航空發(fā)動機低溫試驗流量參數(shù)異常診斷與分析

張炳誠 劉雪嬌 楊 懿

(1 中國航發(fā)北京航科發(fā)動機控制系統(tǒng)科技有限公司 北京 102200)

(2 北京航天試驗技術(shù)研究所 北京 100074)

1 引言

航空發(fā)動機燃油泵調(diào)節(jié)器通過感受燃氣發(fā)生器的轉(zhuǎn)速信號,對飛機油箱來油進行增壓,同時接收電子控制器指令按發(fā)動機控制規(guī)律控制燃油計量裝置的開度,確保各飛行條件和飛行狀態(tài)下按其發(fā)動機的需要提供良好狀態(tài)的燃油,保證發(fā)動機的正常工作。當數(shù)控系統(tǒng)失效時,燃油泵調(diào)節(jié)器可以自動切換備份裝置實現(xiàn)發(fā)動機正常工作,確保飛行器安全返航。

對于航空發(fā)動機這種工作環(huán)境惡劣、可靠性要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的核心關(guān)鍵產(chǎn)品,正式定型前均需要對其進行大量的試驗。研究人員需要分析大量的試驗數(shù)據(jù),評判試驗結(jié)果,分析故障原因,優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)提高產(chǎn)品性能的目的。實踐中,大量研究人員總結(jié)了諸多分析產(chǎn)品故障的有效方法。隨著計算機性能和研究軟件的進步,研究人員多采用數(shù)值仿真建模和試驗驗證的方法,研究發(fā)動機零部件在不同工作介質(zhì)、工況等條件下的工作特性。

嚴曉婧等[1]提出面向航空發(fā)動機,利用故障樹映射到ANN 的方法,實現(xiàn)動態(tài)安全風(fēng)險分析。以某型飛機某型發(fā)動機危害性后果“發(fā)動機起火不可控”為案例,對該危險后果進行故障樹分析,對其建立故障樹并一一映射,采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN 進行多次訓(xùn)練。利用算例,將得到結(jié)果與FT 結(jié)果進行比較發(fā)現(xiàn):ANN 與FT 結(jié)果匹配率較高,說明以FT 映射的ANN 模型是一種有效的風(fēng)險評估技術(shù)。所提出的方法還可以應(yīng)用到核電站系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等其它高可靠性的復(fù)雜系統(tǒng)中。

宛偉健等[2]針對航空發(fā)動機的可靠性分析方法較少考慮系統(tǒng)失效時的動態(tài)特性的研究現(xiàn)狀,提出了一種將動態(tài)故障樹和概率模型檢測相結(jié)合的可靠性分析方法,對航空發(fā)動機的可靠性進行分析。建立基于故障樹的發(fā)動機動態(tài)行為馬爾科夫鏈模型,采用PRISM 概率模型檢測語言描述馬爾科夫鏈模型。通過定量分析,比較頂事件和基于相應(yīng)條款規(guī)定的故障發(fā)生概率,驗證航空發(fā)動機的安全性。通過對某型航空渦輪發(fā)動機進行實例建模分析,驗證所提方法的正確性與可行性。

李小彪等[3]針對航空發(fā)動機運行過程中高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擺動并引起其它分系統(tǒng)諧振的問題,分析了高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的運行機理,在運行機理的基礎(chǔ)上建立了影響高壓轉(zhuǎn)子正常工作的故障樹,分析了故障影響因素。在地面試車和飛行等外場試驗過程中驗證了故障樹分析結(jié)果的準確性。

馬原等[4]采用CFD 法對液氮貯箱無排氣加注過程進行數(shù)值仿真。分析了加注口結(jié)構(gòu)、壁面初始溫度等多種因素對微重力無排氣加注性能的影響。通過建立二維軸對稱模型和網(wǎng)格求解區(qū)域,分析計算液體閃蒸過程及氣液之間的熱質(zhì)交換過程。通過試驗驗證了模型能夠合理展示箱內(nèi)溫度場分布和相分布情況,并獲得貯箱壓力等參數(shù)變化信息。

