航空發(fā)動機加力控制系統(tǒng)典型故障研究

楊福剛，黃 猛，范世新

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

0 引言

航空發(fā)動機加力控制系統(tǒng)主要用來控制加力正常工作以增大發(fā)動機推力，提高飛機的戰(zhàn)斗性能。目前，雖然世界各國都在競相研究、發(fā)展和應(yīng)用先進技術(shù)以及新型材料等，使航空發(fā)動機加力控制系統(tǒng)逐步向數(shù)字電子化、小型化和一體化方向發(fā)展，大大改善了其安全性能，但在使用中其加力控制系統(tǒng)還會出現(xiàn)故障，會直接影響飛行安全，造成嚴重損失。因此，研究其故障產(chǎn)生機理，采取相關(guān)措施，排除故障是非常必要的。

本文主要分析了某型航空發(fā)動機加力控制系統(tǒng)工作原理，對其典型故障進行了研究，并繪制故障樹，用實際故障的排除驗證了故障樹分析的正確性。

1 加力系統(tǒng)組成和工作原理

某型發(fā)動機加力系統(tǒng)是機電結(jié)合型的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，主要由電子綜合調(diào)節(jié)器和加力燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)2部分組成。

電子綜合調(diào)節(jié)器是某型發(fā)動機電子-液壓機械控制系統(tǒng)的一部分，用來調(diào)節(jié)發(fā)動機參數(shù)，向發(fā)動機控制附件等發(fā)出指令。綜合調(diào)節(jié)器與發(fā)動機控制附件聯(lián)合作用，能夠完成對發(fā)動機加力接通過程的控制。加力燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功用是根據(jù)油門桿的位置信號接通和切斷加力燃燒室的供油，并根據(jù)壓氣機出口的減壓空氣壓力和發(fā)動機進口空氣溫度調(diào)節(jié)加力供油量；根據(jù)發(fā)動機綜合調(diào)節(jié)器指令，保證發(fā)動機加力從最小加力狀態(tài)進入；根據(jù)座艙電信號應(yīng)急切斷加力。

加力燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理具體分析如下：

將發(fā)動機油門桿移到加力區(qū)域任意位置，一方面，油門桿通過加力滑油冷卻控制活門切斷定壓活門后的回油，接通加力燃滑油熱交換器，開始用加力燃油為發(fā)動機滑油系統(tǒng)散熱；另一方面，液壓延遲器活塞桿上的襯筒隨油門桿下移，打開延遲活塞下腔的回油路，延遲活塞也下移，將油門桿指令分別傳到噴管調(diào)節(jié)器和加力燃油調(diào)節(jié)器，同時，延遲活塞的下移，帶動加力油泵接通活門也下移，從而關(guān)閉了加力油泵活塞左腔的回油路，使加力油泵開始向加力燃油系統(tǒng)供油。

加力燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)接到油門桿指令后，接通加力分油活門開始左移，切斷了執(zhí)行活門活塞左腔的回油路，執(zhí)行活門活塞右移，一方面切斷了加力起動第5總管計量開關(guān)的定壓差開關(guān)右邊的回油路，使定壓差開關(guān)投入工作，保持加力第5總管計量開關(guān)前后壓力差不變；另一方面，接通了定壓活門到燃油壓力信號器和指令壓力活門的油路，燃油壓力信號器向發(fā)動機綜合調(diào)節(jié)器發(fā)出“已經(jīng)向加力燃燒室輸油”的信號，發(fā)動機綜合調(diào)節(jié)器加力控制與信號組合開始工作，此時，向加力起動系統(tǒng)定量調(diào)節(jié)器發(fā)出3次接通時間為0.3±0.1 s，間隙時間為0.5±0.2 s的脈沖信號，加力起動系統(tǒng)開始工作最小加力電磁閥通電，電磁閥打開定壓活門的來油，使頂桿活塞上移到最小加力位置（同時另一部分定壓活門來油作用到落壓比重調(diào)活門的膜盒腔，對落壓比調(diào)節(jié)器薄膜上腔的空氣壓力進行重調(diào)，開大噴口面積，使之與最小加力接通過程相適應(yīng)）。此外，執(zhí)行活門接通的定壓活門油壓，經(jīng)I號限流嘴作用在加力燃油分配器的控制活門上，由于指令壓力活門此時在較上位置，因此Ⅱ號和Ⅲ號限流嘴未堵死，作用在加力燃油分配器上的控制油壓較小，此時只有通往加力第5總管的油路打開，燃油經(jīng)加力第5總管進入加力燃燒室。當加力燃燒室內(nèi)的電離式火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到穩(wěn)定的火焰信號后，向發(fā)動機綜合調(diào)節(jié)器發(fā)出信號，發(fā)動機綜合調(diào)節(jié)器內(nèi)的加力控制與信號組合發(fā)出指令，加力起動系統(tǒng)停止工作，最小加力電磁閥斷電，頂桿活塞在上部油壓作用下處于下端，活塞桿上的回油孔重新打開，液壓延遲活塞下移到油門桿所給定的襯筒位置，發(fā)動機的加力狀態(tài)與油門桿位置相對應(yīng)。

