某型航空發(fā)動機應(yīng)急放油系統(tǒng)研究

馬會寧，李春光，崔利豐，廉征環(huán)

（1.中航工業(yè)西安航空動力控制有限公司，西安 710077；2.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

某型航空發(fā)動機為第3代戰(zhàn)斗機的動力裝置,憑借其良好的性能，目前已廣泛投入使用。燃油控制系統(tǒng)的多參數(shù)控制、故障告警、自動消喘、噴口的無級調(diào)節(jié)等都最大限度地發(fā)揮了發(fā)動機的性能。但在使用中發(fā)生過應(yīng)急放油控制系統(tǒng)可靠性差的問題，嚴重地影響了該型發(fā)動機的使用。

本文對該型發(fā)動機的應(yīng)急放油控制系統(tǒng)進行研究，通過試驗找到了系統(tǒng)設(shè)計的不足，通過改進設(shè)計，使其滿足了發(fā)動機使用可靠性的要求。

1 故障概述

某飛機右發(fā)動機做完檢查工作后在地面開車，發(fā)動機各狀態(tài)參數(shù)均正常。由于飛機油箱中油量較多，飛機雙發(fā)在n2=85%時共進行了12次間歇性應(yīng)急放油,放油時序及間隔如圖1所示。在第11次應(yīng)急放油結(jié)束14 s后，進行第12次應(yīng)急放油時，右發(fā)動機熄火，n2轉(zhuǎn)速自動下降，具體故障曲線如圖2所示。

圖1 應(yīng)急放油時序及間隔

圖2 某發(fā)動機應(yīng)急放油故障發(fā)生前后參數(shù)變化曲線

從圖2中可見，在第12次應(yīng)急放油接通前，發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2、低壓渦輪后溫度T6、風扇導葉角度α1、壓氣機靜子葉片角度α2等飛參數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，均在正常范圍內(nèi)，噴口直徑D8為機械最小噴口狀態(tài)，各參數(shù)與左發(fā)動機的相比無明顯差異。當應(yīng)急放油接通瞬間，右發(fā)動機轉(zhuǎn)速、溫度迅速降低，n2轉(zhuǎn)速由85.4%下降到13.4%時（28.25 s），發(fā)現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低，將油門桿收回到停車位置。

2 應(yīng)急放油系統(tǒng)工作原理

某型發(fā)動機應(yīng)急放油系統(tǒng)參照某發(fā)動機設(shè)計主要功能是在飛行中根據(jù)需要放出飛機油箱中的多余燃油。在滿足應(yīng)急放油條件（非加力狀態(tài)、n2＞57%、油箱余油多于1.5 t）時，手動給出應(yīng)急放油接通電指令，激勵應(yīng)急放油附件上的2個電磁閥。2個電磁閥接到電信號后，應(yīng)急放油附件輸出液壓指令接通加力燃油泵，該泵出口燃油壓力突增，使該泵內(nèi)轉(zhuǎn)換活門關(guān)閉齒輪泵后來油，并解除應(yīng)急放油附件連鎖，使應(yīng)急放油系統(tǒng)投入工作，將加力燃油泵后的燃油放至加力燃燒室，經(jīng)過噴管排入大氣。

在應(yīng)急放油接通瞬間，由于加力燃油泵轉(zhuǎn)換活門的油路切換，會對齒輪泵后壓力產(chǎn)生瞬間脈沖干擾，此時主燃油泵調(diào)節(jié)器內(nèi)部壓差回油活門將投入工作，對系統(tǒng)干擾進行調(diào)節(jié)，以保持計量活門前后壓差恢復到恒定值。

3 驗證試驗

3.1 飛機驗證

在保持裝機狀態(tài)不變并增加相應(yīng)測試參數(shù)條件下進行了2次雙發(fā)應(yīng)急放油模擬試驗，均實現(xiàn)了故障再現(xiàn)。