肖潤峰等[5]研究了不同工作介質(zhì)下,彎折型、旋轉(zhuǎn)型節(jié)流閥溫降和流量特性,建立了液氮、甲烷介質(zhì)下微通道節(jié)流閥內(nèi)低溫工質(zhì)減壓流動及空化過程仿真模型。通過大量實驗數(shù)據(jù),擬合了基于干度、壓降以及過冷度的質(zhì)量流量關(guān)系式。為微通道節(jié)流閥設(shè)計提供了有價值的參考依據(jù)。

本研究采用故障樹分析方法對航空發(fā)動機低溫環(huán)境下流量參數(shù)異常進行分析,成功定位燃油泵調(diào)節(jié)器的計量活門低溫流動性差是造成低溫環(huán)境下流量差異的主要原因。通過建立不同溫度和流量下的仿真模,結(jié)合試驗數(shù)據(jù)驗證了仿真模型的準確性。對行業(yè)內(nèi)研究人員對發(fā)動機故障進行分析診斷提供了參考方法。

2 發(fā)動機試驗低溫環(huán)境下工作機理

在不同環(huán)境溫度工況下,航空燃油密度和和體積流量會發(fā)生變化,燃油泵調(diào)節(jié)器同一計量開度的計量流量也會適應(yīng)地出現(xiàn)變化,其對應(yīng)關(guān)系即燃油溫度-流量特性。

發(fā)動機試驗過程中,油箱來油進入燃油泵調(diào)節(jié)器的齒輪泵,經(jīng)加壓后一路燃油返回至低壓裝置用來引射進口燃油,另一路進入主控計量裝置。主控計量裝置感受電子控制器的信號,通過步進電機控制計量活門的位置,并由位移傳感器將位置信號反饋給電子控制器形成閉環(huán)。主控計量裝置失效后,可以通過備份計量裝置實現(xiàn)發(fā)動機的加速、減速控制。系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 燃油泵調(diào)節(jié)器原理圖Fig.1 Diagram of fuel pump regulator

3 發(fā)動機試驗低溫環(huán)境下流量故障描述和定位

3.1 故障描述

某型號航空發(fā)動機在進行低溫試驗過程中,發(fā)動機燃油泵調(diào)節(jié)器出油口低溫環(huán)境下流量較正常值偏低7—9 kg/h。試驗詳細數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 低溫環(huán)境下燃油流量給定與采集差異數(shù)據(jù)表Table 1 Fuel flow difference data table between given and collected in low temperature environment

3.2 故障定位

試驗后,技術(shù)人員對該型號發(fā)動機產(chǎn)品進行了相應(yīng)的檢查,檢查內(nèi)容如下:

(1)整機試驗前的檢查

該型號發(fā)動機所裝零組件均為入庫合格零件,裝配、試驗、包裝過程記錄完整、無異常。產(chǎn)品復(fù)驗并隨發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)進行半物理試驗,整個過程中產(chǎn)品工作正常。產(chǎn)品交付后隨發(fā)動機臺架開展了包括起動扭矩測量試驗、直升機引氣試驗、振動測量試驗、整機轉(zhuǎn)速上下臺階試驗等在內(nèi)的多項試驗,試驗過程中產(chǎn)品工作正常,隨發(fā)動機累計工作時間超過100 小時。

(2)試驗后返廠檢查

問題出現(xiàn)后,一線技術(shù)人員開展燃油泵調(diào)節(jié)器返廠檢查工作。常溫條件下,燃油泵調(diào)節(jié)器、低壓裝置和燃油活門組件組成的燃油系統(tǒng)各狀態(tài)工作正常。燃油泵調(diào)節(jié)器出口小流量與給定相當,未出現(xiàn)流量偏低現(xiàn)象。

通過上述原因分析可知,常溫條件下燃油泵調(diào)節(jié)器出口流量正常,而低溫條件下燃油泵調(diào)節(jié)器出口流量值偏低。隨后開展低溫模擬試驗,將燃油系統(tǒng)在低溫箱內(nèi)降溫至-20 ℃左右并保持1 h 以上,檢查燃油泵調(diào)節(jié)器低溫條件下的出口流量,并與常溫流量進行對比,詳見表2。

表2 燃油系統(tǒng)低溫檢查數(shù)據(jù)表Table 2 Fuel system low temperature inspection data sheet

