某型航空發動機“PHA故障”報警的研究與排除

■ 盧子元 馮飛飛 黃婷 方博琳/成都航利（集團）實業有限公司

1 背景

某型加力渦輪風扇發動機為國產新型戰斗機的主要動力裝置,具有耗油率低、推進效率高、推重比高、適應范圍廣等多方面優越性,其控制系統主要包括主燃燒室燃油量控制系統、壓氣機幾何通道控制系統、加力燃燒室燃油流量控制系統、噴口截面積控制系統、防喘消喘控制系統等。其中,壓氣機幾何通道控制系統分為低壓壓氣機進口導流葉片α1控制系統和高壓壓氣機可調導流葉片角度α2控制系統。

低壓壓氣機進口導流葉片α1控制系統為電子液壓機械式,分為主控制系統（電子-液壓機械控制系統）和備份控制系統（液壓-機械控制系統）兩個系統,由自動調節器內的α1調節通道、液壓機械部分、燃油泵-調節器內的葉片角度控制器組成。

正常工作時,主控制系統（電子-液壓機械控制系統）按照α1=f（n1換算）規律調節低壓壓氣機進口導流葉片角度α1,如圖1所示,主控制系統中自動調節器的α1調節通道,根據n1頻率傳感器和t1溫度傳感器測得的低壓轉子轉速n1和發動機進口空氣溫度t1,計算出n1換算,并按α1=f（n1換算）特性建立α1的設定值；當實測的α1等于設定值時,α1調節通道中的信號輸出裝置輸出指定的占空比信號到控制α1角度的電磁活門ИМ8,用于保持α1角度穩定；當α1與設定值存在差異時,占空比信號產生與該差異值正比的偏差,輸出到電磁活門ИМ8,用于修正α1角度。

當自動調節器內的α1調節通道發生故障（即本文所討論的“PHA故障”）時,自動調節器斷開電磁活門ИМ8的供電,電磁活門退出工作,即主控制系統退出控制。此時,低壓壓氣機進口導流葉片角度的控制由備份系統接管,由液壓-機械葉片控制器按照α1=f（n2換算)規律控制低壓壓氣機進口導流葉片角度α1。

2 試車故障現象

某型發動機試車過程中,在高壓轉子物理轉速n2=95%狀態下穩定工作一定時間后,出現“PHA故障”、“自動調節器故障”“n2重調”等報警信號并自鎖,同時發動機轉速下降。

該故障出現后,收油門進入慢車狀態,對自動調節器進行解鎖,報警信號消失；再次進入n2=95%狀態穩定工作后,報警信號再次出現,多次進行解鎖,均復現。發動機無法進入n2=95%及以上轉速狀態,試車無法正常進行。

其后,根據針對“PHA”報警信號的排故經驗,先后更換了自動調節器、α1角度位移傳感器和燃油泵-調節器上的執行電磁活門ИМ8,并重新進行試車檢查,報警信號仍復現。由此,可以確定該故障不是自動調節器自身的故障,且排除了α1角度位移傳感器、執行電磁活門ИМ8故障的可能性,但故障點仍無法確定。

3 故障原因分析

重新進行試車參數的分析和判讀,發現自動調節器輸出“PHA故障”報警信號的同時,也輸出“自動調節器故障”報警信號和“n2重調”信號。故障發生后,控制發動機主燃油流量的執行電磁活門ИМ1的占空比降為0%,自動調節器退出了發動機控制；發動機的主要工作參數均發生變化并穩定于較低值（見表1）,基本符合“n2重調”（高壓轉子轉速重新調節,限制發動機進入大工作狀態）時的工作現象。

圖1 低壓壓氣機進口導流葉片α1控制原理簡圖

表1 故障出現前后主要參數的對比

圖2 自動調節器α1調節通道檢查電路的工作原理簡圖

此故障現象與常見“PHA故障”的故障形式并不完全一致。發動機的“PHA故障”報警信號由自動調節器α1調節通道中的α1通道檢查電路生成；在α1通道檢查電路中出現“PHA故障”信號時,信號將被送到開關電路使α1的執行電磁活門ИМ8斷電,α1調節通道不再對α1進行調節且鎖定在故障狀態。α1通道檢查電路由n1信號檢查電路、α1信號檢查電路和寬脈沖調制器檢查電路組成,其基本工作原理如圖2。