第1次在進行到第17次應(yīng)急放油時右發(fā)動機在n2＝85%時自動停車，左發(fā)動機工作正常；

第2次在進行到第8次應(yīng)急放油時右發(fā)動機在n2＝85%時自動停車，左發(fā)動機工作正常。

2次故障復現(xiàn)放油間隔和時序如圖3所示。

圖3 放油時間時序和間隔

某發(fā)動機應(yīng)急放油正常和異常停車時的參數(shù)變化分別如圖4、5所示。從圖中可見，在應(yīng)急放油開關(guān)接通后，加力燃油泵打開時，主燃油泵調(diào)節(jié)器進口壓力Pin先減小（加力燃油泵填充過程），齒輪泵后壓力P22突然增大（轉(zhuǎn)換活門投入工作，關(guān)閉主泵供油轉(zhuǎn)為加力泵供油）。當加力泵填充完畢后，Pin增大，在Pin再次減小時開始放油。P22在出現(xiàn)干擾突增后，由于壓差活門投入工作，出現(xiàn)如圖5所示波形。

圖4 某發(fā)動機應(yīng)急放油正常時參數(shù)變化

圖5 某發(fā)動機應(yīng)急放油異常停車時參數(shù)變化

從上述數(shù)據(jù)及相關(guān)檢查工作可知：

（1）在停車過程中發(fā)動機進口供油正常，排除飛機供油導致異常停車的可能性；

（2）飛參中無喘振信號，消喘電磁閥無誤動作；

（3）停車前后未聽到異常響聲，排除發(fā)動機機械故障引起停車的可能性；

（4）停車過程中T6無突升，溫度、轉(zhuǎn)速快速降低（2 s內(nèi)T6降低約70℃）；

（5）應(yīng)急放油接通瞬間 Pin、P22、噴嘴前燃油壓力Pf、壓氣機出口壓力P31有明顯波動現(xiàn)象。

根據(jù)故障復現(xiàn)數(shù)據(jù)分析初步得出結(jié)論：發(fā)動機異常停車故障可能是由于短時間內(nèi)連續(xù)多次接通應(yīng)急放油過程中發(fā)動機相關(guān)參數(shù)波動較大，瞬間斷油引起燃燒室不穩(wěn)定燃燒所導致的。

3.2 臺架試驗情況和數(shù)據(jù)分析

為了查清故障原因，在臺架上利用包括故障發(fā)動機在內(nèi)的9臺發(fā)動機進行間歇應(yīng)急放油試驗驗證，累計接通應(yīng)急放油700多次，進行了不同發(fā)動機狀態(tài)下的對比驗證，應(yīng)急放油間隔時序基本參照外場故障發(fā)生時的應(yīng)急放油時序，其典型時序間隔如圖6所示。從試驗結(jié)果來看，故障發(fā)動機返廠后，在第2次原狀態(tài)臺架試驗第11次應(yīng)急放油接通時出現(xiàn)1次停車，各參數(shù)變化規(guī)律與外場基本一致，隨后無論是改變放油轉(zhuǎn)速還是改變放油間隔和時序均未出現(xiàn)發(fā)動機停車，其他發(fā)動機也未發(fā)生停車現(xiàn)象。

圖6 臺架應(yīng)急放油試驗典型時序

以采集頻率為5000 Hz的高頻采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對試驗中測量的相關(guān)參數(shù)進行比較分析。

（1）各臺發(fā)動機相關(guān)壓力對比

A、B、C、D、E 發(fā)動機單次接通應(yīng)急放油過程中P22、P21、Pf和 P31的脈動情況對比如圖 7～10 所示。

從圖7～10中可見，應(yīng)急放油接通瞬間，不同發(fā)動機 P22、P21、Pf、P31均有明顯波動，且所有發(fā)動機相關(guān)參數(shù)波動趨勢基本一致，主燃油系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律相同。

（2）某發(fā)動機壓差特性（流量特性）分析

故障發(fā)動機單次應(yīng)急放油接通過程與燃油流量直接相關(guān)的壓差特性對比如圖11所示。

圖7 P22參數(shù)對比

圖8 P21參數(shù)對比

圖9 Pf參數(shù)對比

圖10 P31參數(shù)對比

圖11 單次放油接通過程壓差特性

圖11中的數(shù)據(jù)曲線表明：（P22-P21）、（P21-Pf）與（Pf-P31）壓差脈動幅值依次衰減，判定引起流量脈動的來源為（P22-P21），即在壓差活門受到脈沖干擾信號后的快速調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生流量波動。

