某型渦扇發動機起動點火供油故障研究

顧雪波，趙靜云，張文學

（中國航發西安動力控制科技有限公司，陜西西安710077）

0 引言

某型燃油泵是某型渦扇發動機配套的主燃油泵，主要功用是供給燃油調節器高壓燃油和提供起動用燃油，并與燃油調節器配套工作，完成等壓差控制與應急供油功能，由低壓離心泵、高壓齒輪泵、安全活門、中心油濾、應急轉換活門、回油活門、起動活門等部件組成。

2014年來，某型渦扇發動機大修出廠交付用戶后，發生了多起與該型燃油泵相關的發動機起動不成功故障，故障發生時發動機尾噴口伴有冒煙、噴火現象。此類故障與該型發動機之前出現的起動故障模式[1]不同，需重新對該類起動故障機理進行研究。

1 發動機起動過程分析

1.1 起動過程介紹

某型渦扇發動機起動過程[2]由以下三階段組成，具體過程如圖1所示。

第一階段，由空氣起動機帶動發動機加速，自按壓“起動”按鈕開始至燃燒室供油燃燒，渦輪開始發出功率為止。此階段由空氣起動機單獨帶動發動機加速，自按壓“起動”按鈕開始起算，這時點火裝置開始工作；經過9s，燃油泵向發動機起動點火噴嘴供油，并形成起動火焰；15s時發動機供油系統時向工作噴嘴供油，并由起動火焰點燃，渦輪開始發出功率，此時第一階段結束。

第二階段，由空氣起動機和渦輪共同帶動壓氣機加速，直至帶轉裝置（即斷開空氣起動機）退出工作。此階段中，由空氣起動機和渦輪共同帶動發動機加速，隨著發動機渦輪功率的迅速增加，n2轉速迅速增大，當n2達到43±1.5%，由發動機控制系統斷開空氣起動機。

第三階段，由渦輪單獨帶動壓氣機加速直至慢車狀態（n2=56±1.5%）。

圖1 起動過程功率變化

1.2 起動供油點火系統分析

1.2.1 起動程序介紹

從按下發動機“起動”按鈕的瞬間起，該發動機起動過程按下列程序進行：

1）向下列附件供電

——供電給裝在燃油泵上的停車電磁活門，斷開向工作噴嘴供油；

——供電給點火裝置，電嘴工作發生火花；

——供電給空氣起動機電磁活門，打開空氣起動機活塞，壓縮空氣進到空氣起動機渦輪，隨即空氣起動機開始帶動高壓轉子旋轉。

2）第9s，供電給起動燃油電磁活門，起動燃油噴入點火器，在點火器中由電嘴火花點燃。

3）第15s，停車電磁活門斷電，主燃油開始通過工作噴嘴噴入燃燒室。在燃燒室中由起動燃油的火焰點燃主燃油，渦輪排氣溫度開始升高。

4）第25s，點火裝置和起動燃油電磁活門斷電，終止電嘴工作和起動燃油供給。

5）當nH達到41.5%～44.5%時，由于燃油調節器的起動機卸載微動電門斷電，從而使空氣起動機和DF22停止工作。

1.2.2 起動供油分析

起動供油系統如圖2所示，起動供油由兩部分組成。

第一部分為起動點火噴嘴燃油。該燃油由燃油泵起動活門提供，在起動第9s時噴入起動點火噴嘴，由點火裝置將其點燃，形成起動火焰，并持續至25s；

第二部分為工作噴嘴燃油。該燃油由燃油泵主供油系統提供，在起動第15s時燃油泵停車電磁活門斷電，回油活門由全開狀態轉換至受控閉合狀態，主燃油經燃油調節器主計量油針、起動活門、最小流量活門進入工作噴嘴，噴入燃燒室，由起動火焰將其點燃，此后，渦輪開始發出功率。