經過對α1調節通道檢查電路工作原理的分析和總結,將導致“PHA故障”報警信號的因素大致分為以下幾類。

1）低壓轉子轉速n1因素導致的“PHA故障”

n1信號檢查電路負責檢查發動機工作時n1轉速是否在規定范圍內。如果測量低壓轉子轉速n1的頻率式轉速傳感器或其傳輸線路出現故障,導致n1轉速信號電壓超過規定范圍下限或上限,則n1信號檢查電路發送“PHA故障”信號。

2）低壓壓氣機進口導流葉片角度α1因素導致的“PHA故障”

α1信號檢查電路負責檢查發動機工作時α1角度是否在規定范圍內。如果測量α1角度的感應式位移傳感器或其傳輸線路出現故障,導致α1信號電壓超過規定范圍下限或上限,則α1信號檢查電路發送“PHA故障”信號。

3）寬脈沖調制器因素導致的“PHA故障”

寬脈沖調制器檢查電路,負責檢查從寬脈沖調制器輸出到執行電磁活門ИМ8的占空比信號是否符合要求；寬脈沖調制器按照α1=f(n1換算)的調節規律,為執行電磁活門ИМ8提供相應的占空比信號,用于維持或修正α1角度；如果寬脈沖調制器及其傳輸線路出現故障,引起該占空比出現異常,則寬脈沖調制器檢查電路發送“PHA故障”信號。

4）發動機進口空氣溫度t1因素導致的“PHA故障”

自動調節器故障檢測組件中的t1溫度檢查電路負責檢查發動機進口空氣溫度的t1溫度電壓信號是否在規定范圍內。當t1溫度的電壓信號超出規定范圍時,t1溫度檢查電路會發出t1傳感器故障邏輯信號,輸出“自動調節器故障”并自鎖,且輸送t1傳感器故障信號到α1調節通道。一方面切斷主燃油控制執行電磁活門ИМ1的供電,使自動調節器退出發動機的主燃油控制,啟動n2轉速重調以降低發動機的工作轉速和溫度,同時限制發動機進入大工作狀態。另一方面,t1傳感器故障信號傳輸到α1調節通道,觸發“PHA故障”報警信號,并切斷執行電磁活門ИМ8的供電,將α1角度的控制轉交給備份控制系統。

將以上基本工作原理與前述的故障情況進行對比分析,發現該發動機的故障現象與第四類因素——t1傳感器故障導致的“PHA故障”現象較為一致,均報“PHA故障”“自動調節器故障”“n2重調”信號；執行電磁活門ИМ1、ИМ8的占空比均降至0%,退出工作；發動機按照n2重調規律降低工作轉速和溫度。

t1溫度傳感器用于測量發動機進口空氣溫度。傳感器由靈敏元件、殼體、安裝導線、電纜、插頭,引出線等組成,如圖3所示。其中,靈敏元件用直徑0.1mm的鉑金絲做成螺旋絲,裝在殼體的螺旋槽內。

圖3 t1溫度傳感器

t1溫度傳感器的測量原理：利用鉑金絲的電阻隨周圍溫度變化而變化的特定規律,使鉑金絲上所分擔的電壓隨電阻變化來表征溫度的變化。因此,當鉑金絲出現斷絲或短路故障時,會引起t1溫度電壓信號超過t1溫度檢查電路的規定范圍而觸發“t1傳感器故障信號”,導致上述的第四種故障情況。

圖4 發動機試車參數示波圖

4 故障驗證

基于以上分析,將故障點定位為t1傳感器故障,并在試車臺上更換了t1溫度傳感器。之后,重新進行試車并穩定工作2小時（含4個主循環）,試車全程中“PHA故障”報警信號未復現,故障排除。

為進行驗證,將原臺t1溫度傳感器換回,重新進行試車檢查,故障復現,客觀驗證了故障定位的準確有效。

同時,整理故障狀態的試車數據可以發現,發動機試車參數示波圖（圖4所示）中的t1溫度數值在故障發生前出現兩次突降；查看不同次“PHA故障”報警時的示波圖均具有這一特征,從數據上驗證了對t1溫度傳感器故障的推斷。

5 總結

電子-液壓控制系統與機械-液壓控制系統共同構成控制系統,是該型加力渦輪風扇發動機控制系統的典型特征。該特征表現為用于執行控制規律的電氣附件和液壓附件較多,使得所發生的控制系統故障的影響因素較多。針對這一特征,在試車排故時,尤其應重視故障分析的系統性以及不同因素造成故障的差異性,既要兼顧多個附件在控制過程中的影響,也要注意監控和判斷各個附件的參數變化的異常,以便精確定位故障點,準確排除故障。

[1] 樊思齊.航空發動機控制[M].西安：西北工業大學出版社, 2008.