（3）各臺發(fā)動機壓差活門特性對比

5臺發(fā)動機應(yīng)急放油接通時主燃油泵調(diào)節(jié)器內(nèi)部壓差活門特性對比如圖12所示。

圖12 單次放油接通過程壓差活門特性對比

圖12中的數(shù)據(jù)曲線表明：在單次放油接通過程中，故障發(fā)動機壓差活門調(diào)節(jié)過程與其他發(fā)動機的存在差異，振蕩幅值偏大。

（4）各臺發(fā)動機主燃燒室噴嘴前后壓差特性對比

5臺發(fā)動機應(yīng)急放油接通時噴嘴前后壓差△Pf（△Pf=Pf-P31）特性對比如圖13所示。

圖13中的數(shù)據(jù)曲線表明：在單次放油接通過程中，故障發(fā)動機ΔPf由最低點恢復過程中恢復速度偏慢，在近0.1 s的范圍內(nèi)比其他批產(chǎn)發(fā)動機的低200～300 kPa。

（5）在多次放油接通過程中ΔPfmin統(tǒng)計對比分析

1臺故障發(fā)動機與其他發(fā)動機應(yīng)急放油接通時ΔPfmin趨勢對比如圖14所示，每1點為1次應(yīng)急放油過程中ΔPf波動的最小值ΔPfmin。

圖14 多次應(yīng)急放油接通過程ΔPfmin統(tǒng)計對比

圖14中的數(shù)據(jù)曲線表明：其他發(fā)動機應(yīng)急放油接通瞬間ΔPfmin值統(tǒng)計分布高于故障發(fā)動機（3臺同型號發(fā)動機應(yīng)急放油時ΔPfmin≥110 kPa；故障發(fā)動機應(yīng)急放油時ΔPfmin大多數(shù)分布在0～200 kPa）；隨連續(xù)放油次數(shù)增加，ΔPfmin整體有減小趨勢。

4 故障原因分析

某型發(fā)動機主燃燒室供油調(diào)節(jié)系統(tǒng)和應(yīng)急放油系統(tǒng)參照某發(fā)動機設(shè)計。噴口加力調(diào)節(jié)器和應(yīng)急放油附件通過加力泵上的H3和H8管接頭壓力來控制加力泵的接通，對該接通過程的加力泵進口活門響應(yīng)時間進行仿真，結(jié)果如圖15、16所示。接加力時H8不參與工作，應(yīng)急放油時H3不參與工作。

圖15 在接通加力過程中加力泵進口活門響應(yīng)時間

圖16 在接通應(yīng)急放油過程中加力泵進口活門響應(yīng)時間

從以上仿真結(jié)果得知：正常接通加力時，在加力泵進口活門打開過程中，移動7 mm（打開）時打開時間為3 s；接通應(yīng)急放油時，在加力泵進口活門打開過程中，移動7 mm（打開）時打開時間為1.2 s。

在應(yīng)急放油接通時，加力燃油泵轉(zhuǎn)換活門投入工作，瞬間停止主燃油泵調(diào)節(jié)器向加力系統(tǒng)供油，造成齒輪泵后壓力P22出現(xiàn)擾動（快速增大），干擾發(fā)生后為保證壓差恒定壓差回油活門自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)超調(diào)，導致燃燒室燃油噴嘴前后壓差即燃油流量瞬間減少；試驗結(jié)果表明，隨連續(xù)放油次數(shù)增加，其壓差值最低點即ΔPfmin有減小趨勢。

從大量試驗數(shù)據(jù)對比分析為基礎(chǔ)可知，故障發(fā)動機的上述調(diào)節(jié)過程與其他發(fā)動機的基本一致。

但某型發(fā)動機與某發(fā)動機主燃油噴嘴結(jié)構(gòu)不同。某型發(fā)動機主燃油噴嘴內(nèi)部設(shè)有單向活門，當噴嘴前后壓差達到約0.13±0.01 MPa時活門打開，燃油進入主燃燒室；反之當壓差減小到該值時活門關(guān)閉，停止向主燃燒室供油。這樣理論上在應(yīng)急放油接通時如果噴嘴前后壓差減小到或低于0.13±0.01 MPa時，主燃燒室均為斷油狀態(tài)。而某發(fā)動機的主燃油噴嘴是在主燃油總管上設(shè)有多個固定節(jié)流孔，內(nèi)部沒有活門，另外，某發(fā)動機采用主副油路供油，只有當主副油路噴嘴前后壓差全部為0或負值時才中斷向主燃燒室供油。

