某型航空發(fā)動機停車冒黑煙故障研究分析

楊 薇

(海軍裝備部，陜西 西安 710077)

1 引言

某型發(fā)動機停車冒煙故障為外場常見故障之一，表現(xiàn)為發(fā)動機收油門停車后，有黑煙從發(fā)動機尾噴口處冒出，在夜航訓(xùn)練時，沿順航向觀察發(fā)動機內(nèi)部，在火焰筒位置處可見“明火”現(xiàn)象。早期外場采取發(fā)動機冷運轉(zhuǎn)，吹除黑煙后繼續(xù)使用。當(dāng)前外場一般采取分開燃燒室外套，對積碳嚴(yán)重的火焰筒進行清理，清理后故障可排除。航空發(fā)動機一旦產(chǎn)生結(jié)焦積碳，就會在噴嘴零部件表面沉淀、聚集和長大，達(dá)到一定程度時甚至可堵塞發(fā)動機噴嘴，致使發(fā)動機的燃油消耗增加，動力性能下降[1-2]，火焰偏向燒蝕嚴(yán)重，對飛行器的飛行安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

冒煙發(fā)動機火焰筒積碳情況如圖1所示，正常大修返廠未冒煙發(fā)動機積碳情況如圖2所示。

圖1冒煙發(fā)動機火焰筒積碳情況圖2正常大修返廠火焰筒積碳情況

2 故障情況統(tǒng)計分析

據(jù)外場統(tǒng)計記錄，某型發(fā)動機自2011年起至今，外場共有33臺發(fā)動機發(fā)生停車冒煙故障35次。

2.1 冒煙故障與發(fā)動機工作時間分析

根據(jù)冒煙發(fā)動機故障信息，繪制的冒煙發(fā)動機工作時間統(tǒng)計如圖3所示。

圖3 冒煙發(fā)動機工作時間統(tǒng)計

從圖3可以看出，發(fā)動機工作300小時之內(nèi)冒煙故障較多，其中0～100小時發(fā)生10臺次，100～200小時發(fā)生11臺次，200～300小時發(fā)生7臺次，300小時以后的共7臺次。

2.2 冒煙故障排故措施分析

對33臺冒煙故障發(fā)動機35次排故過程中，有24臺次排故措施為對火焰筒除積碳，除積碳后故障排除。更換放油活門排除故障3臺次，調(diào)整油門桿位置排除1臺次，冒煙程度輕微繼續(xù)觀察使用6臺次，有1臺次因外場無法排故返廠，故障原因為高壓泵柱塞彈簧斷裂導(dǎo)致燃油系統(tǒng)工作異常。由此可見，火焰筒頭部積碳嚴(yán)重是造成發(fā)動機停車后冒煙的主要原因之一。

2.3 積碳嚴(yán)重火焰筒位置分析

對有記錄的積碳嚴(yán)重的火焰筒位置號進行統(tǒng)計，繪制出的火焰筒積碳分布如圖4所示。積碳嚴(yán)重的火焰筒主要分布右上部和左下部(順航向)，靠近主燃油泵主、副油路的接口處。

圖4 發(fā)動機積碳嚴(yán)重火焰筒統(tǒng)計

3 故障調(diào)查

3.1 停車冒煙故障樹

根據(jù)對停車冒煙故障機理分析，繪制出故障樹如圖5所示。從故障樹可以看出，冒煙故障主要與燃油總管及噴嘴的性能、火焰筒的結(jié)構(gòu)尺寸、供油系統(tǒng)的供油量以及放油活門有關(guān)。

圖5 發(fā)動機冒煙故障樹

3.2 燃油總管及噴嘴返廠檢查情況

3.2.1 燃油總管及噴嘴原態(tài)性能對比復(fù)試

對某冒煙發(fā)動機燃油總管及噴嘴保持原態(tài)進行了性能復(fù)試，另外選取了2臺大修未發(fā)生停車冒煙故障發(fā)動機燃油總管及噴嘴進行了原態(tài)復(fù)試。

從故障件和大修正常件的對比檢查結(jié)果來看，冒煙發(fā)動機的發(fā)動機燃油總管及噴嘴性能與未冒煙發(fā)動機相當(dāng)，均有一定程度的漂移。

