民用航空發(fā)動機點火系統(tǒng)故障檢測設(shè)計研究

馬安祥　白國娟　李艷宏　冀浩

摘要：點火系統(tǒng)作為開環(huán)控制系統(tǒng)，其故障檢測難度較大，鑒于此，在深入分析點火失敗的具體原因及其與點火系統(tǒng)故障的關(guān)系后，提出了基于邏輯推斷方法的點火系統(tǒng)故障機載檢測方案。該方案的有效實施顯著提高了點火系統(tǒng)故障檢測的精細程度，縮短了排故時間，提升了民用航空發(fā)動機的運營經(jīng)濟性和可靠性。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；點火系統(tǒng)；故障檢測

中圖分類號：V233.3? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）09-0038-03

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.011

0? ? 引言

民用航空發(fā)動機在試車及運營階段均可能發(fā)生發(fā)動機點火失敗故障，點火成功與否直接影響發(fā)動機的試車任務(wù)或者運營安全性及可靠度。點火失敗故障是一個發(fā)動機整機級故障，導(dǎo)致該故障的原因眾多，燃油系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、電源、發(fā)動機本體等均可能是潛在故障單元，其中點火系統(tǒng)故障是一個發(fā)生頻率較高的原因，尤其是投入使用時間較長的發(fā)動機。點火系統(tǒng)通常被作為MEL（最低設(shè)備清單）中的項目，及時準確了解每套點火系統(tǒng)的狀態(tài)，對于支撐簽派放行，或者支撐維修以恢復(fù)起動性能，均有重要意義[1-2]。

我國傳統(tǒng)的檢測方法并不能直接檢測出點火系統(tǒng)的故障，僅能檢測出發(fā)動機點火失敗故障，然后由維修人員人工逐個檢查可能導(dǎo)致點火失敗的原因，進而判斷點火系統(tǒng)是否故障，較國外民用航空發(fā)動機可以直接檢測出點火系統(tǒng)故障，還有明顯的提升空間。如圖1所示，某型民用飛機左發(fā)檢測到左點火系統(tǒng)故障后顯示“IGN L （IGN 1） IS FAILED”。

1? ? 點火系統(tǒng)介紹

發(fā)動機點火系統(tǒng)的功能是提供油氣燃燒所必要的電火花，主要由點火激勵器、點火電纜和點火電嘴組成，如圖2所示，由EEC控制點火激勵器提供高壓電，高壓電傳輸?shù)近c火電嘴后，擊穿空氣產(chǎn)生電火花。民用航空發(fā)動機通常有兩套相同的點火系統(tǒng)，并根據(jù)點火模式的不同，選擇采用單套或雙套系統(tǒng)執(zhí)行點火功能。

點火系統(tǒng)常出現(xiàn)的故障包括點火激勵器故障、點火激勵器與點火電纜連接處燒蝕或污染、點火電嘴與點火電纜連接處腐蝕或損傷、點火電嘴燒蝕（圖3）等，上述故障均有可能導(dǎo)致點火電嘴無法提供預(yù)期的電火花，進而造成點火失敗[3]。

2? ? 點火系統(tǒng)故障檢測設(shè)計初步分析

系統(tǒng)控制方式分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制，如圖4所示，開環(huán)控制無反饋信息，閉環(huán)控制有反饋信息。通過分析點火系統(tǒng)的組成及原理可以得出，點火系統(tǒng)的控制屬于開環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)由于缺少信息反饋，其功能發(fā)生故障時，實現(xiàn)故障檢測的難度較大。

針對點火系統(tǒng)故障檢測的難點，深入分析后存在如下兩種解決途徑：（1）通過增加專用信息采集裝置，實現(xiàn)點火系統(tǒng)功能狀態(tài)的監(jiān)控，即在點火系統(tǒng)工作時通過某種信息采集裝置辨別點火電嘴是否按預(yù)期產(chǎn)生電火花，但考慮到點火電嘴處在發(fā)動機燃燒室，環(huán)境嚴苛，這種途徑實現(xiàn)的可能性很小；（2）通過邏輯推理診斷，既然點火系統(tǒng)故障是發(fā)動機點火失敗的充分非必要條件，那么通過分析點火失敗和點火系統(tǒng)故障之間的具體關(guān)系，在此基礎(chǔ)上形成檢測推理邏輯，同樣可實現(xiàn)點火系統(tǒng)故障的檢測。第二種途徑相對第一種，可行性更高，因此采用第二種途徑開展后續(xù)的檢測設(shè)計。

3? ? 點火系統(tǒng)故障檢測設(shè)計

3.1? ? 點火原理

發(fā)動機點火需要多個部件系統(tǒng)配合完成，主要包括點火系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)及發(fā)動機本體，如圖5所示，不同發(fā)動機的設(shè)計方案不完全相同，本文僅以一種常見的設(shè)計方案為例開展研究。在發(fā)動機點火過程中，燃油系統(tǒng)負責向燃油噴嘴提供適當流量和壓力的燃油，點火系統(tǒng)負責提供點燃油氣的電火花。

