航空發動機臺架試車燃油系統氣塞故障與排除方式分析

常誠，肖連勇

（中國航發上海商用航空發動機制造有限責任公司，上海 201306）

某型航空發動機的試車臺，使用油庫通過長輸管道輸送燃油為發動機燃油系統供油。油庫來油經過臺架燃油粗油濾過濾、流量計計量、細油濾過濾后供至發動機燃油系統。如果燃油系統的附件以及管路產生的氣泡，沒有及時排除，便會產生堵塞的現象，使得發動機產生轉速不穩定的情況，甚至導致停車的情況產生。

1 目前國內試車臺燃油系統主要特點

1.1 供油壓力不同

目前燃油系統的發動機燃油供油壓力與系統來油壓力屬于線性關系，不同型號的發動機以及試驗狀態當中的供油壓力范圍都是不同的，油庫為了對各個型號發動機供油需求進行滿足，需要對各自的管線以及油罐進行配置。

1.2 燃油流量測量范圍比較窄

為確保燃油流量測量的準確度，試車臺燃油系統一般使用2個流量計，1個大范圍流量計用來測量慢車以上狀態的燃油流量、1個小范圍流量計用來起動及慢車狀態的燃油流量。在應用不同的發動機狀態對燃油流量進行測量的過程中，需要對流量計進行切換，一般沒有自動切換功能。

1.3 單體設計

燃油系統當中的部件，從廠家運輸到施工現場進行安裝，并完成沖洗以及調試工作。在現場進行安裝工作和調試工作需要一定的時間周期，成本比較高。

1.4 供油壓力受到燃油消耗量帶來的影響

燃油系統當中的發動機供油壓力，與燃油系統當中的燃油壓力以及燃油消耗量為反比的關系，發動機在大狀態的工作過程中，為了應對流量增大導致的壓力降低問題，需要增大供油壓力進行彌補。

1.5 部分系統狀態監控

燃油系統只實施系統的壓力監控，系統的功能比較單一，無法對系統實施調節和控制，系統內部沒有較強的自我保護功能以及糾正錯誤的能力。

2 故障現場分析

某型發動機在試車臺進行相應的發動機試車試驗。發動機起動至慢車穩定工作3min后，按照規定實施暖車，在暖車的過程當中，發動機的工作處于正常狀態。5min之后，結束暖車程序，推動油門提升發動機轉速。在發動機轉速提升過程中，操作人員發現發動機轉速擺動、渦輪后排氣溫度擺動，同時燃油系統發出燃油壓力低警報。

3 故障機理分析

在對停車數據進行詳細的分析之后發現，在燃油流量快速下降時，發動機自帶燃油泵燃油入口壓力比燃油的流量提前下降為零，時間大概為3s。在對發動機自帶燃油泵進行檢查之后，排除燃油泵故障的可能。初步判斷為發動機停車的直接原因是管路發生氣塞，使得燃油沒有正常進入到發動機當中。

燃油系統當中的管路沿程摩擦阻力為：

式中：雷諾數為Re；管路流速v，m/s；管路的內徑為d；介質運動粘度為v，m2/s。

燃油系統中應用的導管絕對粗糙度ε在0.0015～0.0600mm的范圍內。在計算時可當做光滑導管，所以在對管路沿程摩擦阻力系數λ進行確定的過程中，需要依照雷諾數Re的實際大小進行確定，與導管的絕對粗糙程度沒有較大的關系。

在進行計算使需要輸入的條件包括：100mm內徑導管的實際長度L1為4500mm；40mm內徑的導管長度L2為710mm；P=784.2kg/m3為燃油密度；流量Q為600L/h；運動粘度V=0.85×10-6m2·s-1。