3.2.2 噴嘴內(nèi)壓緊彈簧彈力值復(fù)測

對該冒煙發(fā)動機14件彈簧高度及彈力進行檢測，設(shè)計圖要求高度:39.6mm(參考值)，實測高度值:39.05～39.8mm；彈力值設(shè)計圖要求98～117.6N，實測彈力為98.54～111.60N，彈力符合設(shè)計圖要求。

3.2.3 噴嘴主副噴口流道表面光潔度復(fù)查

將該冒煙發(fā)動機7件噴嘴的主、副噴口切開，觀察中心孔及切向孔表面質(zhì)量。解剖正常大修發(fā)動機噴嘴后，與該發(fā)動機噴嘴用30倍放大鏡對比，噴嘴表面均有黑色粘結(jié)物。噴嘴零部件材料為高鐵鎳合金，實驗證明鐵和鎳是結(jié)焦積碳形成的催化劑[3-6]。 因此噴嘴零部件對結(jié)焦積碳具有明顯的催化作用，主副噴口表面光潔度差會引起主副噴口積碳，影響噴嘴流量性能，導(dǎo)致燃油總管流量分布不均，造成通過其它噴嘴的燃油流量增大，使對應(yīng)位置的火焰筒處于富油燃燒狀態(tài)，比較容易形成積碳。

3.3 火焰筒返廠檢查情況

對該冒煙發(fā)動機火焰筒頭部尺寸、主燃孔及摻混孔的直徑，渦流器葉片間隙、搪瓷質(zhì)量進行檢測，并與正常大修未冒煙發(fā)動機的火焰筒進行對比檢查，均在合格范圍且無明顯差異。因此可排除火焰筒結(jié)構(gòu)尺寸引起頭部積碳嚴(yán)重的可能性。

3.4 放油活門返廠檢查

通過對放油活門膠墊硬度復(fù)查，發(fā)現(xiàn)膠墊硬度偏上限(要求HS72～82，實測HS78～82.7)，在廠內(nèi)裝配時，也常出現(xiàn)膠墊開裂現(xiàn)象。由于硬度大，膠墊在裝配時，使得膠墊彈性已達(dá)到或超過了膠墊的彈性變形極限，裝配后產(chǎn)生微小的裂紋，裂紋迅速擴展，造成膠圈破損，密封不嚴(yán)。

3.5 主燃油泵返廠檢查工作

將外場其它兩臺冒煙發(fā)動機的主燃油泵返承制廠進行原態(tài)性能復(fù)試，從返廠性能復(fù)試結(jié)果看出：在標(biāo)準(zhǔn)測量點下主燃油泵流量偏大，超出設(shè)計要求值。

通過以上復(fù)試，發(fā)現(xiàn)主燃油泵主副油路總漏油量超差偏大，并且有一臺出現(xiàn)柱狀漏油現(xiàn)象，會造成發(fā)動機在停車過程中有較多的燃油流入高溫燃燒室內(nèi)，容易在靠近主副油路接口處的火焰筒形成積碳。

4 原因分析

外場大部分停車冒煙發(fā)動機，排故方法為去除火焰筒頭部嚴(yán)重的積碳，除積碳后故障排除，可見火焰筒頭部積碳嚴(yán)重為導(dǎo)致發(fā)動機停車冒煙的直接原因。

通過對冒煙發(fā)動機火焰筒的復(fù)查工作可以看出，故障件火焰筒的結(jié)構(gòu)尺寸除部分主燃孔因搪瓷導(dǎo)致尺寸輕微超差外，其余尺寸均合格，因此可以排除火焰筒結(jié)構(gòu)尺寸引起積碳嚴(yán)重的可能性。

通過對冒煙發(fā)動機燃油總管及噴嘴的性能復(fù)試可以看出，發(fā)動機在出廠使用一段時間后，總管性能會產(chǎn)生漂移，會導(dǎo)致14個噴嘴的燃油分布不均，造成局部位置噴嘴供油量偏大，在原本富油設(shè)計的基礎(chǔ)上，更加富油燃燒，引起積碳的產(chǎn)生。

通過對冒煙發(fā)動機主燃油泵性能復(fù)試可以看出，燃油泵的主副油路總漏油量超差偏大，會造成發(fā)動機在停車過程中有較多的燃油流入高溫燃燒室內(nèi)，容易在靠近主副油路接口處的火焰筒形成積碳。