通過表2 的數(shù)據(jù)可知,在15%和25%轉(zhuǎn)速下,燃油泵調(diào)節(jié)器在低溫時的出口流量較常溫時偏低,分別為4.7 kg/h 和4.2 kg/h,試驗現(xiàn)象與發(fā)動機低溫試驗現(xiàn)象一致。由此可見,燃油泵調(diào)節(jié)器是造成發(fā)動機試驗低溫環(huán)境下燃油流量異常的主要原因。

4 故障分析

4.1 故障描述

工程應(yīng)用中,常采用故障樹分析方法對產(chǎn)品的故障進行定位分析。故障樹是實際系統(tǒng)故障組合傳遞的邏輯關(guān)系的正確抽象。主要有兩種建樹方法:人工建樹和計算機輔助建樹[6]。人工建樹是從頂事件開始,向下逐級推溯事件的直接原因,直到找到所有的底事件為止。人工建樹必須嚴格按照演繹邏輯認真、細致地進行。

建立故障樹的原則主要有兩條[7]:

(1)時間與時間之間用邏輯門連接;邏輯門之間事件連接,不能發(fā)生門-門,時間-事件短路。

(2)循序漸進規(guī)則。建立故障樹應(yīng)對逐級建造,逐級找出必要而充分的原因。在對下一級作任何考慮之前,必須完成上一級。

建立故障樹的基本步驟為[8]:

(1)分析頂事件,尋找引起頂事件發(fā)生的、直接、必要且充分的原因,將頂事件作為輸出事件,將所有直接原因作為輸入事件,依據(jù)這些事件的邏輯關(guān)系用適當?shù)倪壿嬮T進行連接;

(2)分析與頂事件直接相連接的輸入事件;

(3)重復(fù)上述步驟,逐級向下分解,直至所有輸入事件不能分解為止,將這些輸入事件作為底事件;

(4)對故障樹進行規(guī)范化、簡化和模塊分解,一般選用布爾代數(shù)法定律。

燃油泵調(diào)節(jié)器低溫燃油流量偏低原因可分為兩大類:(1)計量后燃油發(fā)生了泄漏;(2)燃油泵調(diào)節(jié)器計量燃油流量不足。

本研究以“低溫環(huán)境下燃油泵調(diào)節(jié)器小流量偏低”為頂事件,依據(jù)建立故障樹的基本原則,對低溫條件下燃油泵調(diào)節(jié)器出口流量偏低問題,逐級梳理出了10 個底事件。故障樹分析圖如下圖2 所示。

圖2 燃油泵調(diào)節(jié)器故障樹分析圖Fig.2 Fault tree analysis diagram of fuel pump regulator

通過對X1—X10 共計10 個底事件進行分析,底事件“低溫下計量活門結(jié)構(gòu)流通性較差(X8)”可能是造成低溫環(huán)境下燃油流量異常的主要原因。

4.2 計量活門結(jié)構(gòu)分析

燃油泵調(diào)節(jié)器的計量活門是采用“計量油針-孔板”的結(jié)構(gòu)形式,模型結(jié)構(gòu)和剖面結(jié)構(gòu)分別如圖3、4所示。計量活門由計量油針、計量活門襯套、套筒、導(dǎo)向裝置和計量器殼體組成。油針與孔板構(gòu)成環(huán)形流通窗口如圖5 所示。δ是形成環(huán)形流通窗口的寬度,在小流量的時候,δ較小。當δ很小時,流通截面為一個很小的環(huán)形縫隙,不利于燃油的流通。小孔節(jié)流理論上與流體的粘度無關(guān)。常溫下,縫隙流動時流量與流體粘度成反比關(guān)系,燃油的粘度較小,能較為順利的流經(jīng)節(jié)流窗口,流量與等效小孔節(jié)流的流量相當。但是當燃油溫度很低時,燃油的粘度增大,流通能力下降,燃油流量較常溫時降低。

圖3 計量活門模型結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of metering valve model

圖4 計量活門模型剖面結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Sectional structure diagram of metering valve mode

