航空發(fā)動機(jī)Ps3管路結(jié)冰問題分析研究

尹吉龍 廉征環(huán)

摘 要：本文對航空發(fā)動機(jī)Ps3管路結(jié)冰問題進(jìn)行了分析研究，總結(jié)了發(fā)動機(jī)起動前管路結(jié)冰的處置措施，同時提出了發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中Ps3管路結(jié)冰的解決方案，對后續(xù)發(fā)動機(jī)研制具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī);管路結(jié)冰;軟件識別;飛行安全。

1 引言

作為起動、加速油控制變量已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于發(fā)動機(jī)控制行業(yè)， 與主燃燒室的油氣比存在正比關(guān)系，對渦輪進(jìn)口溫度

可以起到很好的控制作用。這種供油方式比較依賴于油量的控制和計(jì)量精度，在發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)油量控制和計(jì)量精度不能滿足要求時，實(shí)際供油量偏離設(shè)計(jì)要求，使發(fā)動機(jī)在起動、加速過程超出穩(wěn)定工作范圍，出現(xiàn)超溫、喘振、起動不成功等異常狀態(tài)，從而影響發(fā)動機(jī)起動和加速性能。因此，發(fā)動機(jī)Ps3參數(shù)的測試準(zhǔn)確性對發(fā)動機(jī)起動、加減速控制至關(guān)重要。

2 問題描述

航空發(fā)動機(jī)通過外部管路將高壓壓氣機(jī)后靜壓Ps3引至壓力傳感器盒，壓力傳感器盒將壓力值轉(zhuǎn)換為電壓值傳輸給數(shù)字電子控制器，控制器根據(jù)標(biāo)定的壓力-電壓曲線計(jì)算壓力值。飛機(jī)在寒冷天氣下長時間停場或經(jīng)過過雨/雪區(qū)飛行后，發(fā)動機(jī)Ps3測試管路中會存留部分水汽，如果水汽不能及時排出，遇到污染物、砂塵等細(xì)小固體顆粒后會凝結(jié)成冰晶，冰晶長時間聚集后形成冰塊堵塞在管路中，數(shù)字電子控制器無法準(zhǔn)確測量Ps3壓力，測量值與實(shí)際值出現(xiàn)偏差，發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)將不能按照需求提供準(zhǔn)確的燃油供給，主要危害為：

1）起動時發(fā)動機(jī)起動失敗;

2）發(fā)動機(jī)運(yùn)行期間因供油不足而無法加速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，甚至造成停車。

民航發(fā)動機(jī)發(fā)布的故障通報中，上述兩種情況時有發(fā)生。發(fā)動機(jī)起動失敗造成飛行任務(wù)延遲，給航空公司帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失;發(fā)動機(jī)無法加速到目標(biāo)轉(zhuǎn)速導(dǎo)致起飛中斷不但會延誤飛行任務(wù)，嚴(yán)重時可能會出現(xiàn)機(jī)毀人亡的災(zāi)難性后果。

3 解決措施

3.1 起動前結(jié)冰

發(fā)動機(jī)在起動前出現(xiàn)管路結(jié)冰情況時，由于此時發(fā)動機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn)，Ps3壓力等于當(dāng)前的大氣壓力，通常情況下Ps3管路并不會完全堵死，數(shù)字電子控制器仍能采集到當(dāng)前的壓力值，因此無法通過Ps3采集值判斷管路是否結(jié)冰。為避免因管路結(jié)冰導(dǎo)致發(fā)動機(jī)起動失敗，航空發(fā)動機(jī)公司通常在服務(wù)通告中要求沈陽、哈爾濱等中國北方機(jī)場，在冬季航行前對發(fā)動機(jī)進(jìn)行暖機(jī)，即用熱風(fēng)槍對相應(yīng)管路進(jìn)行加熱。為了避免這種頻繁的維修負(fù)擔(dān)，航空公司提供了一種臨時的措施，即定期使用抽真空機(jī)對壓力傳感器盒執(zhí)行水汽去除，對Ps3管路用氮?dú)饣蚋稍锟諝獯祪羝渲械臍埩羲?/p>

3.2 運(yùn)行過程結(jié)冰

3.2.1 問題描述

發(fā)動機(jī)運(yùn)行后，在飛機(jī)穿越雨/雪區(qū)域后，發(fā)動機(jī)吸入的雨/雪經(jīng)過壓氣機(jī)后變?yōu)樗M(jìn)入Ps3管路，由于Ps3采集的是發(fā)動機(jī)靜壓，水汽在管路中基本上處于非流動狀態(tài)，飛機(jī)高度變化后管路內(nèi)部的水汽會逐步凝結(jié)成冰晶最終形成冰塊，造成Ps3管路堵塞，此時發(fā)動機(jī)處于工作狀態(tài)，無法采用物理方法除冰，因此需要數(shù)字電子控制系統(tǒng)對Ps3測量值進(jìn)行故障檢測和故障隔離，采用Ps3模型值參與控制，保證發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作。

