金 帥，武曉龍，李焦宇，楊 光

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，遼寧沈陽 110015；2.海裝沈陽局駐沈陽地區(qū)某軍事代表室，遼寧沈陽 110015）

0 引言

航空發(fā)動機安全可靠快速起動是其主要性能表現(xiàn)之一，同時也是保證飛機安全飛行的前提條件，它直接影響飛機緊急出動的出勤率。

目前，針對起動性能及供油規(guī)律，已開展了充分的分析研究。郭海紅[1]、邢洋等[2]研究了非標準大氣條件和高溫條件對航空發(fā)動機地面起動性能影響；劉磊[3]對發(fā)動機地面和高空的起動特點分別開展了分析；王兆銘等[4-5]分別研究了高原和空中供油規(guī)律；李大為等[6]根據(jù)高原環(huán)境對發(fā)動機起動過程的影響進行理論分析，提出了優(yōu)化高原起動措施，并進行了高原試驗驗證，得出各措施對起動過程的影響程度；邊家亮、邢洋、姜新瑞等[7-9]研究了起動機功率、起動機脫開轉(zhuǎn)速及起動供油邏輯對起動性能的影響。喬洪信、祁新杰、屠秋野、樊丁等[10-13]通過數(shù)值模擬方法分析發(fā)動機起動變化規(guī)律。

針對起動過程的典型故障，側(cè)重于性能對發(fā)動機的影響研究：王曉剛等[14]針對某型飛機發(fā)動機故障，提出了該型發(fā)動機故障的邏輯診斷方法，建立了邏輯診斷的數(shù)值理論模型；李峰等[15]針對起動過程重復(fù)性差和不穩(wěn)定的問題，設(shè)計了基于轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)控制算法，并對所設(shè)計的控制器進行半物理模擬試驗驗證；馬燕榮等[16]分析了空中起動排氣溫度過高、熱懸掛等故障原因；彭學(xué)輝等[17]針對一起起動時間過長、起動溫度過高的故障特例進行了故障排查和原因分析，并提出預(yù)防該型發(fā)動機出現(xiàn)起動性能故障的措施；秦海勤等[18]在對某型航空發(fā)動機起動過程工作原理分析的基礎(chǔ)上，對該發(fā)動機不同類型的起動超溫故障機理、故障發(fā)生時機、故障特征以及可能存在的故障原因進行了研究分析。

某航空渦扇發(fā)動機起動過程中，采用轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制，當(dāng)起動過程中出現(xiàn)喘振、熱懸掛、失速等起動異常情況時，控制器能自動識別并處理，以保證發(fā)動機成功起動。

相較于機械液壓控制的發(fā)動機，該型發(fā)動機可以根據(jù)實際轉(zhuǎn)速上升率與給定轉(zhuǎn)速上升率的差異自動調(diào)整供油量，能夠避免由于環(huán)境溫度、海拔高度等因素變化給發(fā)動機起動性能帶來的影響，大幅提升了發(fā)動機起動性能和起動成功率。然而，在外場使用時，該型發(fā)動機在起動過程中卻頻繁出現(xiàn)熱懸掛故障。因此，分析其起動過程中出現(xiàn)熱懸掛故障原因并提出解決措施，對提高發(fā)動機的起動性能和起動成功率，具有重要意義。

1 故障現(xiàn)象

某型渦扇發(fā)動機外場使用過程中，頻繁發(fā)生起動熱懸掛故障。研究分析發(fā)現(xiàn)，故障主要發(fā)生在發(fā)動機冷態(tài)起動過程中，控制器判斷發(fā)動機起動過程發(fā)生熱懸掛故障，根據(jù)控制邏輯執(zhí)行切油和再次點火起動的動作，保證發(fā)動機起動成功。

熱懸掛切油轉(zhuǎn)速主要集中在高壓換算轉(zhuǎn)速n2r=0.47、0.56、0.66 轉(zhuǎn)速附近，起動過程排氣溫度T6峰值未見異常。故障現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 故障現(xiàn)象Fig.1 Failure phenomenon

