某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)故障研究

王永華，孫 濤，張 赟，王 琳

(海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001)

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為直升機(jī)的動(dòng)力裝置，在飛行訓(xùn)練和使用過(guò)程中頻繁發(fā)生起動(dòng)系統(tǒng)故障，這些故障造成了起飛任務(wù)不成功、停飛等問(wèn)題，對(duì)飛行安全產(chǎn)生了重要影響，極大地影響了飛行訓(xùn)練計(jì)劃。由于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障原因多，機(jī)務(wù)人員依據(jù)飛參測(cè)量的外場(chǎng)監(jiān)控參數(shù)主要有燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速、排氣溫度、滑油壓力、滑油溫度等，這些參數(shù)難以與發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)建立直接的故障關(guān)聯(lián)，而對(duì)于與起動(dòng)系統(tǒng)故障有關(guān)的燃油溫度、燃油壓力等參數(shù)均不在發(fā)動(dòng)機(jī)上測(cè)量，顯然飛參參數(shù)不能直接反映發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功的故障原因，無(wú)法確定起動(dòng)系統(tǒng)具體故障部件，因此機(jī)務(wù)人員難以通過(guò)日常維護(hù)和使用飛參監(jiān)控進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的排故工作。國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的研究大多依據(jù)飛參監(jiān)控參數(shù)建立故障模型，對(duì)氣路部件故障研究居多，對(duì)于飛參監(jiān)控參數(shù)與燃油溫度、燃油壓差等參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系研究較少[1-2]。

本文通過(guò)起動(dòng)系統(tǒng)故障樹(shù)分析，建立了某型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)不成功排故流程，探索了起動(dòng)不成功故障與監(jiān)控參數(shù)關(guān)聯(lián)性關(guān)系。以燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速上升而排氣溫度不上升的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障作為典型故障進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明燃油壓差參數(shù)對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)故障分析和排除具有重要指導(dǎo)作用。

1 起動(dòng)系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)分析

某型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的作用是使飛機(jī)在地面和空中均能迅速起動(dòng)。起動(dòng)系統(tǒng)包括起動(dòng)點(diǎn)火供油系統(tǒng)、起動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)和起動(dòng)電氣系統(tǒng)三部分，主要包括起動(dòng)電磁活門、起動(dòng)放油活門、起動(dòng)噴嘴、高能點(diǎn)火器、高能電嘴等部件。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，油門桿、主燃油開(kāi)關(guān)位于起動(dòng)位置后，按下起動(dòng)按鈕，起動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火組件和起動(dòng)電磁活門接通電源。起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子，燃油泵出口壓力增大，當(dāng)燃油壓力增加到0.12 MPa時(shí)，起動(dòng)放油活門關(guān)閉，停止放油。增壓燃油經(jīng)起動(dòng)電磁活門、起動(dòng)噴嘴成霧狀噴入燃燒室。同時(shí)，高能點(diǎn)火器工作，半導(dǎo)體電嘴產(chǎn)生電火花，點(diǎn)燃油氣混合氣，起動(dòng)機(jī)停止工作。起動(dòng)系統(tǒng)工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 起動(dòng)系統(tǒng)工作原理示意圖

統(tǒng)計(jì)分析使用該型發(fā)動(dòng)機(jī)的三個(gè)單位在2016—2019年發(fā)生493項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)故障事件，對(duì)其中發(fā)生的90起地面故障事件進(jìn)行梳理分析，發(fā)現(xiàn)其中起動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)故障76起，占地面故障事件的84%。在起動(dòng)系統(tǒng)故障現(xiàn)象中，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障達(dá)63起，占起動(dòng)系統(tǒng)所有故障事件的82.9%，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)其他故障數(shù)量及比例見(jiàn)表1。

表1 起動(dòng)系統(tǒng)故障現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)63起發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障事件分析，可以看出燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速上升而排氣溫度不上升的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障事件發(fā)生次數(shù)最多，達(dá)41次。這也與某型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)說(shuō)明書中對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)關(guān)于起動(dòng)機(jī)和燃?xì)獍l(fā)生器渦輪共同帶動(dòng)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子加速階段多發(fā)生起動(dòng)故障的論述相吻合。因此，本文將燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速Ng上升而排氣溫度T4不上升的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障作為起動(dòng)系統(tǒng)典型故障進(jìn)行分析。

