某型飛機(jī)雙發(fā)參數(shù)異常波動故障研究

摘要：某型飛機(jī)運(yùn)營過程中出現(xiàn)雙發(fā)參數(shù)周期性異常波動故障，更換了多個發(fā)動機(jī)部件仍未得到解決。通過分析發(fā)動機(jī)供油控制系統(tǒng)和引氣系統(tǒng)工作原理及相互關(guān)系，確定了故障產(chǎn)生的根源，對發(fā)動機(jī)供油控制系統(tǒng)和引氣系統(tǒng)中各部件對故障產(chǎn)生的影響進(jìn)行梳理和定位分析，確定了故障排查思路，提出了故障處理措施和方法，為后續(xù)類似發(fā)動機(jī)故障的分析提供參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī);燃油控制系統(tǒng);引氣系統(tǒng);高壓引氣活門

0 引言

隨著某型擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)渦槳飛機(jī)在國內(nèi)外多條航線上的投入運(yùn)營，逐漸出現(xiàn)了一些典型故障，為用戶帶來了一定的運(yùn)營壓力和經(jīng)濟(jì)損失。

典型故障如雙發(fā)參數(shù)異常波動故障。飛機(jī)在巡航和下降階段，左右發(fā)動機(jī)所有參數(shù)均出現(xiàn)周期性異常波動現(xiàn)象，機(jī)組關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)引氣后發(fā)動機(jī)參數(shù)恢復(fù)正常。針對此情況，更換了發(fā)動機(jī)電子控制裝置、燃油調(diào)節(jié)器、燃油泵、P2.5單向活門、放氣活門和伺服機(jī)構(gòu)等多個零部件，并清潔了發(fā)動機(jī)所有電纜插頭，但故障仍未得到解決。

1 系統(tǒng)原理分析

從用戶反饋的故障現(xiàn)象來看，雙發(fā)所有參數(shù)均出現(xiàn)周期性異常波動現(xiàn)象，顯然不符合適航規(guī)定和設(shè)計(jì)需求。適航法規(guī)明確要求，對于具有兩臺及以上發(fā)動機(jī)的飛機(jī)，發(fā)動機(jī)各參數(shù)指示應(yīng)相互獨(dú)立、互不影響。因此，初步判定這是一起雙發(fā)參數(shù)同時異常波動的偶發(fā)故障。

分析故障飛機(jī)的飛參數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)參數(shù)波動具有一定的規(guī)律性，雙發(fā)參數(shù)按照下列先后次序出現(xiàn)周期性波動：燃油流量、高壓轉(zhuǎn)速、低壓轉(zhuǎn)速、排氣溫度、扭矩和螺旋槳轉(zhuǎn)速，這與發(fā)動機(jī)的控制邏輯基本吻合。

該型飛機(jī)所配套的發(fā)動機(jī)為典型的三轉(zhuǎn)子渦輪發(fā)動機(jī)。第一組轉(zhuǎn)動部件為低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪，低壓渦輪驅(qū)動低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動;第二組轉(zhuǎn)動部件為高壓壓氣機(jī)和高壓渦輪，高壓渦輪驅(qū)動高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動;第三組轉(zhuǎn)動部件為兩級動力渦輪和減速齒輪箱，兩級動力渦輪驅(qū)動減速齒輪箱帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動。三組轉(zhuǎn)動部件之間相互獨(dú)立，轉(zhuǎn)動速度和方向各不相同，便于機(jī)組獨(dú)立調(diào)控螺旋槳轉(zhuǎn)速，以滿足整個飛行包線內(nèi)不同飛行階段的功率需求。

發(fā)動機(jī)控制邏輯如圖1所示。從圖1中可以得出，影響發(fā)動機(jī)參數(shù)波動的因素主要為發(fā)動機(jī)供油控制系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)供氣系統(tǒng)。

1.1 發(fā)動機(jī)供油控制系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)供油控制系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)電子控制裝置、燃油加熱器、低壓燃油濾、燃油泵、高壓燃油濾、燃油調(diào)節(jié)器、燃油流量計(jì)、燃油分配管路和燃油噴嘴組成。

來自飛機(jī)燃油箱的燃油經(jīng)飛機(jī)引射泵、低壓燃油濾、燃油加熱器之后流入燃油泵，經(jīng)燃油泵增壓后進(jìn)入燃油調(diào)節(jié)器。流出燃油調(diào)節(jié)器的燃油，一路返回飛機(jī)油箱進(jìn)入引射泵，向其提供動流;另一路流經(jīng)燃油流量計(jì)、燃油分配管路和燃油噴嘴之后進(jìn)入燃燒室。