2 控制原理

由于某型電調(diào)發(fā)動機起動過程采用全程閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，起動過程由控制邏輯主控，機械液壓系統(tǒng)起到執(zhí)行機構(gòu)的作用。因此，通過研究其控制邏輯，便可分析定位其起動異常原因。

2.1 起動控制邏輯

某型電調(diào)發(fā)動機起動控制邏輯，如圖2所示。

圖2 起動控制邏輯Fig.2 Control logic in the starting process

2.2 熱懸掛控制邏輯

2.2.1 熱懸掛判據(jù)

1）排氣溫度T6無故障；

2）點火成功后延遲tdy（點火延遲時間）；

3）2）項滿足后且T6斜率≥1 855，持續(xù)t＞tT6p（T6判據(jù)時間）；

4）在0.28 ≤n2r≤0.85 范圍內(nèi)，P31斜率小于下表1中要求。

表1 發(fā)動機熱懸掛判斷表Tab.1 Hot suspension judgment table

上述4個條件的關(guān)系為：1）and 2）and 3）or 4）。

出現(xiàn)滿足排氣溫度T6斜率異常條件的熱懸掛切油以及恢復(fù)供油后tT6p內(nèi)仍繼續(xù)判斷，但不處理；

出現(xiàn)滿足壓氣機出口壓力P31斜率異常條件的熱懸掛切油以及恢復(fù)供油后tP31p（P31判據(jù)時間）內(nèi)仍繼續(xù)判斷，但不處理。

表1中，P31斜率=(P31-i-P31-(i-1))(n2r-i-n2r-(i-1))。

2.2.2 熱懸掛執(zhí)行邏輯

地面起動出現(xiàn)熱懸掛時，需要先切油，然后持續(xù)tds（點火信號持續(xù)輸出時間）輸出點火信號，在此期間，若退出起動控制，則取消，然后按照點火供油和轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)供油2個階段來恢復(fù)供油。

切油時，發(fā)動機停止供油，主供油完全關(guān)閉，主回油完全打開。若發(fā)生熱懸掛時，n2r＞0.85，則切油tdq（大狀態(tài)切油時間），否則切油txq（小狀態(tài)切油時間）。

切油后點火供油按以下公式控制：

式（1）中：kinit=0.85 ，為初始供油量調(diào)整系數(shù)；kmax=1.2，為迭代上限；kslope=0.1，為迭代系數(shù)。

3 原因分析

通過研究分析多組熱懸掛故障的數(shù)據(jù)，并對比了多臺無故障發(fā)動機的起動數(shù)據(jù)，根據(jù)起動控制邏輯和熱懸掛控制邏輯，可以判斷發(fā)動機發(fā)生熱懸掛是因為觸發(fā)了排氣溫度T6斜率異?；蛘邏簹鈾C出口壓力P31斜率異常判據(jù)，從而執(zhí)行熱懸掛切油再起動的動作。鑒于此，分析排氣溫度T6斜率異?；蛘邏簹鈾C出口壓力P31斜率異常故障即可定位熱懸掛原因。

3.1 排氣溫度T6 上升率過高故障

分析的熱懸掛故障數(shù)據(jù)，其中，有幾組是由于排氣溫度T6斜率異常故障導(dǎo)致熱懸掛。起動過程中排氣溫度T6斜率大于1 855，控制器自動執(zhí)行切油再起動邏輯。故障數(shù)據(jù)中，單次起動過程僅發(fā)生一次熱懸掛，未發(fā)生多次。

結(jié)合起動過程按轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制的特點，分析判斷排氣溫度T6斜率異常故障原因，判斷為起動初始供油量偏多所致。

起動過程轉(zhuǎn)速上升要求，如圖3 所示。n2r在0.47～0.66 范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速上升率也在線性提升。此時發(fā)動機若因起動初始供油量富油而導(dǎo)致熱懸掛，則T6會快速上升，而轉(zhuǎn)速則平緩變化。根據(jù)閉環(huán)控制邏輯，轉(zhuǎn)速上升率不滿足要求時，將會繼續(xù)加油以實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而導(dǎo)致發(fā)動機更進一步的富油，形成惡性循環(huán)。