根據(jù)前述發(fā)動機加力控制系統(tǒng)原理分析，繪制加力燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理框圖[1]，如圖1所示。

2 加力系統(tǒng)故障樹建立

2.1 選擇頂事件

通過上述分析可知，加力控制系統(tǒng)所有潛在的故障體現(xiàn)在2個方面：一是加力燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能使發(fā)動機進入加力狀態(tài)；二是發(fā)動機雖進入加力狀態(tài)，但在該狀態(tài)下不能正常工作。這2方面現(xiàn)象都將降低發(fā)動機的加力性能和導(dǎo)致加力功能的喪失。因此，選擇“不能正確進入加力狀態(tài)”作為故障樹的頂事件[2]。

2.2 建立故障樹

建立發(fā)動機加力系統(tǒng)故障樹的過程也是對系統(tǒng)全面分析的過程，必須熟練掌握加力控制系統(tǒng)設(shè)計、使用等各方面的經(jīng)驗和知識。根據(jù)加力燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，可以看出發(fā)動機加力控制系統(tǒng)基本上是1個串聯(lián)系統(tǒng)。

通過深入分析，結(jié)合發(fā)動機實際工作情況，選定加力系統(tǒng)“不能正確進入加力狀態(tài)”作為故障樹的頂事件。從頂事件出發(fā)，先找出直接導(dǎo)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(yīng)的邏輯符號連結(jié)起來，就建成了1棵以頂事件為根，底事件為葉的故障樹。

在發(fā)動機加力系統(tǒng)原理分析的基礎(chǔ)上，編制發(fā)動機加力控制系統(tǒng)故障樹，如圖2所示。通過本故障樹，對不能正確進入加力狀態(tài)的發(fā)動機加力控制系統(tǒng)各部件進行認真分析，最終查明故障發(fā)生的重要件和關(guān)鍵件。

3 加力控制系統(tǒng)典型故障分析

下面就加力控制系統(tǒng)“接加力時加力燃燒室未工作”典型故障先從工作原理上進行分析，然后制定出故障樹進行排除[3]，最后結(jié)合試車過程中實際故障情況，按照編制的加力控制系統(tǒng)故障樹進行分析排除[4]。

3.1 接加力時加力燃燒室未工作的故障分析

某型發(fā)動機在接通加力時由加力火舌點火系統(tǒng)來迅速、安全、可靠地點燃加力燃燒室的油氣混合氣。

推油門從非加力位置到加力區(qū)域的任何位置時，加力接通過程開始。液壓延遲器上的襯筒隨油門桿移到加力區(qū)域的相應(yīng)位置，帶動延遲活塞下移，把信號分別傳給噴管調(diào)節(jié)器和加力燃油調(diào)節(jié)器。由于接通加力分油活門被延遲活塞傳動而左移，切斷了執(zhí)行活門左腔的回油路，執(zhí)行活門投入工作，燃油壓力信號器前燃油壓力增大觸點閉合，向發(fā)動機綜合調(diào)節(jié)器內(nèi)的加力控制與信號組合發(fā)出信號，加力控制與信號組合在檢查電離火焰?zhèn)鞲衅魑从行盘栞斎氲那闆r下接通。此時，加力控制組合一方面使最小加力電磁活門通電，使得噴口和加力燃油的調(diào)節(jié)按最小加力狀態(tài)進行，避免發(fā)動機狀態(tài)由于接通加力帶來較大的波動。另一方面向定量調(diào)節(jié)器發(fā)出3次信號，作用時間為0.3 s，定量調(diào)節(jié)器投入工作，產(chǎn)生3次脈沖油壓輸往燃燒室上部的射流噴嘴和加力燃燒室前左上部的離心噴嘴。射流噴嘴在燃燒室形成火舌，火舌穿過渦輪，在加力燃燒室前部加強形成火帶，該火帶點燃總管的油氣混合氣，加力燃燒室被點燃。如果在第1次脈沖中加力燃燒室已被點燃，那么電離火焰?zhèn)鞲衅飨虬l(fā)動機綜合調(diào)節(jié)器內(nèi)的加力控制與信號組合發(fā)出信號，加力控制與信號組合接到信號后，切斷去定量調(diào)節(jié)器的脈沖信號，則加力火舌系統(tǒng)退出工作。同時，加力控制與信號組合又向最小加力電磁活門發(fā)出信號，使之斷電退出工作，并燃亮加力信號燈。

