某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)點(diǎn)火供油故障研究

顧雪波，趙靜云，張文學(xué)

（中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，陜西西安710077）

0 引言

某型燃油泵是某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)配套的主燃油泵，主要功用是供給燃油調(diào)節(jié)器高壓燃油和提供起動(dòng)用燃油，并與燃油調(diào)節(jié)器配套工作，完成等壓差控制與應(yīng)急供油功能，由低壓離心泵、高壓齒輪泵、安全活門(mén)、中心油濾、應(yīng)急轉(zhuǎn)換活門(mén)、回油活門(mén)、起動(dòng)活門(mén)等部件組成。

2014年來(lái)，某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)大修出廠交付用戶后，發(fā)生了多起與該型燃油泵相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障，故障發(fā)生時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口伴有冒煙、噴火現(xiàn)象。此類(lèi)故障與該型發(fā)動(dòng)機(jī)之前出現(xiàn)的起動(dòng)故障模式[1]不同，需重新對(duì)該類(lèi)起動(dòng)故障機(jī)理進(jìn)行研究。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程分析

1.1 起動(dòng)過(guò)程介紹

某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程[2]由以下三階段組成，具體過(guò)程如圖1所示。

第一階段，由空氣起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)加速，自按壓“起動(dòng)”按鈕開(kāi)始至燃燒室供油燃燒，渦輪開(kāi)始發(fā)出功率為止。此階段由空氣起動(dòng)機(jī)單獨(dú)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)加速，自按壓“起動(dòng)”按鈕開(kāi)始起算，這時(shí)點(diǎn)火裝置開(kāi)始工作；經(jīng)過(guò)9s，燃油泵向發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)點(diǎn)火噴嘴供油，并形成起動(dòng)火焰；15s時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)時(shí)向工作噴嘴供油，并由起動(dòng)火焰點(diǎn)燃，渦輪開(kāi)始發(fā)出功率，此時(shí)第一階段結(jié)束。

第二階段，由空氣起動(dòng)機(jī)和渦輪共同帶動(dòng)壓氣機(jī)加速，直至帶轉(zhuǎn)裝置（即斷開(kāi)空氣起動(dòng)機(jī)）退出工作。此階段中，由空氣起動(dòng)機(jī)和渦輪共同帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)加速，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪功率的迅速增加，n2轉(zhuǎn)速迅速增大，當(dāng)n2達(dá)到43±1.5%，由發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)斷開(kāi)空氣起動(dòng)機(jī)。

第三階段，由渦輪單獨(dú)帶動(dòng)壓氣機(jī)加速直至慢車(chē)狀態(tài)（n2=56±1.5%）。

圖1 起動(dòng)過(guò)程功率變化

1.2 起動(dòng)供油點(diǎn)火系統(tǒng)分析

1.2.1 起動(dòng)程序介紹

從按下發(fā)動(dòng)機(jī)“起動(dòng)”按鈕的瞬間起，該發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程按下列程序進(jìn)行：

1）向下列附件供電

——供電給裝在燃油泵上的停車(chē)電磁活門(mén)，斷開(kāi)向工作噴嘴供油；

——供電給點(diǎn)火裝置，電嘴工作發(fā)生火花；

——供電給空氣起動(dòng)機(jī)電磁活門(mén)，打開(kāi)空氣起動(dòng)機(jī)活塞，壓縮空氣進(jìn)到空氣起動(dòng)機(jī)渦輪，隨即空氣起動(dòng)機(jī)開(kāi)始帶動(dòng)高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

2）第9s，供電給起動(dòng)燃油電磁活門(mén)，起動(dòng)燃油噴入點(diǎn)火器，在點(diǎn)火器中由電嘴火花點(diǎn)燃。

3）第15s，停車(chē)電磁活門(mén)斷電，主燃油開(kāi)始通過(guò)工作噴嘴噴入燃燒室。在燃燒室中由起動(dòng)燃油的火焰點(diǎn)燃主燃油，渦輪排氣溫度開(kāi)始升高。

4）第25s，點(diǎn)火裝置和起動(dòng)燃油電磁活門(mén)斷電，終止電嘴工作和起動(dòng)燃油供給。

5）當(dāng)nH達(dá)到41.5%～44.5%時(shí)，由于燃油調(diào)節(jié)器的起動(dòng)機(jī)卸載微動(dòng)電門(mén)斷電，從而使空氣起動(dòng)機(jī)和DF22停止工作。