圖3 起動過程轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制Fig.3 Closed-loop control of speed rising rate during starting

統(tǒng)計分析6 組排氣溫度T6斜率異常故障發(fā)動機的初始供油壓力，發(fā)現(xiàn)其初始供油壓力超過上限或接近上邊界，如圖4、表2所示。檢查結(jié)果與上述分析相吻合。

圖4 初始供油壓力Fig.4 Initial oil supply pressure

表2 初始供油壓力Tab.2 Initial fuel supply pressure

3.2 壓氣機出口壓力P31 上升率過低故障

分析的熱懸掛故障數(shù)據(jù)，其中多是由于壓氣機出口壓力P31斜率異常故障導(dǎo)致熱懸掛。壓氣機出口壓力P31斜率異常故障的設(shè)計初衷是當(dāng)壓縮部件出現(xiàn)失速征兆時，失去原有的增壓能力，導(dǎo)致壓縮部件出口截面壓力上升斜率低于設(shè)計閾值，進而實現(xiàn)失速預(yù)警。以其中某次故障為例，分析其觸發(fā)壓氣機出口壓力P31斜率異常故障的原因。

示例起動過程中，在n2r=0.56 時發(fā)生首次熱懸掛，控制器自動執(zhí)行切油再起動邏輯。tgj（故障間隔時間）后，在n2r=0.64 時再次發(fā)生熱懸掛，執(zhí)行切油再起動邏輯，隨后發(fā)動機起動成功。整理分析示例起動過程n2r在0.47～0.66范圍內(nèi)的P31斜率，如圖5所示。

圖5 P31 斜率變化規(guī)律Fig.5 P31 slope variation regulation

在轉(zhuǎn)速n2r=0.56 時，壓氣機出口壓力P31斜率為46.64，滿足壓氣機出口壓力P31斜率異常故障判據(jù)，發(fā)生首次熱懸掛?；謴?fù)供油后，tP31p內(nèi)仍有個別狀態(tài)下的壓氣機出口壓力P31斜率滿足故障判據(jù)，但控制器此時只判斷不處理。隨后，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到n2r=0.64 時，壓氣機出口壓力P31斜率再次低至60.95，再次滿足壓氣機出口壓力P31斜率故障判據(jù)，發(fā)生熱懸掛。

上述過程，發(fā)動機數(shù)據(jù)變化與控制規(guī)律完全吻合。

為了進一步分析觸發(fā)壓氣機出口壓力P31斜率異常故障的原因，對比分析熱懸掛發(fā)動機與無故障發(fā)動機在起動過程中壓氣機出口壓力P31的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在起動過程中，尤其是n2r=0.38～0.75 范圍內(nèi)時，壓氣機出口壓力P31普遍會有一定程度地波動，如圖6、圖7 所示。這是由于該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動機在燃氣渦輪起動機帶轉(zhuǎn)下，剛剛完成主燃燒室點火，此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速主要靠燃氣渦輪起動機帶轉(zhuǎn)維持，發(fā)動機提供的功率輸出不穩(wěn)定，因此，壓氣機出口壓力P31會產(chǎn)生一定程度的波動。

圖6 P31 變化規(guī)律Fig.6 P31 variation regulation

圖7 P31 變化規(guī)律Fig.7 P31 variation regulation

進一步分析發(fā)現(xiàn)，壓氣機出口壓力P31斜率異常故障的檢測依賴于傳感器的測量精度，壓氣機出口壓力P31傳感器量程偏大，達到兆帕級別，而起動過程壓氣機出口壓力P31使用區(qū)域相對較小，地面狀態(tài)下僅為100 kPa 級別，參數(shù)測量誤差對參數(shù)誤警存在一定的干擾。另外，起動過程中，壓氣機出口壓力P31的測量存在一定地波動干擾，壓氣機出口壓力P31的波動的方向、波動的幅度、發(fā)生的時機均有較大的隨機性，尤其是當(dāng)進氣溫度較高時，壓氣機出口壓力P31相應(yīng)較低。壓氣機出口壓力P31波動對壓氣機出口壓力P31斜率的影響進一步加劇，極易造成壓氣機出口壓力P31斜率異常故障。

