張炳誠 劉雪嬌 楊 懿
(1 中國(guó)航發(fā)北京航科發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)科技有限公司 北京 102200)
(2 北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 北京 100074)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵調(diào)節(jié)器通過感受燃?xì)獍l(fā)生器的轉(zhuǎn)速信號(hào),對(duì)飛機(jī)油箱來油進(jìn)行增壓,同時(shí)接收電子控制器指令按發(fā)動(dòng)機(jī)控制規(guī)律控制燃油計(jì)量裝置的開度,確保各飛行條件和飛行狀態(tài)下按其發(fā)動(dòng)機(jī)的需要提供良好狀態(tài)的燃油,保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)失效時(shí),燃油泵調(diào)節(jié)器可以自動(dòng)切換備份裝置實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作,確保飛行器安全返航。
對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)這種工作環(huán)境惡劣、可靠性要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的核心關(guān)鍵產(chǎn)品,正式定型前均需要對(duì)其進(jìn)行大量的試驗(yàn)。研究人員需要分析大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),評(píng)判試驗(yàn)結(jié)果,分析故障原因,優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品性能的目的。實(shí)踐中,大量研究人員總結(jié)了諸多分析產(chǎn)品故障的有效方法。隨著計(jì)算機(jī)性能和研究軟件的進(jìn)步,研究人員多采用數(shù)值仿真建模和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法,研究發(fā)動(dòng)機(jī)零部件在不同工作介質(zhì)、工況等條件下的工作特性。
嚴(yán)曉婧等[1]提出面向航空發(fā)動(dòng)機(jī),利用故障樹映射到ANN 的方法,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分析。以某型飛機(jī)某型發(fā)動(dòng)機(jī)危害性后果“發(fā)動(dòng)機(jī)起火不可控”為案例,對(duì)該危險(xiǎn)后果進(jìn)行故障樹分析,對(duì)其建立故障樹并一一映射,采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN 進(jìn)行多次訓(xùn)練。利用算例,將得到結(jié)果與FT 結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn):ANN 與FT 結(jié)果匹配率較高,說明以FT 映射的ANN 模型是一種有效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)。所提出的方法還可以應(yīng)用到核電站系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等其它高可靠性的復(fù)雜系統(tǒng)中。
宛偉健等[2]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性分析方法較少考慮系統(tǒng)失效時(shí)的動(dòng)態(tài)特性的研究現(xiàn)狀,提出了一種將動(dòng)態(tài)故障樹和概率模型檢測(cè)相結(jié)合的可靠性分析方法,對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性進(jìn)行分析。建立基于故障樹的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)行為馬爾科夫鏈模型,采用PRISM 概率模型檢測(cè)語言描述馬爾科夫鏈模型。通過定量分析,比較頂事件和基于相應(yīng)條款規(guī)定的故障發(fā)生概率,驗(yàn)證航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性。通過對(duì)某型航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)例建模分析,驗(yàn)證所提方法的正確性與可行性。
李小彪等[3]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擺動(dòng)并引起其它分系統(tǒng)諧振的問題,分析了高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的運(yùn)行機(jī)理,在運(yùn)行機(jī)理的基礎(chǔ)上建立了影響高壓轉(zhuǎn)子正常工作的故障樹,分析了故障影響因素。在地面試車和飛行等外場(chǎng)試驗(yàn)過程中驗(yàn)證了故障樹分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