圖5 環(huán)形流通窗口示意圖Fig.5 Schematic diagram of annular flow window

4.3 仿真分析

4.3.1 建立模型

為了觀察的更直觀,簡化后的二維流場如圖6 所示。左邊是燃油進口,右邊是燃油出口,底部為油針型面,中間是孔板壁面。三維模型僅適用于小流量流場,因為當流場流動不劇烈,簡化后的流場可以滿足計算要求。當大流量狀態(tài)下,流場需要覆蓋更大的范圍,其建模和劃網(wǎng)格以及后期的仿真計算都要比前者復(fù)雜很多。分別建立大、小流量下的三維流場,分別如圖7、8 所示,建模網(wǎng)格圖分別如圖9、10 所示。

圖6 二維簡化流場Fig.6 Two-dimensional simplified flow field

圖7 剖面結(jié)構(gòu)三維流場小流量狀態(tài)圖Fig.7 Three-dimensional flow field small flow state diagram of section structure

圖8 剖面結(jié)構(gòu)三維流場大流量狀態(tài)圖Fig.8 Three-dimensional flow field large flow state diagram of section structure

圖9 剖面結(jié)構(gòu)三維流場網(wǎng)格小流量狀態(tài)圖Fig.9 Three-dimensional flow field grid small flow state diagram of section structure

4.3.2 仿真分析

根據(jù)《中國航空材料手冊》6 分冊第377 頁航空噴氣燃料在不同溫度下的特性變化數(shù)據(jù)表,以20 ℃為例,該溫度下運動粘度為1.48 mm2/s,計算后的動力粘度為0.001 154 4 kg/(m·s),其余動力粘度值經(jīng)計算后如下表3 所示。不同溫度下航空噴氣燃料粘度分析的仿真,就通過修改流體特性來進行仿真。

表3 不同溫度下航空噴氣燃料粘度分析計算表Table 3 Analysis and calculation table for viscosity of aviation jet fuel at different temperatures

圖10 剖面結(jié)構(gòu)三維流場網(wǎng)格大流量狀態(tài)圖Fig.10 Three-dimensional flow field grid large flow state diagram of section structure

常溫20 ℃狀態(tài)下,從油針初始位置到200 L/h之間,選取了5 個油針開度值,即油針型面起始點距孔板距離L=0.16、0.8、1.17、2.4、3.61 mm 建立模型。這5 組 模 型,分 別 進 行-40、-20、0、20、40、60 ℃這6 種溫度狀態(tài)下的仿真。

4.3.3 仿真結(jié)果

經(jīng)過仿真,L=0.16、0.8、1.17、2.4、3.61 mm 這5 個狀態(tài)下,-40、-20、0、20、40、60 ℃這6 種溫度的出口流量仿真結(jié)果如表4 和圖11 所示。

表4 不同溫度下流量仿真計算值Table 4 Flow simulation value at different temperatures

圖11 仿真分析結(jié)果圖Fig.11 Simulation analysis results

分析表4、圖11 可以得到以下結(jié)論:

(1)同一油針開度下,整體而言,出口流量隨溫度的降低而降低。計量活門從小開度到大開度在60 ℃與-40 ℃時流量變化值占常溫流量的比值分別為:56.6%、34.0%、20.7%、8.4%、12.0%。很明顯溫差變化,對小流量狀態(tài)下的流量值影響更明顯。

(2)大流量狀態(tài)下,低溫對出口流量值的影響很小。

4.3.4 仿真結(jié)果驗證

通過對計量油針組件進行試驗,對比驗證4.3.2的仿真結(jié)論。試驗設(shè)備原理圖如下圖12 所示。

圖12 計量油針試驗原理圖Fig.12 Schematic diagram of metering oil needle test

工作原理如下:首先采用恒溫油槽將油箱中的燃油溫度調(diào)整到指定的溫度,再經(jīng)過進口油路進入高低溫溫度箱,最后連接試驗工裝,進口油路設(shè)置進口溫度傳感器和調(diào)節(jié)閥,試驗工裝內(nèi)放置計量油針組件和彈簧,通過千分尺控制計量油針的開度,得到不同的出口流量,工裝連接出口油路,燃油回到恒溫油槽。在工裝相應(yīng)位置設(shè)置計量油針計量前后測壓點,時時監(jiān)控計量油針前后壓差。