3.2.2 機(jī)理分析

Ps3是發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)后的壓力，發(fā)動機(jī)運(yùn)行時Ps3與發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)速相關(guān)，發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作時，油門桿、轉(zhuǎn)速、Ps3等參數(shù)保持相對穩(wěn)定或相同的變化趨勢，當(dāng)Ps3管路出現(xiàn)結(jié)冰堵塞情況時，Ps3壓力會出現(xiàn)異常下掉，通過監(jiān)測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、Ps3參數(shù)的變化趨勢，可判斷是否出現(xiàn)Ps3管路結(jié)冰。

a）發(fā)動機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)

發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)條件下，油門桿保持不變，發(fā)動機(jī)狀態(tài)、參數(shù)均穩(wěn)定，正常情況下發(fā)動機(jī)Ps3參數(shù)保持不變，如果此時控制系統(tǒng)監(jiān)測到Ps3出現(xiàn)降低的趨勢，偏離正常的Ps3狀態(tài)，表明Ps3信號采集異常，判斷Ps3管路可能存在結(jié)冰堵塞現(xiàn)象。

b）轉(zhuǎn)速上升過程

發(fā)動機(jī)在閉環(huán)控制階段，緩慢上推油門桿調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)狀態(tài)時，發(fā)動機(jī)各狀態(tài)參數(shù)均應(yīng)上升，如果此時控制系統(tǒng)監(jiān)測到Ps3上升緩慢或保持不變甚至降低，Ps3的變化率低于油門桿、轉(zhuǎn)速等參數(shù)變化率，表明Ps3采集值與發(fā)動機(jī)實(shí)際狀態(tài)不一致，判斷Ps3管路可能出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。

c）加速狀態(tài)

快推油門桿進(jìn)入加速狀態(tài)時，發(fā)動機(jī)各狀態(tài)參數(shù)均快速上升，Ps3應(yīng)跟隨發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)速快速上升，如果此時控制系統(tǒng)監(jiān)測到Ps3上升緩慢或保持不變甚至降低，說明此時Ps3采集值偏離了發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，判斷Ps3管路可能存在結(jié)冰堵塞現(xiàn)象。

3.2.3 邏輯設(shè)計(jì)約束

通過軟件進(jìn)行Ps3管路結(jié)冰判斷時，需對發(fā)動機(jī)有足夠的認(rèn)知，充分識別各種工況下Ps3的變化情況，避免出現(xiàn)誤判Ps3管路結(jié)冰的情況，

1）發(fā)動機(jī)引氣

發(fā)動機(jī)引氣時，Ps3同樣會出現(xiàn)短時下降的現(xiàn)象，與管路結(jié)冰的表現(xiàn)基本相似，如果在結(jié)冰判據(jù)中不加入其他判斷條件，很大可能會出現(xiàn)誤判，導(dǎo)致控制系統(tǒng)將正常的Ps3信號隔離，減少了控制余度，降低了發(fā)動機(jī)安全性。為解決該問題，可通過引入發(fā)動機(jī)引氣信號來識別發(fā)動機(jī)處于引氣切換階段，此時不進(jìn)行管路結(jié)冰判斷，避免出現(xiàn)誤判。

2）發(fā)動機(jī)喘振

發(fā)動機(jī)喘振時，Ps3會出現(xiàn)短時快速下降現(xiàn)象，可能會誤觸發(fā)結(jié)冰判據(jù)，通過分析Ps3管路結(jié)冰與喘振時的Ps3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，喘振時Ps3是急速變化的，在單個采集周期內(nèi)Ps3降低20%～30%，而管路結(jié)冰時Ps3變化是緩慢的，單個采集周期內(nèi)變化3%～5%。在詳細(xì)設(shè)計(jì)判斷邏輯時，對變化速率進(jìn)行詳細(xì)分析后選取最優(yōu)判據(jù)。

3）發(fā)動機(jī)狀態(tài)確認(rèn)

發(fā)動機(jī)狀態(tài)不同，Ps3管路結(jié)冰后的表現(xiàn)不同，如發(fā)動機(jī)減速時Ps3下掉是發(fā)動機(jī)正常工作特性，此時判斷Ps3管路結(jié)冰是不合理的，因此必須準(zhǔn)確識別發(fā)動機(jī)當(dāng)前處于穩(wěn)態(tài)還是加減速狀態(tài)，才能進(jìn)一步根據(jù)發(fā)動機(jī)狀態(tài)判斷Ps3管路是否出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。

3.2.4 結(jié)冰告警

運(yùn)行過程中檢測出結(jié)冰后，應(yīng)記錄告警信息，在飛機(jī)著陸后，提示地勤人員進(jìn)行除冰操作。

4 結(jié)論

針對Ps3管路結(jié)冰問題，發(fā)動機(jī)起動前可通過使用熱風(fēng)槍加熱Ps3管路的方法進(jìn)行管路除冰，保證發(fā)動機(jī)能正常起動;發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程時，控制系統(tǒng)在充分識別發(fā)動機(jī)各種工況下Ps3變化情況的基礎(chǔ)上，通過邏輯設(shè)計(jì)將管路結(jié)冰后的異常Ps3信號隔離，使用計(jì)算的Ps3模型值參與發(fā)動機(jī)控制，保證發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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