馬原等[4]采用CFD 法對(duì)液氮貯箱無排氣加注過程進(jìn)行數(shù)值仿真。分析了加注口結(jié)構(gòu)、壁面初始溫度等多種因素對(duì)微重力無排氣加注性能的影響。通過建立二維軸對(duì)稱模型和網(wǎng)格求解區(qū)域,分析計(jì)算液體閃蒸過程及氣液之間的熱質(zhì)交換過程。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型能夠合理展示箱內(nèi)溫度場(chǎng)分布和相分布情況,并獲得貯箱壓力等參數(shù)變化信息。
肖潤(rùn)峰等[5]研究了不同工作介質(zhì)下,彎折型、旋轉(zhuǎn)型節(jié)流閥溫降和流量特性,建立了液氮、甲烷介質(zhì)下微通道節(jié)流閥內(nèi)低溫工質(zhì)減壓流動(dòng)及空化過程仿真模型。通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),擬合了基于干度、壓降以及過冷度的質(zhì)量流量關(guān)系式。為微通道節(jié)流閥設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考依據(jù)。
本研究采用故障樹分析方法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)低溫環(huán)境下流量參數(shù)異常進(jìn)行分析,成功定位燃油泵調(diào)節(jié)器的計(jì)量活門低溫流動(dòng)性差是造成低溫環(huán)境下流量差異的主要原因。通過建立不同溫度和流量下的仿真模,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。對(duì)行業(yè)內(nèi)研究人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行分析診斷提供了參考方法。
在不同環(huán)境溫度工況下,航空燃油密度和和體積流量會(huì)發(fā)生變化,燃油泵調(diào)節(jié)器同一計(jì)量開度的計(jì)量流量也會(huì)適應(yīng)地出現(xiàn)變化,其對(duì)應(yīng)關(guān)系即燃油溫度-流量特性。
發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中,油箱來油進(jìn)入燃油泵調(diào)節(jié)器的齒輪泵,經(jīng)加壓后一路燃油返回至低壓裝置用來引射進(jìn)口燃油,另一路進(jìn)入主控計(jì)量裝置。主控計(jì)量裝置感受電子控制器的信號(hào),通過步進(jìn)電機(jī)控制計(jì)量活門的位置,并由位移傳感器將位置信號(hào)反饋給電子控制器形成閉環(huán)。主控計(jì)量裝置失效后,可以通過備份計(jì)量裝置實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速、減速控制。系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。
圖1 燃油泵調(diào)節(jié)器原理圖Fig.1 Diagram of fuel pump regulator
某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行低溫試驗(yàn)過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵調(diào)節(jié)器出油口低溫環(huán)境下流量較正常值偏低7—9 kg/h。試驗(yàn)詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1 所示。
表1 低溫環(huán)境下燃油流量給定與采集差異數(shù)據(jù)表Table 1 Fuel flow difference data table between given and collected in low temperature environment
試驗(yàn)后,技術(shù)人員對(duì)該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了相應(yīng)的檢查,檢查內(nèi)容如下:
(1)整機(jī)試驗(yàn)前的檢查
該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)所裝零組件均為入庫合格零件,裝配、試驗(yàn)、包裝過程記錄完整、無異常。產(chǎn)品復(fù)驗(yàn)并隨發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行半物理試驗(yàn),整個(gè)過程中產(chǎn)品工作正常。產(chǎn)品交付后隨發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架開展了包括起動(dòng)扭矩測(cè)量試驗(yàn)、直升機(jī)引氣試驗(yàn)、振動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)、整機(jī)轉(zhuǎn)速上下臺(tái)階試驗(yàn)等在內(nèi)的多項(xiàng)試驗(yàn),試驗(yàn)過程中產(chǎn)品工作正常,隨發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)工作時(shí)間超過100 小時(shí)。