在發(fā)動機(jī)供油控制系統(tǒng)中，最核心的部件為燃油調(diào)節(jié)器，該部件主要通過調(diào)節(jié)進(jìn)入其內(nèi)部真空膜盒的供氣壓力來改變進(jìn)入燃燒室的供油量大小，以滿足飛機(jī)整個飛行包線內(nèi)不同階段的供油需求。燃油調(diào)節(jié)器的控制方式有兩種，一種為自動控制模式，主要通過電子控制裝置自動控制燃油調(diào)節(jié)器內(nèi)部步進(jìn)電機(jī)的位置，調(diào)節(jié)進(jìn)入真空膜盒的供氣量大小，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)供油量的控制;另一種為機(jī)械式控制模式，通過推拉功率桿調(diào)控燃油調(diào)節(jié)器內(nèi)部控制桿上作用的彈簧力的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)入真空膜盒的供氣量大小，改變發(fā)動機(jī)供油量大小。

在自動控制模式中，當(dāng)功率桿角度位于40?以上位置時，電子控制裝置進(jìn)入功率控制模式。

在功率控制模式中，電子控制裝置將功率理論值與實(shí)際值進(jìn)行對比，并轉(zhuǎn)換為高壓轉(zhuǎn)速理論值與實(shí)際值的對比，依據(jù)對比結(jié)果向燃油調(diào)節(jié)器輸出控制信號，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)供油量，達(dá)到理論功率需求。當(dāng)高壓轉(zhuǎn)速實(shí)際值小于理論值時，增加發(fā)動機(jī)供油量;當(dāng)高壓轉(zhuǎn)速實(shí)際值大于理論值時，減小發(fā)動機(jī)供油量，以滿足發(fā)動機(jī)功率需求。

1.2 發(fā)動機(jī)供氣系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)供氣系統(tǒng)由低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)組成。

進(jìn)入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道的空氣經(jīng)低壓壓氣機(jī)增壓和增速后流入低壓擴(kuò)散管，進(jìn)一步增加空氣壓力。從低壓擴(kuò)散管流出的壓縮空氣經(jīng)高壓壓氣機(jī)進(jìn)一步增壓和增速后進(jìn)入發(fā)動機(jī)環(huán)形燃燒室，提供燃燒所需的空氣。

在發(fā)動機(jī)供氣系統(tǒng)管路上分布著P2.5低壓引氣口和P3高壓引氣口，用于向飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)、除冰系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)提供氣源。發(fā)動機(jī)供氣系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

發(fā)動機(jī)低壓引氣口安裝著一個P2.5單向活門，高壓引氣口安裝著一個高壓溫度開關(guān)和一個高壓引氣活門。

高壓溫度開關(guān)安裝在高壓引氣活門的上游。當(dāng)引氣溫度超過274℃±2.8℃時，高壓溫度開關(guān)和高壓引氣活門將關(guān)閉。當(dāng)引氣溫度下降時，高壓引氣活門會自動打開。

高壓引氣活門屬于氣動電磁活門，在通電時根據(jù)其出口壓力規(guī)定值自動控制高壓引氣的接通或關(guān)斷。高壓引氣活門出口壓力規(guī)定值按公式（P=1.36Pa+276kPa）計(jì)算，隨大氣壓力Pa的變化而變化。當(dāng)高壓引氣壓力超過規(guī)定值時，活門自動關(guān)閉，引氣系統(tǒng)從低壓引氣口引氣;當(dāng)高壓引氣壓力低于規(guī)定值時，活門自動打開，恢復(fù)高壓引氣。

正常情況下，空調(diào)系統(tǒng)從發(fā)動機(jī)低壓引氣口引氣。當(dāng)發(fā)動機(jī)功率較小、低壓引氣壓力不足時，高壓引氣活門自動打開，而低壓引氣口處的P2.5單向活門在高壓引氣的作用下自動關(guān)閉，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換到高壓引氣。

2 故障定位分析

基于上述系統(tǒng)工作原理，對燃油系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)中影響發(fā)動機(jī)參數(shù)波動的零組件進(jìn)行定位分析。

2.1 供油控制系統(tǒng)故障定位分析

依據(jù)發(fā)動機(jī)供油控制系統(tǒng)原理以及發(fā)動機(jī)控制邏輯圖，結(jié)合用戶反饋的故障信息，分析認(rèn)為影響發(fā)動機(jī)所有參數(shù)波動的最根本原因是發(fā)動機(jī)供油量波動。而發(fā)動機(jī)供油控制系統(tǒng)中能夠影響發(fā)動機(jī)供油量波動的部件主要有：發(fā)動機(jī)電子控制裝置;燃油調(diào)節(jié)器;燃油調(diào)節(jié)器的供氣輸入管路。因此，對于發(fā)動機(jī)供油控制系統(tǒng)，故障隔離應(yīng)著重對上述三個方面進(jìn)行排查。

2.2 供氣系統(tǒng)故障定位分析

1）壓氣機(jī)

依據(jù)供氣系統(tǒng)工作原理，低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)主要是對空氣進(jìn)行增壓和增速，且它們主要由對應(yīng)的低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)驅(qū)動，因此自身不會引發(fā)發(fā)動機(jī)參數(shù)波動。

2）引氣系統(tǒng)