從試驗結(jié)果來看，某型發(fā)動機2次接通應(yīng)急放油熄火時的噴嘴前后壓差均小于0.1 MPa，而其他發(fā)動機則全部高于噴嘴內(nèi)部活門打開壓差0.13±0.01 MPa；某發(fā)動機雖然主油路噴嘴前后壓差為負，但副油路噴嘴前后壓差為正，故不存在熄火的可能。

綜合上述分析可知，某型發(fā)動機外場間歇應(yīng)急放油停車故障的原因為：某型發(fā)動機在接通應(yīng)急放油時均存在參數(shù)波動現(xiàn)象，在故障發(fā)動機連續(xù)接通應(yīng)急放油接通過程中ΔPfmin比其他批產(chǎn)發(fā)動機低200～300 kPa，并且其值低于噴嘴打開壓差，導致燃燒室供油瞬間不足，造成不穩(wěn)定燃燒，熄火停車。

5 解決措施

雖然該故障在某型發(fā)動機研制中屬首次發(fā)生，也無資料表明某發(fā)動機發(fā)生過類似現(xiàn)象。但從試驗驗證結(jié)果來看，某型發(fā)動機在應(yīng)急放油接通時均存在參數(shù)波動現(xiàn)象，主燃燒室噴嘴前后壓差即供油量減少較多，甚至瞬間斷油。特別是故障發(fā)動機在應(yīng)急放油接通過程中ΔPfmin比其他批產(chǎn)發(fā)動機的低200～300 kPa，解決措施應(yīng)從應(yīng)急放油接通過程中減小參數(shù)波動入手。

5.1 增加節(jié)流嘴措施

為從根本上將應(yīng)急放油接通時噴嘴前后壓差降低量減小即提高ΔPfmin，通過對某型發(fā)動機燃油系統(tǒng)工作原理和應(yīng)急放油接通時各參數(shù)變化的深入分析，認為該問題可通過改變應(yīng)急放油接通時各參數(shù)變化的時序關(guān)系加以解決。具體來說，就是采取在應(yīng)急放油附件管接頭通往加力燃油泵管接頭的內(nèi)部增加節(jié)流嘴，延長應(yīng)急放油開關(guān)接通后加力燃油泵進口活門打開時間，減少加力燃油泵內(nèi)部轉(zhuǎn)換活門轉(zhuǎn)換過程對齒輪泵后供油壓力的影響，進而減小應(yīng)急放油接通時壓差回油活門引起的各參數(shù)波動。

5.2 增加節(jié)流嘴后對系統(tǒng)的影響分析

對增加節(jié)流嘴后的系統(tǒng)進行了仿真驗證，試驗結(jié)果表明，在不同工作條件下，在應(yīng)急放油附件接頭處增加Φ=1.0 mm的節(jié)流嘴，在應(yīng)急放油工作狀態(tài)下，加力泵進口活門控制腔內(nèi)的壓力均增大，不影響應(yīng)急放油功能的實現(xiàn)，如圖17所示。

圖17 增加節(jié)流嘴對加力泵功能實現(xiàn)的影響

新增節(jié)流嘴位于應(yīng)急放油附件管接頭通往加力燃油泵管接頭管路上，該管路的作用是在應(yīng)急放油信號發(fā)出后用于打開加力燃油泵，新增節(jié)流嘴僅與加力燃油泵相關(guān)。

6 增加節(jié)流嘴效果驗證和直徑確定

對增加節(jié)流嘴后的3臺發(fā)動機在臺架狀態(tài)下進行應(yīng)急放油試驗，結(jié)果表明：增加節(jié)流嘴后，應(yīng)急放油接通時ΔPfmin明顯增大，且節(jié)流嘴直徑越小，改善效果越明顯。（1）采用Φ＝1.2 mm的節(jié)流嘴，ΔPfmin增大約 200～300 kPa；（2）采用 Φ＝1.0 mm的節(jié)流嘴，ΔPfmin增大約200～700 kPa；（3）采用 Φ＝0.8 mm的節(jié)流嘴，ΔPfmin增大約500～800 kPa。