在進行高低溫試驗時,常溫下選取一個小流量點,通過調(diào)整計量油針開度,調(diào)整進出口調(diào)壓閥,最終選取的是27.3 L/h 狀態(tài)為基準點,該狀態(tài)下的千分尺刻度歸零當做基準。隨后選擇L=0.3 mm、1.45 mm和2.9 mm 這3 個活門開度點設(shè)置為監(jiān)控點,開展不同溫度下的流量試驗。通過設(shè)定不同的燃油溫度,所記錄的流量值如表5 所示。

表5 不同的燃油溫度下流量值Table 5 Flow value at different fuel temperatures

小流量時最低溫度-18.6 ℃較大流量時的-33.7 ℃差別較大。這是由于小流量狀態(tài)時,流量較小,燃油從恒溫油槽流出后,后外部管路溫度影響較大,由于連接管路散熱損失,導(dǎo)致小流量的最低溫達不到預(yù)期。對此只能根據(jù)實際情況進行分析。

由于出口流量受壓差變化較大,需要將試驗數(shù)據(jù)進行修正。由于大部分壓差值在0.27 MPa 附近,所以以0.27 MPa 為參照,將壓差過大或過小的出口流量進行一定程度的粗略修正。修正后的試驗數(shù)據(jù)如表6 和圖13 所示。(壓差相較270 kPa 的變化值為20 kPa 時,按流量3%修正;變化值為30 kPa 時,按流量4.5%修正;變化值為40 kPa 時,按流量6%修正)。

表6 修正后的流量數(shù)據(jù)Table 6 Corrected flow data

圖13 不同活門開度試驗數(shù)據(jù)圖Fig.13 Data chart of different valve opening tests

將圖13 的高低溫試驗數(shù)據(jù)和圖11 仿真數(shù)據(jù)圖進行對比。整體情況對比如圖14 所示。小流量下的對比圖如圖15 所示。

分析圖14 與圖15,可以得到以下結(jié)論:

圖14 全程試驗與仿真結(jié)果對比圖Fig.14 Comparison diagram of whole process and simulation results

圖15 小流量狀態(tài)試驗與仿真結(jié)果對比圖Fig.15 Comparison diagram of low flow state test and simulation results

(1)大流量狀態(tài)時,仿真的流量變化趨勢和實際試驗趨向一致,且大流量狀態(tài)下,溫度變化對流量影響越來越小。尤其是流量在250 L/h 時,溫度變化對實際出口流量基本無影響。

(2)小流量狀態(tài)下,出口流量受溫度變化變化較大。其中試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比,計量活門在小開度時,低溫較常溫狀態(tài)下流量變化約為30%,變化幅度更大。主要原因在于試驗過程中壓差值(270 kPa)與小流量狀態(tài)壓差值(200 kPa)不同。在后續(xù)仿真試驗中,將小流量狀態(tài)仿真的壓差值提高到270 kPa,二者的變化幅度基本相同。通過進一步分析可知,小流量、低溫工況下,溫度變化引起介質(zhì)特性變化,油針型面和孔板間隙較小,燃油介質(zhì)動力粘度增大,燃油介質(zhì)流動的壁面邊界層增厚,導(dǎo)致流通間隙減小。這是導(dǎo)致低溫工況下流量偏低的根本原因。解決方案是優(yōu)化計量油針型面形狀,改為單邊錐形。優(yōu)化后的產(chǎn)品在后續(xù)的試驗過程中,低溫工況下流量參數(shù)正常。

5 結(jié)論

本研究針對航空發(fā)動機低溫試驗燃油流量偏低的問題,采用故障樹分析方法,建立基于低溫環(huán)境下燃油流量異常的故障樹。通過對底事件的分析,定位燃油泵調(diào)節(jié)器計量活門低溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)流通性較差是影響燃油流量重要因素。通過對計量活門結(jié)構(gòu)分析,分別建立大、小流量工況下的三維模型。通過對比仿真模型分析和試驗驗證數(shù)據(jù)得出計量活門在小開度的工況下,低溫較常溫條件流量變化約為30%,準確定位了造成低溫下結(jié)構(gòu)流通性差的根本原因并提出了相應(yīng)的改進措施。