圖2 起動供油原理

1.2.3 起動過程工作噴嘴點火時機分析

根據燃油泵及燃油調節器工作原理，得到起動供油隨時間、轉速變化關系，如圖3所示，由于起動過程中第一階段過程中燃油調節器的調節系統未投入工作，燃燒室沒有燃油混合氣，不具備火焰生成的條件，當到達15s時，停車電磁活門斷電后，燃燒室供油由0增加到165kg/h，并在燃燒室內形成一定濃度的燃油混合氣，此時具備了點燃的基本條件。由圖3可知起動點火電嘴具備火焰的時間在起動第9秒至25秒之內，因此燃燒室開始生成火焰的時間范圍在起動第15s至25s的時間之間，若超出25S的時間，此時起動火焰已經消失，只有燃氣混合氣，不會產生火焰，渦輪后溫度也不會上升，多余的燃油隨氣流在尾噴口噴出，形成白煙。

圖3 起動供油變化圖示

另一方面因起動火焰的能量能點燃油氣混合氣的能力是有限的，因此油氣混合比需要在一定范圍內，才能較好的被點燃，形成火焰。若燃燒室供油時機不對，造成油氣混合比不在合適的范圍內，就會出現點火失敗、爆燃、尾噴口噴火等現象，此時一般情況下，還會出現發動機尾噴口有未參與燃燒的燃油噴出，形成白煙。所以就此分析可知，發動機要想點火成功，燃燒室工作噴嘴的供油時機是非常重要的。

根據系統工作原理，在起動第15s停車電磁活門斷電后，燃油泵主燃油供油由0突增至165kg/h的時間完全由回油活門決定，而回油活門由開放狀態轉換至關閉狀態的時間與回油活門的靈活性、回油活門彈簧力特性、停車電磁活門動作時間及節流器的流量相關。

2 故障原因分析與仿真

2.1 故障情況統計

自2014年以來，某型渦扇發動機大修出廠交付用戶后，在使用過程中多次出現起動噴火故障，多次調整燃油調節器的起動供油量，故障情況雖有改善，但無法徹底排除，通過串換起動控制盒、點火器、燃油調節器、燃油泵，最后確定該故障是燃油泵導致的，這些燃油泵均是修理后附件，且總使用時間均在750小時以上，具體故障情況見表1。

通過判讀飛參，發現發動機排氣溫度在起動過程中滯后，具體見圖4。

表1 外場起動故障情況

2.2 故障原因分析

從圖4可以看出，故障時發動機渦輪后溫度上升起始點較正常時有一定的滯后時間，渦輪后溫度的上升顯示主燃燒室已被點燃并開始產生持續的燃燒，渦輪此時開始投入工作，渦輪后排氣溫度上升的滯后即代表了主燃油供給到主燃燒室產生了滯后，由1.2.3節的分析可以得知，若主供油系統供油滯后太多或者上升比較突然，有可能錯過最佳的點火時機，造成點火失敗或者產生爆燃、尾噴口噴火等現象出現。因此根據故障現象、飛參及該型發動機起動工作機理，認為造成發動機起動噴火的原因是：起動過程中，發動機工作噴嘴供油滯后，造成點火時機不正確。燃油泵中與之相關的因素有：

1）供油量偏小；

2）回油活門運動不靈活。

根據該型燃油泵現行技術條件[5]，對故障燃油泵進行性能錄取，其中與外場故障相關的性能均合格，且與出廠值相當，未見衰減，見表2。對燃油泵進行局部分解，檢查回油活門組件靈活性，測量回油活門間隙、節流器流量，符合技術要求，但回油活門彈簧力特性超出下限，見表3。

表2 燃油泵性能數據

圖4 起動時渦輪排氣溫度隨時間變化曲線

表3 回油活門彈簧力特性數據

按照現行技術條件，燃油泵在廠內試驗器測試的是靜態數據，整個過程關注的是穩態時的性能，而發動機的工作是實時動態的過程，分析故障泵的參數能否和發動機實際動態過程產生關聯，必須應用一定的仿真手段，按照故障泵的實際結構、數據等設置仿真參數，對檢查結果進行仿真，為分析故障機理提供有益思路。