(2)試驗(yàn)后返廠檢查
問題出現(xiàn)后,一線技術(shù)人員開展燃油泵調(diào)節(jié)器返廠檢查工作。常溫條件下,燃油泵調(diào)節(jié)器、低壓裝置和燃油活門組件組成的燃油系統(tǒng)各狀態(tài)工作正常。燃油泵調(diào)節(jié)器出口小流量與給定相當(dāng),未出現(xiàn)流量偏低現(xiàn)象。
通過上述原因分析可知,常溫條件下燃油泵調(diào)節(jié)器出口流量正常,而低溫條件下燃油泵調(diào)節(jié)器出口流量值偏低。隨后開展低溫模擬試驗(yàn),將燃油系統(tǒng)在低溫箱內(nèi)降溫至-20 ℃左右并保持1 h 以上,檢查燃油泵調(diào)節(jié)器低溫條件下的出口流量,并與常溫流量進(jìn)行對(duì)比,詳見表2。
表2 燃油系統(tǒng)低溫檢查數(shù)據(jù)表Table 2 Fuel system low temperature inspection data sheet
通過表2 的數(shù)據(jù)可知,在15%和25%轉(zhuǎn)速下,燃油泵調(diào)節(jié)器在低溫時(shí)的出口流量較常溫時(shí)偏低,分別為4.7 kg/h 和4.2 kg/h,試驗(yàn)現(xiàn)象與發(fā)動(dòng)機(jī)低溫試驗(yàn)現(xiàn)象一致。由此可見,燃油泵調(diào)節(jié)器是造成發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)低溫環(huán)境下燃油流量異常的主要原因。
工程應(yīng)用中,常采用故障樹分析方法對(duì)產(chǎn)品的故障進(jìn)行定位分析。故障樹是實(shí)際系統(tǒng)故障組合傳遞的邏輯關(guān)系的正確抽象。主要有兩種建樹方法:人工建樹和計(jì)算機(jī)輔助建樹[6]。人工建樹是從頂事件開始,向下逐級(jí)推溯事件的直接原因,直到找到所有的底事件為止。人工建樹必須嚴(yán)格按照演繹邏輯認(rèn)真、細(xì)致地進(jìn)行。
建立故障樹的原則主要有兩條[7]:
(1)時(shí)間與時(shí)間之間用邏輯門連接;邏輯門之間事件連接,不能發(fā)生門-門,時(shí)間-事件短路。
(2)循序漸進(jìn)規(guī)則。建立故障樹應(yīng)對(duì)逐級(jí)建造,逐級(jí)找出必要而充分的原因。在對(duì)下一級(jí)作任何考慮之前,必須完成上一級(jí)。
建立故障樹的基本步驟為[8]:
(1)分析頂事件,尋找引起頂事件發(fā)生的、直接、必要且充分的原因,將頂事件作為輸出事件,將所有直接原因作為輸入事件,依據(jù)這些事件的邏輯關(guān)系用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T進(jìn)行連接;
(2)分析與頂事件直接相連接的輸入事件;
(3)重復(fù)上述步驟,逐級(jí)向下分解,直至所有輸入事件不能分解為止,將這些輸入事件作為底事件;
(4)對(duì)故障樹進(jìn)行規(guī)范化、簡(jiǎn)化和模塊分解,一般選用布爾代數(shù)法定律。
燃油泵調(diào)節(jié)器低溫燃油流量偏低原因可分為兩大類:(1)計(jì)量后燃油發(fā)生了泄漏;(2)燃油泵調(diào)節(jié)器計(jì)量燃油流量不足。
本研究以“低溫環(huán)境下燃油泵調(diào)節(jié)器小流量偏低”為頂事件,依據(jù)建立故障樹的基本原則,對(duì)低溫條件下燃油泵調(diào)節(jié)器出口流量偏低問題,逐級(jí)梳理出了10 個(gè)底事件。故障樹分析圖如下圖2 所示。
圖2 燃油泵調(diào)節(jié)器故障樹分析圖Fig.2 Fault tree analysis diagram of fuel pump regulator
通過對(duì)X1—X10 共計(jì)10 個(gè)底事件進(jìn)行分析,底事件“低溫下計(jì)量活門結(jié)構(gòu)流通性較差(X8)”可能是造成低溫環(huán)境下燃油流量異常的主要原因。
燃油泵調(diào)節(jié)器的計(jì)量活門是采用“計(jì)量油針-孔板”的結(jié)構(gòu)形式,模型結(jié)構(gòu)和剖面結(jié)構(gòu)分別如圖3、4所示。計(jì)量活門由計(jì)量油針、計(jì)量活門襯套、套筒、導(dǎo)向裝置和計(jì)量器殼體組成。油針與孔板構(gòu)成環(huán)形流通窗口如圖5 所示。δ是形成環(huán)形流通窗口的寬度,在小流量的時(shí)候,δ較小。當(dāng)δ很小時(shí),流通截面為一個(gè)很小的環(huán)形縫隙,不利于燃油的流通。小孔節(jié)流理論上與流體的粘度無關(guān)。常溫下,縫隙流動(dòng)時(shí)流量與流體粘度成反比關(guān)系,燃油的粘度較小,能較為順利的流經(jīng)節(jié)流窗口,流量與等效小孔節(jié)流的流量相當(dāng)。但是當(dāng)燃油溫度很低時(shí),燃油的粘度增大,流通能力下降,燃油流量較常溫時(shí)降低。
圖3 計(jì)量活門模型結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of metering valve model
圖4 計(jì)量活門模型剖面結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Sectional structure diagram of metering valve mode