1.2.2 起動(dòng)供油分析

起動(dòng)供油系統(tǒng)如圖2所示，起動(dòng)供油由兩部分組成。

第一部分為起動(dòng)點(diǎn)火噴嘴燃油。該燃油由燃油泵起動(dòng)活門(mén)提供，在起動(dòng)第9s時(shí)噴入起動(dòng)點(diǎn)火噴嘴，由點(diǎn)火裝置將其點(diǎn)燃，形成起動(dòng)火焰，并持續(xù)至25s；

第二部分為工作噴嘴燃油。該燃油由燃油泵主供油系統(tǒng)提供，在起動(dòng)第15s時(shí)燃油泵停車(chē)電磁活門(mén)斷電，回油活門(mén)由全開(kāi)狀態(tài)轉(zhuǎn)換至受控閉合狀態(tài)，主燃油經(jīng)燃油調(diào)節(jié)器主計(jì)量油針、起動(dòng)活門(mén)、最小流量活門(mén)進(jìn)入工作噴嘴，噴入燃燒室，由起動(dòng)火焰將其點(diǎn)燃，此后，渦輪開(kāi)始發(fā)出功率。

圖2 起動(dòng)供油原理

1.2.3 起動(dòng)過(guò)程工作噴嘴點(diǎn)火時(shí)機(jī)分析

根據(jù)燃油泵及燃油調(diào)節(jié)器工作原理，得到起動(dòng)供油隨時(shí)間、轉(zhuǎn)速變化關(guān)系，如圖3所示，由于起動(dòng)過(guò)程中第一階段過(guò)程中燃油調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)系統(tǒng)未投入工作，燃燒室沒(méi)有燃油混合氣，不具備火焰生成的條件，當(dāng)?shù)竭_(dá)15s時(shí)，停車(chē)電磁活門(mén)斷電后，燃燒室供油由0增加到165kg/h，并在燃燒室內(nèi)形成一定濃度的燃油混合氣，此時(shí)具備了點(diǎn)燃的基本條件。由圖3可知起動(dòng)點(diǎn)火電嘴具備火焰的時(shí)間在起動(dòng)第9秒至25秒之內(nèi)，因此燃燒室開(kāi)始生成火焰的時(shí)間范圍在起動(dòng)第15s至25s的時(shí)間之間，若超出25S的時(shí)間，此時(shí)起動(dòng)火焰已經(jīng)消失，只有燃?xì)饣旌蠚猓粫?huì)產(chǎn)生火焰，渦輪后溫度也不會(huì)上升，多余的燃油隨氣流在尾噴口噴出，形成白煙。

圖3 起動(dòng)供油變化圖示

另一方面因起動(dòng)火焰的能量能點(diǎn)燃油氣混合氣的能力是有限的，因此油氣混合比需要在一定范圍內(nèi)，才能較好的被點(diǎn)燃，形成火焰。若燃燒室供油時(shí)機(jī)不對(duì)，造成油氣混合比不在合適的范圍內(nèi)，就會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)火失敗、爆燃、尾噴口噴火等現(xiàn)象，此時(shí)一般情況下，還會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口有未參與燃燒的燃油噴出，形成白煙。所以就此分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)要想點(diǎn)火成功，燃燒室工作噴嘴的供油時(shí)機(jī)是非常重要的。

根據(jù)系統(tǒng)工作原理，在起動(dòng)第15s停車(chē)電磁活門(mén)斷電后，燃油泵主燃油供油由0突增至165kg/h的時(shí)間完全由回油活門(mén)決定，而回油活門(mén)由開(kāi)放狀態(tài)轉(zhuǎn)換至關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)間與回油活門(mén)的靈活性、回油活門(mén)彈簧力特性、停車(chē)電磁活門(mén)動(dòng)作時(shí)間及節(jié)流器的流量相關(guān)。

2 故障原因分析與仿真

2.1 故障情況統(tǒng)計(jì)