以地面正常起動為例，簡略介紹發(fā)動機起動點火的過程。打開起動空氣閥后，進入地面正常起動過程，發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐步提高到一定閾值后，EEC判斷各前置條件滿足，輸出指令起動一路點火激勵器，點火電嘴釋放電火花，轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高到設(shè)計值時，燃油系統(tǒng)開始供油，一段時間后，EEC對比點火后EGT超過點火前EGT一定閾值時，則判斷點火成功，否則判斷點火失敗[4]。點火成功后發(fā)動機轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高到設(shè)計值時，關(guān)閉點火激勵器。在某些特殊場景下，比如在高原環(huán)境起動、空中點火或地面點火失敗后，會同時接通兩路點火激勵器電源，由兩套點火系統(tǒng)同時執(zhí)行點火。

3.2? ? 點火失敗故障樹分析

全面分析在實際環(huán)境中可能導(dǎo)致點火失敗的原因，主要包括如下四類[5-6]：

（1）外部輸入類故障，即飛機或試車臺無法提供點火過程所需的電源或燃油。

（2）點火功能故障，即EEC、點火激勵器、點火電纜、點火電嘴等故障導(dǎo)致無法提供點火用的電火花。

（3）燃油控制功能故障，即EEC或燃油系統(tǒng)內(nèi)各組成單元故障導(dǎo)致無法提供點火過程所需的特定流量和壓力的燃油。

（4）發(fā)動機本體故障，主要指點火過程中壓氣機、燃燒室、渦輪等部件故障導(dǎo)致的點火失敗，如燃油噴嘴無法正常噴油或者轉(zhuǎn)子卡滯導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降等。該類故障原因發(fā)生的概率較小。

根據(jù)上述分析，并綜合考慮故障原因的故障率及發(fā)動機機載檢測能力，繪制出如圖6所示的發(fā)動機點火失敗的故障樹。為了方便分析，將故障樹中導(dǎo)致點火失敗的原因分為兩類：點火系統(tǒng)故障和非點火系統(tǒng)故障，其中非點火系統(tǒng)故障是指除點火系統(tǒng)故障外會導(dǎo)致點火失敗的故障的統(tǒng)稱，包含EEC點火電源無供電、飛機/試車臺無供油、發(fā)動機本體故障、燃油系統(tǒng)故障、EEC內(nèi)點火繼電器無法閉合。

3.3? ? 點火系統(tǒng)故障機載檢測方案

前述分析已經(jīng)明確了點火失敗故障的具體原因，既然點火系統(tǒng)故障是點火失敗故障的充分非必要條件，則可以利用邏輯推斷法制定出點火系統(tǒng)故障檢測邏輯，即當EEC判斷發(fā)動機出現(xiàn)點火失敗后，如果出現(xiàn)了非點火系統(tǒng)故障，則系統(tǒng)判斷點火失敗是由該原因?qū)е?，而不是點火系統(tǒng)故障；如果除點火系統(tǒng)故障外的其他原因均未出現(xiàn)，則系統(tǒng)判斷當前通道所用的點火系統(tǒng)故障。將上述檢測邏輯落實到EEC中，利用原有發(fā)動機對點火失敗和非點火系統(tǒng)故障的檢測能力，無須加裝其他硬件或進行設(shè)計改動，即可實現(xiàn)點火系統(tǒng)的故障檢測。

實踐證明，在保障非點火系統(tǒng)故障檢測準確性的基礎(chǔ)上，該方法可以有效檢測出點火系統(tǒng)故障，具備較強的工程實踐意義。

4? ? 結(jié)語

民用航空產(chǎn)品對故障檢測顆粒度要求越來越精細，實現(xiàn)點火系統(tǒng)故障檢測對提升運營經(jīng)濟性和安全性具有重要意義。本文論述了點火系統(tǒng)的原理、常見故障及故障檢測的難點，提出一種可行性較高的點火系統(tǒng)故障檢測方案，對其他類似開環(huán)控制系統(tǒng)的故障檢測同樣具有借鑒意義。

[參考文獻]

[1] 李奕新，譚航，楊水銀.航空發(fā)動機電點火系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].燃氣渦輪試驗與研究，2015，28（6）：49-54.

[2] 張琦.渦扇發(fā)動機起動故障診斷方法研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

[3] 李宏光.航空點火器故障機理及測試方法研究[D].天津：中國民航大學(xué)，2015.

[4] 任剛強.航空發(fā)動機點火系統(tǒng)故障診斷方法研究[D].天津：中國民航大學(xué)，2012.

[5] 王永華，孫濤，張赟，等.某型航空發(fā)動機起動系統(tǒng)故障研究[J].燃氣輪機技術(shù)，2021，34（4）：42-46.

[6] 唐智勇.渦扇發(fā)動機起動故障診斷及定位技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2016.

收稿日期：2023-02-06

作者簡介：馬安祥（1989—），男，山東棗莊人，工程師，主要從事民用航空發(fā)動機測試性及故障診斷設(shè)計工作。