2.3 仿真分析

2.3.1 仿真模型的建立

運用AMESim軟件搭建燃油泵主油路起動供油模型[3]，如圖5所示。

圖5 燃油泵起動供油模型

根據計算手冊[4]，燃油泵出口壓力為：

PT=ΔP管道+ΔP計量+ΔP關斷+ΔP反閥+ΔP噴嘴+ΔP燃燒室

ΔP關斷=6kg/cm2——關斷活門上的壓降；

ΔP計量=4kg/cm2——流量調節器計量閥上的壓降；

ΔP反閥=3kg/cm2——反閥上的壓降；

ΔP管道=5kg/cm2——管道中的阻力和關斷閥和反閥的誤差形成的總的壓力損失。

已知發動機起動過程中，當回油活門完全關閉時，發動機工作噴嘴燃油流量GT=165kg/h，則燃油泵出口壓力19.74kg/cm2=19.35bar，將此壓力值代入燃油泵起動仿真模型，同時模擬停車電磁活門通斷，得到圖6仿真曲線，與圖7實際測試曲線對比稍有差異，表現在電磁活門斷電后，回油活門回程較短，這是因為仿真中沒有附加系統泄露和摩擦力，對定性分析判斷沒有影響，可以判定仿真模型與燃油泵的實際工作狀態相當，可以用來進行故障的模擬。

圖6 停車電磁活門轉換前、后燃油泵出口壓力仿真曲線

2.3.2 故障泵模擬仿真

分別將故障泵回油活門彈簧力特性和理論參數代入燃油泵起動仿真模型，仿真結果如圖8所示。

圖8 燃油泵出口壓力仿真曲線

從圖8看出，回油活門彈簧力特性衰減后，在起動過程中，燃油泵出口壓力上升出現滯后現象。因為仿真中沒有考慮系統泄露和摩擦力的存在，因此仿真的滯后現象在實際系統會相應放大，這種滯后對發動機工作影響較大，因為發動機燃油系統工作噴嘴為單油路離心式設計，不可調，為保持大狀態燃油霧化效果，相對雙油路而言，小狀態燃油壓力小、霧化效果較差、工作穩定性較差。故在發動機起動過程中，若燃油泵供油壓力上升滯后，則會使得工作噴嘴霧化效果變差，達不到火焰被點燃的條件，燃油從尾噴口噴出，形成白色“煙霧”；當燃油壓力繼續上升，燃油霧化效果變好，燃燒室內產生火焰，而此時，已經有較多的燃油被氣流帶入渦輪及尾噴口中，遇到高溫的燃氣，有可能被點燃，此時就會出現尾噴口噴火現象。

將回油活門彈簧的預壓力增加1N，燃油泵出口壓力與理論曲線基本重合（見圖9），這說明可以通過增加回油活門彈簧下調整墊片厚度約0.3mm，加大回油活門彈簧的預壓力，解決外場出現的發動機起動噴火故障。

3 驗證

為驗證理論分析的結果，外場對同類故障采取在燃油泵的回油活門彈簧下增加調整墊片的方法，加大回油活門彈簧的預壓力，排除該故障。

圖9 燃油泵出口壓力仿真曲線

4 結論

1）某型渦扇發動機起動過程中出現的起動噴火故障與燃油泵回油活門彈簧長時間使用后力特性衰減有關。

2）為解決發動機起動噴火故障，一方面完善燃油泵修理技術條件，增加回油彈簧彈力特性檢查要求，杜絕回油活門彈簧力特性衰減較多的情況；另一方面，外場可通過增加燃油泵回油活門彈簧下調整墊片厚度，加大回油活門彈簧預壓力，排除此故障。

[1]趙靜云，顧雪波，惠鑫彥.某型渦扇發動機起動故障研究.西控公司2014年度科技論文集.

[2]褚云程,揚志宇.渦扇-xx發動機技術說明書,608研究所,1997.

[3]付永新，祈曉野，LMS Imagine.Lab AMESim系統建模和仿真參考手冊［M］，北京.北京航空航天大學出版社，2011.

[4]Расчеты отдельных уалов и злементов насоса 4001，регулятора 4000，1996.

[5]XXX-6燃油泵技術條件，西安航空動力控制科技有限公司，2002.