上述工作過程可以確定加力燃燒室點燃與下列部件有關(guān)：（1）燃油壓力信號器，用于感受供油信號并傳給綜合調(diào)節(jié)器加力控制與信號組件；（2）加力控制與信號組件，它是加力接通全過程的控制樞紐；（3）定量調(diào)節(jié)器，用于產(chǎn)生3股脈沖燃油；（4）噴口－加力調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)噴口和加力供油量的部件；（5）加力燃油分配器,用于控制發(fā)動機5路加力總管供油量。這些部件即是故障樹分析中所確定的關(guān)鍵件和重要件。

3.2 接加力時加力燃燒室未工作故障樹的建立

根據(jù)上述接通加力時工作原理分析，建立“接加力時加力燃燒室未工作”故障樹，如圖3所示。

3.3 接加力時加力燃燒室未工作典型故障排除

某型發(fā)動機試車時，將發(fā)動機油門桿平穩(wěn)地由慢車狀態(tài)推到加力域時，控制面板上加力信號燈閃亮，發(fā)動機加力接不通。根據(jù)故障現(xiàn)象，將發(fā)動機油門桿推至加力域過程中，加力信號燈閃亮，可以判斷出噴口加力調(diào)節(jié)器在該狀態(tài)下發(fā)出了加力指令[5]，當發(fā)動機n2增大到85%后，噴口加力調(diào)節(jié)器發(fā)出的加力指令綜合n2≥85%的信號，使點火系統(tǒng)計量活門和最小加力電磁活門工作，3次脈沖點火后，由于加力燃燒室未供油，加力室燃燒未點燃，離子火焰?zhèn)鞲衅飨蚓C合調(diào)節(jié)器反饋“加力未接通”信息，綜合調(diào)節(jié)器綜合加力指令，從而發(fā)生發(fā)動機加力信號燈閃亮故障。按照如圖3所示的 接加力時加力燃燒室未工作故障樹，首先檢查加力火舌脈沖信號傳輸?shù)恼_性，把附件定量調(diào)節(jié)器上的電插頭拆開，將27 V信號燈連接到定量調(diào)節(jié)器上的插頭1、2的接線柱上，從發(fā)動機地面檢查臺向綜合調(diào)節(jié)器模擬發(fā)出加力點火信號，信號燈在2～3 s內(nèi)閃亮3次，可以判定綜合調(diào)節(jié)器和電氣線路工作正常，排除綜合調(diào)節(jié)器故障。

按照故障樹，測量加力起動燃油壓力 PTПУСК、控制壓力PT.KOM、定量調(diào)節(jié)器后壓力PT4033、第5路加力總管壓力PTФ5K，以判斷噴口加力調(diào)節(jié)器、加力燃油分配器、附件定量調(diào)節(jié)器工作的正確性[5]。試車測試PTПУСК=156.8 N，PT4033=450.8 N，PTФ5K=19.6 N，PT.KOM=30.38 N。根據(jù)故障樹，PTПУСК＞117.6 N，PTФ5K＜117.6 N，而 PT.KOM＜49 N，最后確定故障件應(yīng)是噴口加力調(diào)節(jié)器。由于在試車臺無法對噴口加力調(diào)節(jié)器進行分解排故，最后只能確定更換噴口加力調(diào)節(jié)器。

更換噴口加力調(diào)節(jié)器后，再次開車檢查加力接通情況，發(fā)動機接通加力時各油壓、離子電流等參數(shù)均正常，發(fā)動機加力接通。按照所建立的加力控制系統(tǒng)故障樹，很快查明接加力時加力燃燒室未工作的故障部位，為發(fā)動機試車排故提供有益幫助。

4 結(jié)束語

（1）某型發(fā)動機加力燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，包含了各類型的液壓控制元件，并采用電子－液壓機械結(jié)合方式，該系統(tǒng)零組件中的活門和活門襯套以及齒輪傳動機構(gòu)、控制元件等均會導(dǎo)致故障產(chǎn)生。

（2）結(jié)合發(fā)動機加力控制系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)分析，建立故障樹，從頂事件分解至底事件，可以為故障分析時查找其關(guān)鍵件和重要件。

（3）在發(fā)動機實際試車中，通過建立故障樹逐一排除典型故障，制定有效的故障排故方案。

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

[2]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(xué)出版社，1993：102-145.

[3]毛可久.航空動力裝置控制系統(tǒng)[M].北京：北京航空學(xué)院出版社，1991：76-89.

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

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