燃油系統氣塞導致發動機空中停車的一起典型故障分析

劉龍魁

(中國南方航空工業(集團)有限公司,湖南株洲 412002)

燃油系統氣塞導致發動機空中停車的一起典型故障分析

劉龍魁

(中國南方航空工業(集團)有限公司,湖南株洲 412002)

燃油系統氣塞現象發生在燃油系統管路和附件內部,具有相當的隱蔽性,很容易被人們忽視。本文通過對外場發生的一起因燃油系統排氣不良造成氣塞導致某渦軸發動機空中停車故障進行分析,提出改進措施,以期提高發動機工作穩定性和直升機飛行安全性。

燃油系統 氣塞 渦軸發動機 空中停車

1 引言

某型直升機裝有兩臺渦軸發動機,由安裝在直升機同側的前后兩個燃油箱分別給兩臺發動機供給燃油。每臺發動機有一套獨立的供油系統,前油箱給左發供油,后油箱給右發供油。左右發動機的輸油管路之間有導管連接,平時由供油選擇閥隔斷,當任一套供油系統中的燃油增壓泵或單向閥故障時,可通過供油選擇閥的功能切換實現交輸供油,一個油箱同時向兩臺發動機連續供油, 當任一臺發動機故障時,可通過供油選擇閥的功能切換實現轉輸供油,前后油箱同時向另一臺發動機供油。

燃油系統的組成如圖1所示,其流程如下：

當燃油系統附件或供油管路中存在大量的空氣泡未及時排除時,會形成氣塞,造成供油管路堵塞,它將破壞發動機的正常供油,甚至可能造成燃油供油中斷,導致發動機停車。

2 故障現象

2013年5月,某架直升機剛完成燃油增壓泵定期檢查工作,便接到了試飛任務。15時12分,該機地面開車后工作正常,機組駕駛直升機原地懸停約2分鐘,工作正常。隨后到1號旗門進行懸停檢查(懸停高度約5米)。15時16分,飛行員發現直升機“主警告”燈閃亮、“右電調故障”、“助力器卡滯”燈燃亮,立即報告指揮員。在報告過程中,機組聽到“旋翼轉速低”語音告警,同時發現“左發燃壓低”、“旋翼轉速低”燈燃亮,左發Ng、Q值迅速下降至0,T4.5溫度下降,機組判定左發動機停車,報告指揮員。按照單發處置操縱直升機于15時17分安全著陸。

右發動機關閉前,“右電調故障”、“左發燃壓低”、“助力器卡滯”燈燃亮,前艙“前泵”斷路器斷開,左發燃油壓力為0.11MPa。隨后,按正常程序關閉右發動機。

3 故障機理分析

3.1 空中停車時的發動機參數判讀

圖1 直升機燃油系統圖

圖2 左發停車數據

圖3 右發工作數據

對發動機數控系統通電檢查,并讀取數控系統停車數據和故障數據。對數控系統雙發停車數據進行分析,故障現象與飛行員描述基本吻合,以下分段對數據情況進行詳細描述：

直升機油箱增壓泵關閉前,如圖2所示中的第1段,發動機ng轉速為94%,T45溫度為670℃,發動機燃油壓力Pt為0.52MPa,發動機和數控系統工作正常;

直升機油箱增壓泵關閉后,如圖2所示中的第2段,發動機ng轉速為維持在94%左右,T45溫度為670℃,發動機燃油壓力Pt為0.43MPa,此段時間為8.5秒;

發動機燃油壓力Pt從0.43MPa下降到0.09MPa,如圖2所示中的第3段,此段時間內前半段發動機工作穩定,后半段發動機狀態開始有所下降,此段時間為5.1秒;

之后,發動機熄火停車,如圖2所示中的第4段,從此時的數據可以看出,發動機是由于斷油導致停車。

從右發的停車數據可以看出,在整個停車過程中,數控系統未出現“右發電調故障”,與飛行員所描述的“右電調故障”不吻合,直升機上指示燈可能存在誤指示情況(如圖3)。

3.2 外觀及通電檢查

圖7

圖8

圖9

在保持直升機的狀態不變的情況下,對兩臺發動機的外觀進行了檢查,外部管路未發現燃油滲漏;數控系統進行通電檢查及離位檢測,確認電子控制器及泵調節器無異常;燃油附件檢查,未見燃油滲漏。對直升機進行檢查,發現前油箱燃油增壓泵短路故障,由于增壓泵自身未設置短路保護,導致直升機電氣系統斷路器斷開,從而引起“右電調故障”、“助力器卡滯”警告燈亮。

3.3 建立故障樹

根據發動機停車的機理,建立如下的故障樹(如圖4)。

3.4 故障定位

對飛參數據進行判讀,左發停車時,直升機操縱信號正常,排除了數控系統操縱停車的可能性。對停車前數控系統數據進行判讀,未發現報故信號;對數控系統進行離位檢查,各傳感器及電液伺服閥工作正常;檢查泵調節器,傳動軸轉動靈活,無異常,排除數控系統故障停車的可能性。從發動機停車前數據分析,泵調節器進口燃油壓力Pt驟降至常壓,供油中斷,因此,故障原因應定位于泵調節器燃油進口前的直升機燃油系統故障。

