是否故障。這種排故方式效率較低，費時費力，因此分析是否可以通過增加其他監(jiān)控參數(shù)對起動電磁活門的工作狀態(tài)進行監(jiān)控和故障判斷。通過分析確立了監(jiān)測燃油壓差參數(shù)可以準確判斷出起動不成功故障的具體發(fā)生部位和相關(guān)部件。

3.1 發(fā)動機起動系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)研究

目前該型發(fā)動機與燃油系統(tǒng)有關(guān)的監(jiān)控參數(shù)有燃油溫度及燃油壓力，難以準確判斷出發(fā)動機起動不成功故障的故障部件。通過分析起動點火供油系統(tǒng)原理可在起動供油路上測量壓力P1與起動電磁活門后起動噴嘴前壓力P2，安裝燃油壓差表以監(jiān)測ΔP=P1-P2，以對起動系統(tǒng)故障進行監(jiān)控，具體測量點位置如圖4所示。如果在該型發(fā)動機起動系統(tǒng)上增設燃油壓差監(jiān)控參數(shù)，可以通過該參數(shù)最大值、最小值的偏離量以及參數(shù)的變化規(guī)律，對起動系統(tǒng)不成功故障進行準確排故分析和故障部件定位。

圖4 起動點火供油系統(tǒng)

3.2 典型故障監(jiān)控參數(shù)變化規(guī)律

正常起動時，根據(jù)起動供油原理，發(fā)動機起動時燃油經(jīng)增壓泵、燃油調(diào)節(jié)器進入起動點火供油系統(tǒng)。此時P1從0 MPa開始持續(xù)上升至穩(wěn)定狀態(tài)的某一油壓。當P1達到一定值(設為Pmax)時，起動放油活門關(guān)閉，燃油經(jīng)過起動電磁活門進入放油噴嘴，此時P2從0 MPa開始上升直至與P1相等(因管路與活門存在流阻，P2會始終略小于P1，設穩(wěn)定狀態(tài)下P1-P2=Pmin)。因此，當發(fā)動機正常工作時，燃油壓差數(shù)ΔP從0 MPa升至Pmax后再由Pmax降至Pmin，ΔP隨時間變化如圖5所示。

圖5 正常工作時ΔP變化情況

在相同的起動工作時間內(nèi)通過監(jiān)測壓差最大值的偏離量，可以判斷發(fā)動機起動放油活門是否發(fā)生故障。當起動放油活門故障時壓差變化ΔP如圖6所示。

圖6 起動放油活門故障時ΔP變化情況

當在相同的起動工作時間內(nèi)。在供油壓力P1不變的情況下，隨著起動時間的增長，起動噴嘴前壓力P2會隨著起動電磁活門和防止噴油開關(guān)卡滯而偏小，此時導致燃油壓差ΔP偏高。當起動電磁活門和防止噴油開關(guān)卡滯故障時壓差ΔP變化如圖7所示。

圖7 起動電磁活門等故障時ΔP變化情況

在供油壓力P1不變的情況下，隨著起動時間的增長，如果起動噴嘴堵塞會導致起動噴嘴前壓力P2增大，此時導致燃油壓差ΔP偏低。當起動噴嘴堵塞時壓差ΔP變化如圖7所示。在起動過程中，如果供油壓力過低，則會導致燃油壓差ΔP上升緩慢，參數(shù)變化如圖8所示。

圖8 供油壓力低時ΔP變化情況

通過上述分析，起動不成功典型故障通過監(jiān)控燃油壓差參數(shù)可以對部件進行準確定位，典型部件故障和參數(shù)變化如表3所示。

表3 發(fā)動機起動不成功故障與監(jiān)控參數(shù)關(guān)聯(lián)

4 總結(jié)

通過對該型航空發(fā)動機起動系統(tǒng)故障的梳理，分析了起動不成功故障的原因，建立了某型發(fā)動機起動系統(tǒng)不成功排故流程，對導致發(fā)動機起動不成功故障的易發(fā)故障件——起動電磁活門進行重點研究[5-6]，探索了起動不成功故障與監(jiān)控參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過分析，確立了監(jiān)測燃油壓差參數(shù)可以準確判斷出起動不成功故障的具體發(fā)生部位和相關(guān)部件。以燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速Ng上升而排氣溫度T4不上升的發(fā)動機起動不成功故障作為典型故障進行分析，研究結(jié)果表明燃油壓差參數(shù)對起動系統(tǒng)故障分析和排除具有重要指導作用。