航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)故障分析

■ 史俊 樓幸 楊建良/ 中航貴州飛機(jī)有限責(zé)任公司 泰豐航空航天科技有限公司

1 概述

某型無人機(jī)裝備航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，飛行過程中出現(xiàn)輔燃油泵自動(dòng)接通、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)及掉轉(zhuǎn)故障。具體現(xiàn)象為：發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)風(fēng)門開度由46%增大至56%，70s 后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開始不穩(wěn)定，在4600 ～5100mps 之 間 循 環(huán) 波動(dòng)，每次循環(huán)約8 ～10s。節(jié)風(fēng)門開度降至47%，所有故障現(xiàn)象消失。之后多次增大節(jié)風(fēng)門開度，故障現(xiàn)象依然出現(xiàn)，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度增大，在3500 ～5100mps 之間循環(huán)波動(dòng)，每次循環(huán)約8 ～10s。此后，輔燃油泵自動(dòng)接通，故障現(xiàn)象消失。

后查看飛參數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器的廢氣活門也在85%～95%開度位置之間波動(dòng)，空氣盒壓力在950 ～1070hp 之間波動(dòng)。

2 故障原因分析

燃油系統(tǒng)供油工作原理如圖1所示。主、輔燃油泵串聯(lián)連接，中間串聯(lián)一個(gè)壓力信號器。給燃油泵加電時(shí)，主、輔燃油泵同時(shí)工作，壓力信號器檢測到主燃油泵的出口燃油壓力值，當(dāng)該值大于壓力信號器閾值時(shí)，壓力信號器斷開，輔燃油泵停止工作；若主燃油泵出口壓力值小于壓力信號器閾值，則壓力信號器接通，輔燃油泵開始工作，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的供油。

圖1 燃油系統(tǒng)供油工作原理

從故障現(xiàn)象來看，根據(jù)燃油系統(tǒng)工作原理，輔燃油泵自動(dòng)接通，說明主燃油泵出口壓力值低于壓力信號器控制閾值，控制輔燃油泵接通以提高供油壓力，保證發(fā)動(dòng)機(jī)所需油量。由于此次發(fā)動(dòng)機(jī)故障均出現(xiàn)在輔燃油泵開啟前，所以只考慮主燃油泵故障的可能。以下幾種情況均可導(dǎo)致主燃油泵出口壓力降低：

1）主燃油泵運(yùn)轉(zhuǎn)故障。主、輔燃油泵均采用12V 直流電源供電，且由于主燃油泵內(nèi)部硬件故障、供電不足等原因，造成供油壓力不足，低于發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。

2）供油系統(tǒng)堵塞。供油系統(tǒng)中由于輸油管路或油濾堵塞，造成供油量不足，無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)需求，造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。

3）單向閥故障。圖1 中單向閥A雙通、燃油部分回流，導(dǎo)致供油壓力不足，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。

4）燃油壓力調(diào)節(jié)器故障。燃油壓力調(diào)節(jié)器是發(fā)動(dòng)機(jī)上的部件，其作用是根據(jù)空氣盒壓力值調(diào)整進(jìn)油量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)適當(dāng)?shù)目杖急?。燃油壓力調(diào)節(jié)器如果出現(xiàn)故障，使回油口開啟過大，油壓不足，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。

3 地面試驗(yàn)

通過上述分析，列出4 種可能的故障源，為了準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)進(jìn)行了地面試驗(yàn)，具體試驗(yàn)過程如下。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)停車狀態(tài)下主輔燃油泵供油壓力測試試驗(yàn)

在未開車狀態(tài)下進(jìn)行燃油泵供油壓力測試試驗(yàn)。在燃油壓力調(diào)節(jié)器前后各安裝一塊燃油壓力表，檢查結(jié)果如下。

1）在未開啟發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)油管堵死狀態(tài)下，單獨(dú)開啟主輔燃油泵，測量進(jìn)油管出口壓力值均為2bar，該壓力值滿足圖2 中燃油泵流量與燃油泵進(jìn)出口壓差曲線中零流量的出口壓力值。

圖2 不同壓力下電子燃油泵送油率

2）在未開啟發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)油管接通狀態(tài)下，單獨(dú)開啟主輔燃油泵，測量進(jìn)油管出口壓力值分別為0.28bar、0.285bar，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油壓力調(diào)節(jié)器后的壓力均為0.25bar，主輔燃油泵出口壓力均屬于發(fā)動(dòng)機(jī)未開車狀態(tài)下的正常值。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)開車狀態(tài)下主燃油泵供油壓力測試試驗(yàn)

試驗(yàn)前需計(jì)算燃油壓力理論值，用于與實(shí)測值對比。理論值是通過《發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)手冊》中的油門位置和氣室目標(biāo)壓力關(guān)系曲線圖（見圖3）計(jì)算得出的，計(jì)算公式為：燃油壓力=空氣盒壓力+250hPa－大氣壓力。其中，大氣壓力為當(dāng)?shù)丨h(huán)境壓力，約為860hPa，即0.86bar。當(dāng)節(jié)風(fēng)門位置在15%以下時(shí)，雖然空氣盒目標(biāo)壓力高，但發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量不足，不足以影響空氣盒壓力，此時(shí)空氣盒壓力可視為大氣壓力；當(dāng)節(jié)風(fēng)門位置在15%～45%時(shí)，空氣盒壓力逐步接近目標(biāo)壓力；當(dāng)節(jié)風(fēng)門位置在45%以上時(shí)，空氣盒壓力與目標(biāo)壓力一致。