自2014年以來(lái)，某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)大修出廠交付用戶后，在使用過(guò)程中多次出現(xiàn)起動(dòng)噴火故障，多次調(diào)整燃油調(diào)節(jié)器的起動(dòng)供油量，故障情況雖有改善，但無(wú)法徹底排除，通過(guò)串換起動(dòng)控制盒、點(diǎn)火器、燃油調(diào)節(jié)器、燃油泵，最后確定該故障是燃油泵導(dǎo)致的，這些燃油泵均是修理后附件，且總使用時(shí)間均在750小時(shí)以上，具體故障情況見(jiàn)表1。

通過(guò)判讀飛參，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度在起動(dòng)過(guò)程中滯后，具體見(jiàn)圖4。

表1 外場(chǎng)起動(dòng)故障情況

2.2 故障原因分析

從圖4可以看出，故障時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后溫度上升起始點(diǎn)較正常時(shí)有一定的滯后時(shí)間，渦輪后溫度的上升顯示主燃燒室已被點(diǎn)燃并開(kāi)始產(chǎn)生持續(xù)的燃燒，渦輪此時(shí)開(kāi)始投入工作，渦輪后排氣溫度上升的滯后即代表了主燃油供給到主燃燒室產(chǎn)生了滯后，由1.2.3節(jié)的分析可以得知，若主供油系統(tǒng)供油滯后太多或者上升比較突然，有可能錯(cuò)過(guò)最佳的點(diǎn)火時(shí)機(jī)，造成點(diǎn)火失敗或者產(chǎn)生爆燃、尾噴口噴火等現(xiàn)象出現(xiàn)。因此根據(jù)故障現(xiàn)象、飛參及該型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作機(jī)理，認(rèn)為造成發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)噴火的原因是：起動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作噴嘴供油滯后，造成點(diǎn)火時(shí)機(jī)不正確。燃油泵中與之相關(guān)的因素有：

1）供油量偏??；

2）回油活門(mén)運(yùn)動(dòng)不靈活。

根據(jù)該型燃油泵現(xiàn)行技術(shù)條件[5]，對(duì)故障燃油泵進(jìn)行性能錄取，其中與外場(chǎng)故障相關(guān)的性能均合格，且與出廠值相當(dāng)，未見(jiàn)衰減，見(jiàn)表2。對(duì)燃油泵進(jìn)行局部分解，檢查回油活門(mén)組件靈活性，測(cè)量回油活門(mén)間隙、節(jié)流器流量，符合技術(shù)要求，但回油活門(mén)彈簧力特性超出下限，見(jiàn)表3。

表2 燃油泵性能數(shù)據(jù)

圖4 起動(dòng)時(shí)渦輪排氣溫度隨時(shí)間變化曲線

表3 回油活門(mén)彈簧力特性數(shù)據(jù)

按照現(xiàn)行技術(shù)條件，燃油泵在廠內(nèi)試驗(yàn)器測(cè)試的是靜態(tài)數(shù)據(jù)，整個(gè)過(guò)程關(guān)注的是穩(wěn)態(tài)時(shí)的性能，而發(fā)動(dòng)機(jī)的工作是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，分析故障泵的參數(shù)能否和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際動(dòng)態(tài)過(guò)程產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，必須應(yīng)用一定的仿真手段，按照故障泵的實(shí)際結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)等設(shè)置仿真參數(shù)，對(duì)檢查結(jié)果進(jìn)行仿真，為分析故障機(jī)理提供有益思路。