所以燃油系統的摩擦阻力是：

式中：局部阻力為Pa；v0是局部阻力定性流速，單位m/s；燃油密度為ρ，kg/m3；局部阻力系數是ζ。

局部阻力系數的具體取值為：90°彎管ζ1為0.21×8，2為0.05×8；3為-3.5×2；單向閥ζ4為1.7；防火開關ζ5為0.05；燃油濾ζ6為1.5。

油庫來油壓力為Pf

航空汽油當中的飽和蒸氣壓，計算公式為：

4 試車臺燃油系統發展趨勢

4.1 供油壓力可調

系統的供油壓力可以進行調節，可在來油壓力沒有變化的狀態下，將系統內部的供油壓力進行調整，使其達到需要的范圍，不同類型的發動機在試驗狀態下進行試車時，可應用相同系統調整來油壓力。

4.2 燃油流量測量準確

應用精度不同的流量計進行燃油流量分段測量。2個量程相同的流量計串聯互相進行校準，在對2個測量值進行對比分析時，如差值在允許的范圍當中，可對測量值進行處理之后將其輸出。

4.3 模塊化設計及組合

應用模塊化進行設計，可將系統分為不同的功能模塊，結合不同的模塊進行調試和安裝。在對橇裝式進行組裝之后，對其進行整體性聯調和發運。在施工現場只能對管道進行安裝和調試，其成本并不高。安裝和調試的時間比較短，成本比較低。

4.4 電液伺服環調壓

應用電液伺服閉環調壓技術，可保障系統壓力的調節精準程度，確保工作的穩定進行，使發動機在燃油消耗狀態不同的情況下，也能將供油壓力進行穩定。這樣便不會產生因為供油壓力的波動對發動機工作穩定性產生的影響，使得發動機工作狀態更加穩定。

4.5 測控一體化

燃油系統連接著發動機電氣控制，如果系統產生了故障，可使燃油供油并自動改變發動機狀態，最大程度保障發動機設備的安全性。

5 結語

根據相關的分析可知發電機試車故障停車的原因主要包括。

（1）夏季溫度比較高、氣壓低，發動機在地面進行小功率長時間的運作時，因為發動機燃油泵產生的攪拌熱導致燃油泵前燃油溫度升高，加之低氣壓狀態下試車間氣流速度低、周圍大氣溫度高，不利于燃油熱量外散。

（2）試車臺操作人員在慢車狀態結束后進入暖機狀態前未將臺架燃油系統流量計從小流量計測量切換至大流量計測量，發動機轉速提升引發的燃油流量增加，導致臺架燃油系統壓損增加，發動機燃油泵入口壓力降低。

發動機燃油泵產生的攪拌熱加之散熱不良導致發動機燃油泵前燃油溫度快速升高，燃油流量計未切換加之系統燃油流量增加導致發動機燃油泵前燃油壓力下降。當燃油系統管路當中的油壓低于該溫度下燃油的飽和蒸汽壓時，在油庫供油壓力狀態下燃油中溶解的空氣處于游離的狀態，產生空氣泡，與燃油汽化共同產生燃油蒸汽，并在燃油管路當中逐漸聚集。燃油系統管路低壓產生的油氣泡占據臺架燃油系統管道空間，部分氣泡進入發動機燃油系統導致發動機轉速擺動。伴隨油氣泡增加，使得燃油系統管路燃油減少、氣泡增加，快速發生氣塞問題。供油管路出現堵塞，發動機供油不足，導致發動機轉速擺動、渦輪后排氣溫度擺動，嚴重時可導致停車現象產生。

因此需要提升發動機在高溫環境下的地面穩定性，對燃油系統做出相應的改進。例如將臺架燃油流量計工作狀態與發動機狀態連鎖，小流量計工作狀態時發動機無法達到暖機以上狀態；提高試車臺架燃油系統報警壓力，報警觸發時通過聲光電方式多維度提醒操作人員。只有采取合理有效的措施，才能保證后期在進行發動機試車時，在試驗條件相同的狀態下，使發動機試驗順利實施，消除類似故障。