3.5 驗證試驗

3.5.1 數控系統工作穩定性驗證

更換直升機前油箱燃油增壓泵,并對左發燃油系統進行排氣,左、右發數控系統均加裝歷史記錄儀,對開車全過程進行記錄。完成準備工作之后,進行地面開車,前、后燃油箱的增壓泵全程處于打開狀態,空中慢車狀態穩態運行4分鐘后,執行正常停車。整個過程發動機和數控系統狀態正常。

3.5.2 故障復現

在對前期故障現象進行故障樹分析的基礎上,為理清故障現象,進行兩次故障復現開車。左發動機在空慢狀態對燃油增壓泵進行了兩次關閉開車,均出現停車現象,復現了故障。

3.5.3 發動機自吸油能力試驗

3.5.3.1 左右發離心式增壓泵互換

針對試驗現象,決定交換直升機兩臺發動機的離心增壓泵,進行開車試驗,以驗證左發離心增壓泵是否工作正常。直升機進行了地面試驗,兩臺發動機起動到空慢,關閉前后油箱增壓泵,兩臺發動機均工作正常,故障未復現。

圖10

圖11 故障的直升機前供油箱(無排氣孔)

a)右發共進行了3次關增壓泵的操作,空慢兩次,地慢一次,右發工作正常。空慢關增壓泵各維持110秒和92秒(Ng=88%,T1=35.7℃),燃油壓力由0.487MPa掉到0.389MPa;地慢關增壓泵各維持26秒(Ng=81%,T1=37℃),燃油壓力由0.446MPa掉到0.345MPa,見圖5。

b)左發共進行了3次關增壓泵的操作,空慢兩次,地慢一次,左發工作正常。空慢關增壓泵各維持150秒、89秒(Ng=86.7%,T1=32℃),燃油壓力由0.473MPa掉到0.38MPa;地慢關增壓泵維持26秒(Ng=78.8%,T1=32.7℃),燃油壓力由0.423MPa掉到0.326MPa,見圖6。

3.5.3.2 關泵后發動機自吸油能力試驗

經現場討論,決定在其它直升機上進行試驗驗證。在發動機空慢狀態下,分別關閉前后油箱增壓泵。抽取了五架直升機進行試驗,試驗結果均正常,未出現關泵停車現象。

3.5.3.3 供油系統“氣塞”驗證試驗及檢查

針對開車驗證結果從故障機理上進行了深入的分析,初步認為是供油系統內有殘留空氣,可能導致斷油停車。按照分析結果,進一步完善了方案并進行開車驗證,結果如下：

將故障直升機左、右發離心增壓泵恢復原位后,進行開車驗證,未出現停車現象;

模擬故障當天對前油箱進行的維護工作,將前油箱附件安裝板拆裝后,進行開車試驗。

a)左發空慢(Ng=87.2%,T1=36.2℃)進行了關增壓泵的操作,故障現象復現。燃油壓力由0.483MPa掉到0.387MPa,維持13秒后,燃油壓力掉到0.091MPa,維持8秒后斷油停車,見圖7、圖8。

b)1小時后,對直升機進行再次開車驗證。空慢(Ng=87.3%,T1=37℃)進行了關增壓泵的操作。燃油壓力由0.483MPa掉到0.396MPa,維持13.3秒后,燃油壓力掉到0.086MPa,維持8秒后,然后出現Pt的波動,維持約27秒后,燃油壓力恢復到0.393MPa,穩定約39秒,恢復增壓泵,燃油壓力恢復正常0.483MPa。第二次關閉增壓泵,燃油壓力由0.486MPa掉到0.39MPa,工作正常,維持約47秒,恢復增壓泵,見圖9。

c)第三次開車,左發空慢(Ng=87.1%,T1=39.3℃)進行了3次關增壓泵的操作,燃油壓力由0.478MPa掉到0.388MPa,分別維持72.7秒、67.8秒和46秒后恢復增壓泵,發動機未出現停車現象。

根據驗證結果,將該架直升機和另一架直升機的前油箱附件板組件進行互換驗證。拆下兩架機的前供油箱進行對比檢查時,發現故障直升機的前供油箱沒有排氣孔,而另一架機的前供油箱有排氣孔,見圖10。

將兩架直升機的前供油箱互換后開車驗證,故障現象轉移,原來正常的直升機出現非正常停車。

4 結論

左發空中停車的原因：此次飛行前,前油箱增壓泵進行了拆裝工作,由于供油箱無排氣孔(漏加工),在完成前增壓泵拆裝后,加油過程中供油箱內部分殘留空氣無法排出。飛行中,前燃油增壓泵出現短路故障后,左發動機進入自吸供油狀態,由于氣塞造成供油中斷,導致發動機空中停車。而當直升機停放一定時間后,殘留空氣會通過油箱附件板組件與油箱的安裝邊處釋放出,此時發動機開車,進行關閉油箱增壓泵操作并不會導致發動機停車。

[1]發動機培訓手冊,中航工業航空動力機械研究所,2010-6.

[2]發動機維護手冊,中航工業航空動力機械研究所,2010-6.

[3]直升機飛行手冊,中國直升機設計研究所,2010-7.

劉龍魁,男,出生年月：1982年1月26日,學歷：大學本科,職稱：工程師,從事工作：航空發動機外場維護。