2.3 仿真分析

2.3.1 仿真模型的建立

運(yùn)用AMESim軟件搭建燃油泵主油路起動(dòng)供油模型[3]，如圖5所示。

圖5 燃油泵起動(dòng)供油模型

根據(jù)計(jì)算手冊(cè)[4]，燃油泵出口壓力為：

PT=ΔP管道+ΔP計(jì)量+ΔP關(guān)斷+ΔP反閥+ΔP噴嘴+ΔP燃燒室

ΔP關(guān)斷=6kg/cm2——關(guān)斷活門(mén)上的壓降；

ΔP計(jì)量=4kg/cm2——流量調(diào)節(jié)器計(jì)量閥上的壓降；

ΔP反閥=3kg/cm2——反閥上的壓降；

ΔP管道=5kg/cm2——管道中的阻力和關(guān)斷閥和反閥的誤差形成的總的壓力損失。

已知發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)回油活門(mén)完全關(guān)閉時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作噴嘴燃油流量GT=165kg/h，則燃油泵出口壓力19.74kg/cm2=19.35bar，將此壓力值代入燃油泵起動(dòng)仿真模型，同時(shí)模擬停車(chē)電磁活門(mén)通斷，得到圖6仿真曲線，與圖7實(shí)際測(cè)試曲線對(duì)比稍有差異，表現(xiàn)在電磁活門(mén)斷電后，回油活門(mén)回程較短，這是因?yàn)榉抡嬷袥](méi)有附加系統(tǒng)泄露和摩擦力，對(duì)定性分析判斷沒(méi)有影響，可以判定仿真模型與燃油泵的實(shí)際工作狀態(tài)相當(dāng)，可以用來(lái)進(jìn)行故障的模擬。

圖6 停車(chē)電磁活門(mén)轉(zhuǎn)換前、后燃油泵出口壓力仿真曲線

2.3.2 故障泵模擬仿真

分別將故障泵回油活門(mén)彈簧力特性和理論參數(shù)代入燃油泵起動(dòng)仿真模型，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 燃油泵出口壓力仿真曲線

從圖8看出，回油活門(mén)彈簧力特性衰減后，在起動(dòng)過(guò)程中，燃油泵出口壓力上升出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。因?yàn)榉抡嬷袥](méi)有考慮系統(tǒng)泄露和摩擦力的存在，因此仿真的滯后現(xiàn)象在實(shí)際系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)放大，這種滯后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作影響較大，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)工作噴嘴為單油路離心式設(shè)計(jì)，不可調(diào)，為保持大狀態(tài)燃油霧化效果，相對(duì)雙油路而言，小狀態(tài)燃油壓力小、霧化效果較差、工作穩(wěn)定性較差。故在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，若燃油泵供油壓力上升滯后，則會(huì)使得工作噴嘴霧化效果變差，達(dá)不到火焰被點(diǎn)燃的條件，燃油從尾噴口噴出，形成白色“煙霧”；當(dāng)燃油壓力繼續(xù)上升，燃油霧化效果變好，燃燒室內(nèi)產(chǎn)生火焰，而此時(shí)，已經(jīng)有較多的燃油被氣流帶入渦輪及尾噴口中，遇到高溫的燃?xì)?，有可能被點(diǎn)燃，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)尾噴口噴火現(xiàn)象。

將回油活門(mén)彈簧的預(yù)壓力增加1N，燃油泵出口壓力與理論曲線基本重合（見(jiàn)圖9），這說(shuō)明可以通過(guò)增加回油活門(mén)彈簧下調(diào)整墊片厚度約0.3mm，加大回油活門(mén)彈簧的預(yù)壓力，解決外場(chǎng)出現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)噴火故障。

3 驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，外場(chǎng)對(duì)同類(lèi)故障采取在燃油泵的回油活門(mén)彈簧下增加調(diào)整墊片的方法，加大回油活門(mén)彈簧的預(yù)壓力，排除該故障。

圖9 燃油泵出口壓力仿真曲線

4 結(jié)論

1）某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的起動(dòng)噴火故障與燃油泵回油活門(mén)彈簧長(zhǎng)時(shí)間使用后力特性衰減有關(guān)。

2）為解決發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)噴火故障，一方面完善燃油泵修理技術(shù)條件，增加回油彈簧彈力特性檢查要求，杜絕回油活門(mén)彈簧力特性衰減較多的情況；另一方面，外場(chǎng)可通過(guò)增加燃油泵回油活門(mén)彈簧下調(diào)整墊片厚度，加大回油活門(mén)彈簧預(yù)壓力，排除此故障。

[1]趙靜云，顧雪波，惠鑫彥.某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)故障研究.西控公司2014年度科技論文集.

[2]褚云程,揚(yáng)志宇.渦扇-xx發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)說(shuō)明書(shū),608研究所,1997.

[3]付永新，祈曉野，LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊(cè)［M］，北京.北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[4]Расчеты отдельных уалов и злементов насоса 4001，регулятора 4000，1996.

[5]XXX-6燃油泵技術(shù)條件，西安航空動(dòng)力控制科技有限公司，2002.