2 典型故障分析

2.1 起動(dòng)不成功故障分析

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障主要可能由發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)故障導(dǎo)致，但是當(dāng)燃油系統(tǒng)故障時(shí)(如燃油不足)也會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)不成功，但這類故障情況在飛機(jī)預(yù)先機(jī)務(wù)準(zhǔn)備通電檢查時(shí)外場(chǎng)維護(hù)人員大多能發(fā)現(xiàn)，因此本文分析發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障，忽略由于燃油系統(tǒng)故障導(dǎo)致的起動(dòng)不成功原因,只對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)本身導(dǎo)致故障原因展開(kāi)詳細(xì)分析。某型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)包括起動(dòng)點(diǎn)火供油系統(tǒng)、起動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)和起動(dòng)電氣系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)故障均有可能造成該典型故障的產(chǎn)生。分別對(duì)三個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行分析，在建立故障樹(shù)時(shí)不考慮由于人為因素導(dǎo)致的故障，如未將油門桿放于起動(dòng)位置等。當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速上升時(shí)，可以得出起動(dòng)機(jī)正常帶轉(zhuǎn)。排氣溫度不上升的故障原因?yàn)槠饎?dòng)過(guò)程中未正常燃燒，未正常燃燒可進(jìn)一步分為未正常點(diǎn)火與未正常供油。結(jié)合使用中的排故實(shí)際情況，最后對(duì)所有可能造成故障的原因進(jìn)行分析可以建立起動(dòng)不成功的故障樹(shù)，如圖2所示。

圖2 起動(dòng)不成功故障樹(shù)

2.2 典型排故流程

根據(jù)典型故障建立的故障樹(shù)，進(jìn)行故障排除，具體流程步驟如下。

(1) 確定起動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)是否有故障

聽(tīng)有無(wú)點(diǎn)火聲音進(jìn)行檢查。若無(wú)點(diǎn)火聲音，則按維護(hù)手冊(cè)檢查高能點(diǎn)火器和兩個(gè)半導(dǎo)體電嘴是否正常工作。若檢查或更換部件仍無(wú)法正常點(diǎn)火，則對(duì)電氣系統(tǒng)中高能點(diǎn)火器及兩個(gè)半導(dǎo)體電嘴的供電線路進(jìn)行排故。

(2) 確定是否正常供油

若檢查起動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)時(shí)有點(diǎn)火聲音，則檢查渦輪機(jī)匣漏油活門是否有燃油排出。若無(wú)燃油排出，則檢查供油油壓是否正常。若供油油壓低則檢查燃油系統(tǒng)是否正常工作。若供油壓力正常，則對(duì)起動(dòng)電磁活門及噴嘴進(jìn)行排故。

(3) 確定起動(dòng)點(diǎn)火供油系統(tǒng)是否故障

若有燃油排出，則供油正常，則對(duì)起動(dòng)點(diǎn)火供油系統(tǒng)中的防止再噴油開(kāi)關(guān)、起動(dòng)活門或噴嘴進(jìn)行檢查。排故流程圖如圖3所示。

圖3 起動(dòng)不成功排故流程圖

2.3 故障處置

統(tǒng)計(jì)分析所有故障事件，可以看出由起動(dòng)電磁活門故障導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障事件達(dá)36起。建議起動(dòng)電磁活門生產(chǎn)廠家對(duì)起動(dòng)電磁活門進(jìn)行分解分析與工藝優(yōu)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在36起起動(dòng)電磁活門故障事件中，電磁活門內(nèi)部元件故障較為分散，包括活門卡滯、微動(dòng)開(kāi)關(guān)故障、彈簧不復(fù)位、膜片故障等，因此廠家在對(duì)起動(dòng)電磁活門進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要著重考慮整體上的設(shè)計(jì)優(yōu)化，以提高電磁活門的使用壽命。

在設(shè)計(jì)優(yōu)化落實(shí)前，由于起動(dòng)電磁活門拆卸較為復(fù)雜(起動(dòng)電磁活門需要同放油活門一同卸下)，維護(hù)檢查所需步驟與工序較多，因此若安排對(duì)電磁活門的定期維護(hù)，會(huì)對(duì)機(jī)務(wù)人員工作造成額外負(fù)擔(dān)。因此對(duì)電磁活門的維護(hù)仍然按照維護(hù)規(guī)程進(jìn)行，但在進(jìn)行排故時(shí)可先判斷是否為起動(dòng)電磁活門故障(更換電磁活門再進(jìn)行起動(dòng))，以提高排故效率[3-4]。

3 故障與監(jiān)控參數(shù)分析研究

根據(jù)圖2的故障樹(shù)，結(jié)合使用過(guò)程中實(shí)際發(fā)生的排故結(jié)果對(duì)所有導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障的故障部件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障部件統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障多由起動(dòng)電磁活門故障導(dǎo)致，占該故障的57.1%。但目前外場(chǎng)現(xiàn)有監(jiān)控參數(shù)無(wú)法在起動(dòng)不成功時(shí)判斷出起動(dòng)電磁活門是否有故障，一般采用對(duì)高能點(diǎn)火器排故后間接反映起動(dòng)電磁活門是否故障。這種排故方式效率較低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此分析是否可以通過(guò)增加其他監(jiān)控參數(shù)對(duì)起動(dòng)電磁活門的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和故障判斷。通過(guò)分析確立了監(jiān)測(cè)燃油壓差參數(shù)可以準(zhǔn)確判斷出起動(dòng)不成功故障的具體發(fā)生部位和相關(guān)部件。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)研究