從目前統(tǒng)計的發(fā)動機冒煙工作時間來看，冒煙故障主要發(fā)生在0-300小時的使用時間內(nèi)，占冒煙發(fā)動機數(shù)量的80%，絕大部分300小時內(nèi)冒煙的發(fā)動機，火焰筒除積碳后在后續(xù)使用過程中故障并未復(fù)現(xiàn)，而主燃油泵的使用壽命為300小時，即發(fā)動機使用滿300小時后必須更換主燃油泵，由此分析，火焰筒頭部積碳嚴(yán)重與主燃油泵的性能有一定關(guān)系?；鹧嫱差^部積碳嚴(yán)重導(dǎo)致主燃孔堵塞，空氣進氣量不足，燃燒室油氣比進一步增大，使得燃燒更為不充分。并且，發(fā)動機在停車前，處于慢車工況，空氣流量小，會造成燃燒室頭部富油，使得燃燒惡化，造成發(fā)動機停車冒黑煙。

5 危害性分析

某型發(fā)動機火焰筒頭部積碳程度輕微時，不會對發(fā)動機使用造成影響。當(dāng)火焰筒頭部積碳程度嚴(yán)重時，有時會導(dǎo)致發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速或停車時從尾噴口處冒黑煙，有可能會引起外場空勤人員對飛行狀況的錯誤判斷。另外，積碳嚴(yán)重時，會降低發(fā)動機燃燒效率，對發(fā)動機性能有一定影響。由于外場冒煙故障比較容易發(fā)現(xiàn)，冒煙嚴(yán)重時，可及時將火焰筒頭部積碳去除，去除積碳后故障可排除。

6 結(jié)語

通過對此問題進行分析，可以得到以下結(jié)論：

第一，發(fā)動機停車冒煙故障主要與火焰筒頭部積碳嚴(yán)重有關(guān)。

第二，結(jié)焦積碳的性質(zhì)和噴嘴零部件的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及表面粗糙度有關(guān)。因此，制造噴嘴零部件時，應(yīng)減小其表面粗糙度、降低材料的界面張力，有效地抑制結(jié)焦積碳的生成。

第三，放油活門內(nèi)的膠墊硬度偏大，裝配時容易產(chǎn)生微裂紋，造成膠墊損壞。隨著使用時間的延長，膠墊斷裂，導(dǎo)致發(fā)動機停車后放油活門密封不嚴(yán)，余油在高溫的火焰筒頭部形成積碳。應(yīng)嚴(yán)格控制膠墊硬度，在新機和大修機裝配放油活門橡膠墊時，檢查膠墊是否損傷，損傷的膠墊進行更換。

第四，主燃油泵的主副油路總漏油量超差偏大，會導(dǎo)致停車過程中持續(xù)有燃油從主油路流向燃燒室，在高溫的火焰筒頭部形成積碳。應(yīng)加強控制主燃油泵主副油路總漏油量，消除漏油量偏大的故障。

[1] 王旭全．積碳對發(fā)動機性能的影響[J].黑龍江交通科技，2008( 5) : 75-76.

[2] 劉紅普，唐建生.發(fā)動機熱浴現(xiàn)象對噴油器積碳的影響[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2007( 6) : 41-43.

[3] 李處森，于力，楊遠(yuǎn)生.三種金屬及其氧化物膜在碳?xì)浠衔餆崃呀夥磻?yīng)中結(jié)焦行為的研究[J].中國腐蝕與防護學(xué)報，2001，21(3) : 158-166.

[4] Xie Wenjie，F(xiàn)ang Wenjun，Li Dan，et al.Coking of model hydrocarbonfuels under supercritical condition[J].Energy & Fuels，2009(23): 2997-3001.

[5] Zhang Jianqiang，David J Y.Coking and dusting of Fe-Ni alloys in CO-H2-H2O gas mixtures[J].Oxid Met，2008(70): 189-211.

[6] Jia Jifei，Tanabe Eishi，Wang Peng， et al.Study on the anti-coking nature of Ni /SrTiO3 catalysts by the CH4 pyrolysis[J].Catalysis Letters，2001，76(3-4) : 183-192.