圖3 油門位置和空氣盒目標(biāo)壓力關(guān)系曲線圖

在開車狀態(tài)下進(jìn)行主燃油泵供油壓力測試試驗(yàn)。在燃油壓力調(diào)節(jié)器前后各安裝一塊燃油壓力表，采集節(jié)風(fēng)門不同開度下的燃油壓力，由于飛行過程中故障出現(xiàn)時(shí)輔燃油泵并未工作，因此未采集輔燃油泵數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 各節(jié)風(fēng)門開度下調(diào)整前后的壓力值

由表1 可以看出，試驗(yàn)采集數(shù)值與理論值相當(dāng)，說明主燃油泵工作正常，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一直穩(wěn)定，故障未復(fù)現(xiàn)。

3.3 模擬供油不暢的地面測試試驗(yàn)

在開車狀態(tài)下進(jìn)行控制進(jìn)油量觀察轉(zhuǎn)速試驗(yàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油壓力調(diào)節(jié)器前端，通過一個(gè)三通管加裝一段燃油管，燃油管出口處安裝一個(gè)燃油開關(guān)。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油壓力調(diào)節(jié)器后端，加裝一個(gè)燃油壓力傳感器。

按規(guī)定進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)開車，油門值回到0%后，逐步增加油門至60%，此時(shí)觀察到燃油壓力表示值為0.57bar。然后緩慢打開并調(diào)節(jié)燃油開關(guān)，保證燃油壓力表示值緩慢下降；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速突然下降時(shí)，停止調(diào)節(jié)燃油壓力開關(guān)，觀察到發(fā)動(dòng)機(jī)掉轉(zhuǎn)前燃油壓力表示值為0.3bar。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2600 ～4500mps 之間循環(huán)波動(dòng)，每次循環(huán)約6s 左右。查看飛參數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，廢氣活門開度在90%～100%之間波動(dòng)，空氣盒壓力在900 ～1200hPa 之間波動(dòng)，該故障模式與飛行時(shí)出現(xiàn)的故障表現(xiàn)極為類似。

4 故障定位

通過地面試驗(yàn)，結(jié)合之前的故障模式分析，對故障進(jìn)行定位。

1）如果主燃油泵運(yùn)轉(zhuǎn)故障導(dǎo)致其出口壓力低于壓力信號器工作壓力值，將引起雙泵工作故障。由于地面試驗(yàn)中各油門狀態(tài)下均未開啟輔燃油泵，故障未復(fù)現(xiàn)。而單獨(dú)開啟主燃油泵工作，在各油門狀態(tài)下檢查油泵的輸出壓力，均能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力需求，排除主燃油泵故障的可能。

2）如果供油系統(tǒng)堵塞，或輸油管路發(fā)生彎折，或?yàn)V網(wǎng)網(wǎng)眼被雜質(zhì)阻塞，導(dǎo)致燃油無法正常輸送至主燃油泵，主燃油泵出口壓力低，將出現(xiàn)上述故障表象。檢查后發(fā)現(xiàn)輸油管路并未彎折，排除因燃油管彎折導(dǎo)致故障的可能。如果雜質(zhì)進(jìn)入燃油濾、供油管路、單向閥、主輔燃油泵及連接管嘴，可能影響正常輸油，導(dǎo)致供油量降低，最終影響主燃油泵出口壓力值，出現(xiàn)故障表象。待拆卸燃油濾、主輔燃油泵細(xì)濾后驗(yàn)證。

3）如果單向閥故障，會(huì)出現(xiàn)雙通現(xiàn)象，則主燃油泵出口燃油將從單向閥A 處發(fā)生回流，從而降低主燃油泵出口壓力，引起雙泵工作故障。地面試驗(yàn)表明，在未開啟發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)油管堵死狀態(tài)下，單獨(dú)開啟主輔燃油泵時(shí)能夠正常建壓，因此能排除單向閥故障的可能。

4）如果燃油壓力調(diào)節(jié)器故障，使回油口開啟過大，油壓不足，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。此種故障模式在地面開車試驗(yàn)中應(yīng)能復(fù)現(xiàn)，但在記錄地面試驗(yàn)結(jié)果的表1 中，通過燃油壓力調(diào)節(jié)器調(diào)整后的燃油壓力一直正常，故排除燃油壓力調(diào)節(jié)器故障的可能。

通過地面試驗(yàn)，排除可能的故障點(diǎn)，最后確定有可能引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)的是供油系統(tǒng)堵塞，且為非燃油管路彎折引起的堵塞，更有可能是油濾濾網(wǎng)堵塞引起的燃油供給不足，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

燃油系統(tǒng)中裝備一個(gè)粗油濾，燃油泵內(nèi)自帶細(xì)油濾。拆下油濾，發(fā)現(xiàn)粗油濾、燃油泵細(xì)油濾均有大量雜質(zhì)（見圖4），印證了故障是由油路堵塞引起的。

圖4 油濾情況

5 總結(jié)

故障定位后，對整個(gè)燃油系統(tǒng)進(jìn)行檢查，包括燃油管路、單向閥、燃油泵、燃油濾是否還存在污物卡塞，并更換粗、細(xì)油濾，徹底分解化油器，用化油器清洗劑清洗化油器內(nèi)各零件、各量孔。將油箱內(nèi)余油放干，再次加注燃油時(shí)用800 目以上的濾網(wǎng)過濾燃油，防止大顆粒雜質(zhì)進(jìn)入燃油系統(tǒng)。