圖5 環(huán)形流通窗口示意圖Fig.5 Schematic diagram of annular flow window
4.3.1 建立模型
為了觀察的更直觀,簡(jiǎn)化后的二維流場(chǎng)如圖6 所示。左邊是燃油進(jìn)口,右邊是燃油出口,底部為油針型面,中間是孔板壁面。三維模型僅適用于小流量流場(chǎng),因?yàn)楫?dāng)流場(chǎng)流動(dòng)不劇烈,簡(jiǎn)化后的流場(chǎng)可以滿足計(jì)算要求。當(dāng)大流量狀態(tài)下,流場(chǎng)需要覆蓋更大的范圍,其建模和劃網(wǎng)格以及后期的仿真計(jì)算都要比前者復(fù)雜很多。分別建立大、小流量下的三維流場(chǎng),分別如圖7、8 所示,建模網(wǎng)格圖分別如圖9、10 所示。
圖6 二維簡(jiǎn)化流場(chǎng)Fig.6 Two-dimensional simplified flow field
圖7 剖面結(jié)構(gòu)三維流場(chǎng)小流量狀態(tài)圖Fig.7 Three-dimensional flow field small flow state diagram of section structure
圖8 剖面結(jié)構(gòu)三維流場(chǎng)大流量狀態(tài)圖Fig.8 Three-dimensional flow field large flow state diagram of section structure
圖9 剖面結(jié)構(gòu)三維流場(chǎng)網(wǎng)格小流量狀態(tài)圖Fig.9 Three-dimensional flow field grid small flow state diagram of section structure
4.3.2 仿真分析
根據(jù)《中國(guó)航空材料手冊(cè)》6 分冊(cè)第377 頁航空噴氣燃料在不同溫度下的特性變化數(shù)據(jù)表,以20 ℃為例,該溫度下運(yùn)動(dòng)粘度為1.48 mm2/s,計(jì)算后的動(dòng)力粘度為0.001 154 4 kg/(m·s),其余動(dòng)力粘度值經(jīng)計(jì)算后如下表3 所示。不同溫度下航空噴氣燃料粘度分析的仿真,就通過修改流體特性來進(jìn)行仿真。
表3 不同溫度下航空噴氣燃料粘度分析計(jì)算表Table 3 Analysis and calculation table for viscosity of aviation jet fuel at different temperatures
圖10 剖面結(jié)構(gòu)三維流場(chǎng)網(wǎng)格大流量狀態(tài)圖Fig.10 Three-dimensional flow field grid large flow state diagram of section structure
常溫20 ℃狀態(tài)下,從油針初始位置到200 L/h之間,選取了5 個(gè)油針開度值,即油針型面起始點(diǎn)距孔板距離L=0.16、0.8、1.17、2.4、3.61 mm 建立模型。這5 組 模 型,分 別 進(jìn) 行-40、-20、0、20、40、60 ℃這6 種溫度狀態(tài)下的仿真。
4.3.3 仿真結(jié)果
經(jīng)過仿真,L=0.16、0.8、1.17、2.4、3.61 mm 這5 個(gè)狀態(tài)下,-40、-20、0、20、40、60 ℃這6 種溫度的出口流量仿真結(jié)果如表4 和圖11 所示。
表4 不同溫度下流量仿真計(jì)算值Table 4 Flow simulation value at different temperatures
圖11 仿真分析結(jié)果圖Fig.11 Simulation analysis results
分析表4、圖11 可以得到以下結(jié)論:
(1)同一油針開度下,整體而言,出口流量隨溫度的降低而降低。計(jì)量活門從小開度到大開度在60 ℃與-40 ℃時(shí)流量變化值占常溫流量的比值分別為:56.6%、34.0%、20.7%、8.4%、12.0%。很明顯溫差變化,對(duì)小流量狀態(tài)下的流量值影響更明顯。
(2)大流量狀態(tài)下,低溫對(duì)出口流量值的影響很小。
4.3.4 仿真結(jié)果驗(yàn)證
通過對(duì)計(jì)量油針組件進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)比驗(yàn)證4.3.2的仿真結(jié)論。試驗(yàn)設(shè)備原理圖如下圖12 所示。
圖12 計(jì)量油針試驗(yàn)原理圖Fig.12 Schematic diagram of metering oil needle test
工作原理如下:首先采用恒溫油槽將油箱中的燃油溫度調(diào)整到指定的溫度,再經(jīng)過進(jìn)口油路進(jìn)入高低溫溫度箱,最后連接試驗(yàn)工裝,進(jìn)口油路設(shè)置進(jìn)口溫度傳感器和調(diào)節(jié)閥,試驗(yàn)工裝內(nèi)放置計(jì)量油針組件和彈簧,通過千分尺控制計(jì)量油針的開度,得到不同的出口流量,工裝連接出口油路,燃油回到恒溫油槽。在工裝相應(yīng)位置設(shè)置計(jì)量油針計(jì)量前后測(cè)壓點(diǎn),時(shí)時(shí)監(jiān)控計(jì)量油針前后壓差。