根據(jù)試驗驗證結(jié)果，兼顧增加節(jié)流嘴后的改善效果和節(jié)流嘴的抗污染能力，并確保在應(yīng)急放油開關(guān)接通后加力燃油泵可靠打開，故障解決措施中采用Φ＝1.0 mm的節(jié)流嘴。

7 措施驗證

7.1 地面臺架驗證

如前所述，增加Φ=1.0mm的節(jié)流嘴可有效改善應(yīng)急放油接通時燃油系統(tǒng)波動，ΔPfmin增大約200～700 kPa。

（1）增加節(jié)流嘴后，應(yīng)急放油接通時加力燃油泵進口活門打開時間延長，且節(jié)流嘴直徑越小，延長時間越多：不加裝節(jié)流嘴時，加力燃油泵打開時間約為0.1 s；采用Φ＝1.0 mm的節(jié)流嘴時，加力燃油泵打開時間約為0.25 s。

（2）增加節(jié)流嘴后，應(yīng)急放油接通時n2波動量相對減小，且節(jié)流嘴直徑越小，波動量越小，但因加裝前n2波動不大，所以表現(xiàn)不是很明顯：不加裝節(jié)流嘴時，n2波動（n2降低）約為0.36%；采用Φ＝1.0 mm的節(jié)流嘴時，n2波動（n2降低）約為0.2%。

（3）增加節(jié)流嘴后，應(yīng)急放油接通時ΔPf的波動量明顯減小，且節(jié)流嘴直徑越小，波動量越小，采用Φ＝1.0 mm的節(jié)流嘴時應(yīng)急放油接通瞬間ΔPf的波動量減小約50%。

增加節(jié)流嘴后對發(fā)動機無影響，各項功能和性能正常。

7.2 裝機和飛行驗證

在某飛機左發(fā)動機上增加Ф＝1.0 mm的節(jié)流嘴，在右發(fā)動機未增加節(jié)流嘴。更換前后進行了地面開車檢查，隨后進行了飛行驗證。結(jié)果為：

增加節(jié)流嘴前地面應(yīng)急放油接通時左、右發(fā)動機的ΔPf波動量相當；左發(fā)動機增加Φ＝1.0 mm的節(jié)流嘴后空中飛行ΔPf波動量明顯減小；相對于右發(fā)動機，左發(fā)動機空中波動幅度約減小200 kPa。

在地面狀態(tài)下左發(fā)動機增加Φ＝1.0 mm的節(jié)流嘴后，ΔPfmin較增加前提高約200 kPa；

在空中飛行時，增加Φ＝1.0 mm的節(jié)流嘴的左發(fā)動機的ΔPfmin增大比右發(fā)動機的約高200 kPa。

根據(jù)地面臺架試驗、裝機地面試驗和飛行驗證結(jié)果，在應(yīng)急放油附件管接頭通往加力泵接通活門管接頭的內(nèi)部增加Φ＝1.0 mm的節(jié)流嘴可使應(yīng)急放油接通時主燃油噴嘴前、后壓差最低值提高200～700 kPa，并且增加節(jié)流嘴后對發(fā)動機其他功能和性能無影響。

8 結(jié)論

（1）某發(fā)動機發(fā)生的間歇應(yīng)急放油停車故障是由于在連續(xù)接通應(yīng)急放油過程中主燃油噴嘴前、后壓差瞬間減小較多，導致燃燒室瞬間供油不足，造成不穩(wěn)定燃燒，發(fā)動機熄火。

（2）在應(yīng)急放油附件1號管接頭內(nèi)部增加Φ＝1.0 mm的節(jié)流嘴可有效改善應(yīng)急放油接通時主燃油噴嘴前、后壓差的波動，改善應(yīng)急放油系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

（3）地面試車和飛行驗證結(jié)果表明，該改進措施可有效提高應(yīng)急放油接通時主燃燒室噴嘴前、后壓差最低值，防止主燃燒室斷油熄火。

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