左右發(fā)動機(jī)所有參數(shù)周期性異常波動現(xiàn)象出現(xiàn)在飛機(jī)巡航和下降階段，此時飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)引氣應(yīng)由發(fā)動機(jī)低壓引氣口提供。低壓引氣量的大小僅受P2.5單向活門控制。當(dāng)P2.5單向活門卡滯在關(guān)閉位置時，低功率狀態(tài)下飛機(jī)引氣系統(tǒng)將不受影響，但在高功率狀態(tài)下飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)將無氣可用;當(dāng)P2.5單向活門卡滯在打開位置時，低功率狀態(tài)下會造成高壓引氣從低壓引氣口吸入發(fā)動機(jī)，以及發(fā)動機(jī)排氣溫度升高，甚至出現(xiàn)發(fā)動機(jī)喘振現(xiàn)象，而在高功率下飛機(jī)引氣系統(tǒng)將不受影響。從用戶反饋信息來看，故障狀態(tài)下飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)引氣正常，且低功率狀態(tài)下未出現(xiàn)異常現(xiàn)象，因此，排除低壓引氣口P2.5單向活門對發(fā)動機(jī)參數(shù)波動的影響。

如果高壓引氣活門處于打開狀態(tài)，則會造成低壓引氣口的P2.5單向活門處于關(guān)閉位置，即高功率狀態(tài)下從高壓引氣口引氣，影響進(jìn)入燃燒室的供氣量，降低發(fā)動機(jī)燃燒效率，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)速降低。當(dāng)發(fā)動機(jī)電子控制裝置探測到高壓轉(zhuǎn)速降低時，則會自動控制燃油調(diào)節(jié)器增大供油量，使發(fā)動機(jī)功率達(dá)到理論值;當(dāng)高壓轉(zhuǎn)速達(dá)到理論值之后，則會自動降低供油量，最終使發(fā)動機(jī)功率實(shí)際值與理論值一致。發(fā)動機(jī)供油量的反復(fù)調(diào)節(jié)就會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)所有參數(shù)周期性波動現(xiàn)象，因此，發(fā)動機(jī)高壓引氣泄漏也是造成發(fā)動機(jī)所有參數(shù)波動的原因之一。

發(fā)動機(jī)高壓引氣泄漏的可能原因有兩種：一種原因是高壓引氣活門自身故障，始終處于打開狀態(tài);另一種原因?yàn)楦邏阂龤饣铋T出口之前的高壓引氣管路出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，使高壓引氣活門出口之前的壓力降低，甚至低于高壓引氣活門出口壓力規(guī)定值，造成高壓引氣活門始終處于打開狀態(tài)。

從圖2可以看出，影響高壓引氣泄漏的零組件包括：a.發(fā)動機(jī)高壓引氣口與高壓引氣活門之間的管路;b.液壓油箱增壓管路;c.高壓引氣活門。因此，對于發(fā)動機(jī)供氣系統(tǒng)來說，應(yīng)從上述三個方面排查故障件。

3 故障排除

由于左右發(fā)動機(jī)供油控制系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)供氣系統(tǒng)相互獨(dú)立、互不影響，故分別對左右發(fā)動機(jī)供油控制系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)供氣系統(tǒng)進(jìn)行排查。

由于在更換發(fā)動機(jī)電子控制裝置和燃油調(diào)節(jié)器之后故障依舊，可以排除發(fā)動機(jī)供油控制系統(tǒng)造成發(fā)動機(jī)參數(shù)波動的可能性，故障鎖定在發(fā)動機(jī)供氣系統(tǒng)。

3.1 左發(fā)故障處理

檢查左側(cè)發(fā)動機(jī)高壓引氣口與高壓引氣活門之間的高壓引氣管路，未發(fā)現(xiàn)高壓引氣泄漏痕跡。

檢查左側(cè)發(fā)動機(jī)高壓引氣管路上通向液壓油箱的引氣管路，發(fā)現(xiàn)引氣管路上管接頭位置存在裂紋，裂紋周圍有明顯的漏氣痕跡，這與理論分析基本吻合。

更換管路故障件后發(fā)動機(jī)參數(shù)恢復(fù)正常。

3.2 右發(fā)故障處理

檢查右側(cè)發(fā)動機(jī)高壓引氣口與高壓引氣活門之間的高壓引氣管路和高壓引氣管路上通向液壓油箱的引氣管路，未發(fā)現(xiàn)高壓引氣泄漏痕跡。因此，故障鎖定高壓引氣活門故障。

更換右發(fā)高壓引氣活門，但故障仍然存在，再次更換高壓引氣活門之后，發(fā)動機(jī)參數(shù)恢復(fù)正常。

4 結(jié)論

雙發(fā)所有參數(shù)同時周期性異常波動實(shí)屬罕見，加上備件修理質(zhì)量不過關(guān)，給用戶的維護(hù)工作帶來了一定的困難。本文通過對發(fā)動機(jī)供油控制系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)引氣系統(tǒng)工作原理進(jìn)行分析，梳理出了故障處理思路和解決方法，可為后續(xù)類似發(fā)動機(jī)故障的處理提供理論支持和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

作者簡介

楊百平，高級工程師，主要研究方向?yàn)槊裼蔑w機(jī)動力裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)。