目前該型發(fā)動(dòng)機(jī)與燃油系統(tǒng)有關(guān)的監(jiān)控參數(shù)有燃油溫度及燃油壓力，難以準(zhǔn)確判斷出發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障的故障部件。通過(guò)分析起動(dòng)點(diǎn)火供油系統(tǒng)原理可在起動(dòng)供油路上測(cè)量壓力P1與起動(dòng)電磁活門后起動(dòng)噴嘴前壓力P2，安裝燃油壓差表以監(jiān)測(cè)ΔP=P1-P2，以對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)故障進(jìn)行監(jiān)控，具體測(cè)量點(diǎn)位置如圖4所示。如果在該型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)上增設(shè)燃油壓差監(jiān)控參數(shù)，可以通過(guò)該參數(shù)最大值、最小值的偏離量以及參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)不成功故障進(jìn)行準(zhǔn)確排故分析和故障部件定位。

圖4 起動(dòng)點(diǎn)火供油系統(tǒng)

3.2 典型故障監(jiān)控參數(shù)變化規(guī)律

正常起動(dòng)時(shí)，根據(jù)起動(dòng)供油原理，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)燃油經(jīng)增壓泵、燃油調(diào)節(jié)器進(jìn)入起動(dòng)點(diǎn)火供油系統(tǒng)。此時(shí)P1從0 MPa開(kāi)始持續(xù)上升至穩(wěn)定狀態(tài)的某一油壓。當(dāng)P1達(dá)到一定值(設(shè)為Pmax)時(shí)，起動(dòng)放油活門關(guān)閉，燃油經(jīng)過(guò)起動(dòng)電磁活門進(jìn)入放油噴嘴，此時(shí)P2從0 MPa開(kāi)始上升直至與P1相等(因管路與活門存在流阻，P2會(huì)始終略小于P1，設(shè)穩(wěn)定狀態(tài)下P1-P2=Pmin)。因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，燃油壓差數(shù)ΔP從0 MPa升至Pmax后再由Pmax降至Pmin，ΔP隨時(shí)間變化如圖5所示。

圖5 正常工作時(shí)ΔP變化情況

在相同的起動(dòng)工作時(shí)間內(nèi)通過(guò)監(jiān)測(cè)壓差最大值的偏離量，可以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)放油活門是否發(fā)生故障。當(dāng)起動(dòng)放油活門故障時(shí)壓差變化ΔP如圖6所示。

圖6 起動(dòng)放油活門故障時(shí)ΔP變化情況

當(dāng)在相同的起動(dòng)工作時(shí)間內(nèi)。在供油壓力P1不變的情況下，隨著起動(dòng)時(shí)間的增長(zhǎng)，起動(dòng)噴嘴前壓力P2會(huì)隨著起動(dòng)電磁活門和防止噴油開(kāi)關(guān)卡滯而偏小，此時(shí)導(dǎo)致燃油壓差ΔP偏高。當(dāng)起動(dòng)電磁活門和防止噴油開(kāi)關(guān)卡滯故障時(shí)壓差ΔP變化如圖7所示。

圖7 起動(dòng)電磁活門等故障時(shí)ΔP變化情況

在供油壓力P1不變的情況下，隨著起動(dòng)時(shí)間的增長(zhǎng)，如果起動(dòng)噴嘴堵塞會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)噴嘴前壓力P2增大，此時(shí)導(dǎo)致燃油壓差ΔP偏低。當(dāng)起動(dòng)噴嘴堵塞時(shí)壓差ΔP變化如圖7所示。在起動(dòng)過(guò)程中，如果供油壓力過(guò)低，則會(huì)導(dǎo)致燃油壓差ΔP上升緩慢，參數(shù)變化如圖8所示。

圖8 供油壓力低時(shí)ΔP變化情況

通過(guò)上述分析，起動(dòng)不成功典型故障通過(guò)監(jiān)控燃油壓差參數(shù)可以對(duì)部件進(jìn)行準(zhǔn)確定位，典型部件故障和參數(shù)變化如表3所示。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障與監(jiān)控參數(shù)關(guān)聯(lián)

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)故障的梳理，分析了起動(dòng)不成功故障的原因，建立了某型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)不成功排故流程，對(duì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障的易發(fā)故障件——起動(dòng)電磁活門進(jìn)行重點(diǎn)研究[5-6]，探索了起動(dòng)不成功故障與監(jiān)控參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過(guò)分析，確立了監(jiān)測(cè)燃油壓差參數(shù)可以準(zhǔn)確判斷出起動(dòng)不成功故障的具體發(fā)生部位和相關(guān)部件。以燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速Ng上升而排氣溫度T4不上升的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功故障作為典型故障進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明燃油壓差參數(shù)對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)故障分析和排除具有重要指導(dǎo)作用。