在進(jìn)行高低溫試驗(yàn)時(shí),常溫下選取一個(gè)小流量點(diǎn),通過調(diào)整計(jì)量油針開度,調(diào)整進(jìn)出口調(diào)壓閥,最終選取的是27.3 L/h 狀態(tài)為基準(zhǔn)點(diǎn),該狀態(tài)下的千分尺刻度歸零當(dāng)做基準(zhǔn)。隨后選擇L=0.3 mm、1.45 mm和2.9 mm 這3 個(gè)活門開度點(diǎn)設(shè)置為監(jiān)控點(diǎn),開展不同溫度下的流量試驗(yàn)。通過設(shè)定不同的燃油溫度,所記錄的流量值如表5 所示。
表5 不同的燃油溫度下流量值Table 5 Flow value at different fuel temperatures
小流量時(shí)最低溫度-18.6 ℃較大流量時(shí)的-33.7 ℃差別較大。這是由于小流量狀態(tài)時(shí),流量較小,燃油從恒溫油槽流出后,后外部管路溫度影響較大,由于連接管路散熱損失,導(dǎo)致小流量的最低溫達(dá)不到預(yù)期。對(duì)此只能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析。
由于出口流量受壓差變化較大,需要將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。由于大部分壓差值在0.27 MPa 附近,所以以0.27 MPa 為參照,將壓差過大或過小的出口流量進(jìn)行一定程度的粗略修正。修正后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6 和圖13 所示。(壓差相較270 kPa 的變化值為20 kPa 時(shí),按流量3%修正;變化值為30 kPa 時(shí),按流量4.5%修正;變化值為40 kPa 時(shí),按流量6%修正)。
表6 修正后的流量數(shù)據(jù)Table 6 Corrected flow data
圖13 不同活門開度試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖Fig.13 Data chart of different valve opening tests
將圖13 的高低溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖11 仿真數(shù)據(jù)圖進(jìn)行對(duì)比。整體情況對(duì)比如圖14 所示。小流量下的對(duì)比圖如圖15 所示。
分析圖14 與圖15,可以得到以下結(jié)論:
圖14 全程試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比圖Fig.14 Comparison diagram of whole process and simulation results
圖15 小流量狀態(tài)試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比圖Fig.15 Comparison diagram of low flow state test and simulation results
(1)大流量狀態(tài)時(shí),仿真的流量變化趨勢(shì)和實(shí)際試驗(yàn)趨向一致,且大流量狀態(tài)下,溫度變化對(duì)流量影響越來越小。尤其是流量在250 L/h 時(shí),溫度變化對(duì)實(shí)際出口流量基本無影響。
(2)小流量狀態(tài)下,出口流量受溫度變化變化較大。其中試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比,計(jì)量活門在小開度時(shí),低溫較常溫狀態(tài)下流量變化約為30%,變化幅度更大。主要原因在于試驗(yàn)過程中壓差值(270 kPa)與小流量狀態(tài)壓差值(200 kPa)不同。在后續(xù)仿真試驗(yàn)中,將小流量狀態(tài)仿真的壓差值提高到270 kPa,二者的變化幅度基本相同。通過進(jìn)一步分析可知,小流量、低溫工況下,溫度變化引起介質(zhì)特性變化,油針型面和孔板間隙較小,燃油介質(zhì)動(dòng)力粘度增大,燃油介質(zhì)流動(dòng)的壁面邊界層增厚,導(dǎo)致流通間隙減小。這是導(dǎo)致低溫工況下流量偏低的根本原因。解決方案是優(yōu)化計(jì)量油針型面形狀,改為單邊錐形。優(yōu)化后的產(chǎn)品在后續(xù)的試驗(yàn)過程中,低溫工況下流量參數(shù)正常。
本研究針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)低溫試驗(yàn)燃油流量偏低的問題,采用故障樹分析方法,建立基于低溫環(huán)境下燃油流量異常的故障樹。通過對(duì)底事件的分析,定位燃油泵調(diào)節(jié)器計(jì)量活門低溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)流通性較差是影響燃油流量重要因素。通過對(duì)計(jì)量活門結(jié)構(gòu)分析,分別建立大、小流量工況下的三維模型。通過對(duì)比仿真模型分析和試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)得出計(jì)量活門在小開度的工況下,低溫較常溫條件流量變化約為30%,準(zhǔn)確定位了造成低溫下結(jié)構(gòu)流通性差的根本原因并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。