統(tǒng)計因壓氣機出口壓力P31斜率異常故障導(dǎo)致熱懸掛的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)故障均發(fā)生在環(huán)境溫度大于20℃的情況下，且故障發(fā)生具有很大的隨機性。故障表現(xiàn)的特性與壓氣機出口壓力P31波動的特性完全吻合。

3.3 分析結(jié)論

綜合上述分析，引發(fā)起動熱懸掛故障的原因可分為排氣溫度T6斜率異常故障和壓氣機出口壓力P31斜率異常故障2種。其中：排氣溫度T6斜率異常故障主要為單次懸掛模式，故障原因為初始供油量較高所致；壓氣機出口壓力P31斜率異常故障主要為多次懸掛模式，故障原因為起動階段P31壓力波動所致，波動主要集中在n2r=0.38～0.75 范圍內(nèi)，且波動具有一定的隨機性，因此故障具備一定偶發(fā)性。

4 解決措施

本文針對排氣溫度T6斜率異常故障和壓氣機出口壓力P31斜率異常故障兩種故障模式的原理分析，制定相應(yīng)的解決措施，以有效解決發(fā)動機在外場使用過程中出現(xiàn)的起動熱懸掛故障。

1）將點火初始供油量設(shè)定值下調(diào)0.06，在保證發(fā)動機成功地面起動的前提下，兼顧產(chǎn)品分散度對發(fā)動機起動性能的影響。

對下調(diào)點火初始供油量措施開展有效性和影響性試驗驗證。下調(diào)后，發(fā)動機的起動性能和起動時間均未受到影響，能夠?qū)崿F(xiàn)地面穩(wěn)定起動。初始供油量位于上、下邊界的中線附近，與故障數(shù)據(jù)（圖4）比較，產(chǎn)品的兼容性得到顯著提升，如圖8所示。

圖8 下調(diào)后初始供油壓力Fig.8 Performance after lower the initial fuel supply pressure

2）使用大氣壓力傳感器對壓氣機出口壓力P31傳感器小壓力段的測量精度進行修正，優(yōu)化壓氣機出口壓力P31斜率異常故障判故邏輯，放寬報故預(yù)警值，提高壓氣機出口壓力P31測量精度及波動對起動能力的兼容性。

對壓氣機出口壓力P31優(yōu)化措施開展有效性和影響性試驗驗證。優(yōu)化后，發(fā)動機的起動性能和起動時間均未受到影響，能夠?qū)崿F(xiàn)地面穩(wěn)定起動。與優(yōu)化前壓氣機出口壓力P31斜率變化規(guī)律（圖5）對比，修正小壓力段壓氣機出口壓力P31的測量精度，使壓氣機出口壓力P31波動情況得到了明顯改善；優(yōu)化壓氣機出口壓力P31斜率異常故障判故邏輯，使起動性能的兼容性得到了顯著提升，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后P31斜率變化規(guī)律Fig.9 P31 variation regulation after optimization

5 結(jié)論

本文通過分析某型電調(diào)發(fā)動機的起動控制邏輯和熱懸掛控制邏輯，分析發(fā)生起動熱懸掛故障的原因，定位了故障原因為初始供油量偏多和起動過程壓氣機出口壓力P31波動，針對故障原因制定了解決措施，并應(yīng)用于外場。

解決措施應(yīng)用前，該型發(fā)動機外場應(yīng)用1年中，平均間隔370 小時發(fā)生1 次起動熱懸掛；解決措施應(yīng)用后，該型發(fā)動機外場使用2年中，外場未發(fā)生起動熱懸掛故障。解決措施得到充分驗證，證明可行有效。