某型航空發動機加力接通延遲故障分析

張帆 李俊杰 劉高尚 唐建根 張國紅

摘要：針對某型航空發動機加力接通延遲故障，根據發動機加力狀態控制計劃和調節規律，建立了以“加力接通延遲”為頂事件的故障樹與故障處理流程圖進行排故，有效提高了排故效率和試車合格率。

關鍵詞：航空發動機；加力接通延遲；故障樹；故障處理流程圖

Keywords：aero-engine；afterburner power-on delay；fault tree；fault handling flow chart

0 引言

某型航空發動機為模擬電子—機械液壓控制的軍用雙轉子加力渦輪風扇發動機。受噴口喉道面積與加力供油量匹配性影響，該型發動機接通加力的控制規律復雜，燃燒條件惡劣，涉及因素較多，使用過程中燃油控制系統故障頻發，廠內試車以及外場多次發生加力接通延遲問題。

為了準確定位該型發動機加力控制系統的故障點，本文研究了加力接通過程中加力燃油系統工作的原理，建立以“加力接通延遲”為頂事件的故障樹，通過故障樹與排故流程圖方法逐級進行故障排查，可以高效準確地對故障進行定位和處理。

1 發動機加力接通延遲定義與加力燃油系統工作原理

航空發動機加力接通延遲問題的定義是：飛機在起飛線快推油門桿起飛或在空中飛行推油門桿進入加力域時，發動機按給定程序接通加力，但接通時間超出技術要求，從加力接通信號出現至接通加力狀態的時間過長。技術要求為：單發加力接通時間小于4.75s，或者雙發加力接通時間差小于2s。

某型航空發動機加力燃油系統原理圖如圖1所示。發動機油門桿推到加力域任意位置，液壓延遲器活塞桿上的襯套隨油門桿下移，同時帶動加力泵接通活門下移，關閉加力泵活塞左腔的回油路，使加力泵開始向加力燃油系統供油。燃油壓力信號器向發動機綜合調節器發出“已向加力燃燒室輸油”的信號，發動機綜調加力控制與信號模塊開始工作，向加力點火裝置發出信號，使加力燃燒室產生30s的電火花，最小加力電磁活門通電。電磁活門打開定壓油的來油，使頂桿活塞上移到小加力位置。燃油經加力起動輸油圈流入加力燃燒室。

當加力燃燒室內離子火焰探測器檢測到火焰信號后，向發動機綜調發出信號，發動機綜調加力控制與信號模塊發出指令，液壓延遲器活塞桿上的回油孔重新打開，液壓延遲器活塞下移到油門桿給定的襯套位置。發動機的加力狀態與油門桿位置相對應。根據上述工作原理分析，當加力起動油壓低、點火系統故障、加力輸油圈霧化情況、液壓延遲器調整不當、指令油壓力低、液壓放大器調整不當等原因均會引起發動機加力接通延遲。

2 加力接通延遲故障樹的建立

良好的加速性是航空發動機控制系統的重要性能指標之一，同時也影響整機的最大推力。加力接通時間延遲可能導致飛行員對發動機加力接通狀態判斷失誤，尤其在起飛階段，可能導致飛行員誤以為飛機加力接不通將油門桿拉回，使飛機中斷起飛后滑回跑道，影響飛行安全。而發動機加力接通延遲故障的廠內試車與外場可調整手段和措施有限，現有的故障處理模式效率較低，無法根本解決該問題。

航空發動機加力控制系統是一個復雜的系統。加力燃燒室由于風速高、壓力低，點火條件惡劣。加力點火涉及的部附件有噴口加力調節器、綜合調節器、噴口油源泵、離子火焰探測器、加力燃油分配器等。通過對加力燃燒室以及加力燃油調節系統結構和工作原理進行分析，決定采用故障樹的方法來解決這個問題。

選定加力燃油調節系統“發動機加力接通延遲”故障作為故障樹的頂事件。從這一頂事件出發，先找出直接導致事件發生的各種可能因素或因素組合，再找出這些因素的直接因素，逐級向下深入，一直追溯到不需要繼續分析的底事件為止，如圖2、圖3所示。

3 加力接通延遲臺架試車以及外場典型故障分析

3.1 由離子火焰探測器故障引起的加力接通延遲

某次發動機臺架試車，在檢驗試車第五階段檢查過渡態加減速性能。接通小加力狀態時，慢車到最大狀態加力接通時間長，發動機接通加力時間延遲。檢查臺架線纜與數采系統，發現試車設備狀況正常。檢查發動機試車曲線，查看接通狀態試車參數，發現從中間狀態接通到加力狀態時，快推油門桿，加力接通時間延遲5s。其他試車參數正常，離子火焰探測器的電流值在50～200μA之間大幅跳動。

按照故障樹與排故流程圖逐級進行排查，檢查離子火焰探測器與綜調連接線纜，檢查加力點火裝置與點火電嘴安裝狀況，更換綜調后再次試車，故障依舊。更換離子火焰探測器后，發動機再次試車，進入小加力狀態后各狀態參數良好，慢車到最大狀態，檢查發動機過渡態時加力接通時間正常，從中間狀態進入最大狀態時加力接通時間在合格范圍內，加力接通延遲故障排除。

該類故障為臺架試車典型故障，主要是由于離子火焰探測器靈敏度差，或離子火焰探測器失效進而不能有效感受到加力燃燒室點火狀態，延遲發送信號導致綜調判斷發動機加力接通狀態延遲。離子火焰探測器故障還可能導致加力接通狀態加力信號燈閃爍、進入小加力接通狀態I左、I右電流值不合格以及加力接不通等加力系統故障。

3.2 由供氣系統故障引起的加力接通延遲

某次發動機臺架試車在附加試車檢查過渡態加減速性能時，發現加力接通時間超過規定上線，離子火焰探測器檢測電流值I左、I右正常。檢查發動機N2R轉速、油門桿、噴口位置，均在合格范圍內。檢查加力供油，發現燃油流量比R1、Ri、Ro值位于合格范圍下線，隨后調整加力I區燃油調整釘Ф15，發現R1、Ri、Ro無明顯變化，調整P31′′調整供油量，變化量較小。檢查過渡態加速性時接通延遲依舊。

按故障樹與排故流程圖逐級進行排查，初步斷定為空氣系統故障。檢查臺架空氣減壓過濾器以及連接氣管，清洗后安裝檢查氣密性，合格后再次進行試車。進入小加力狀態后各個狀態參數良好，慢車到最大狀態檢查發動機過渡態時加力接通時間正常，從中間狀態進入小加力狀態加力接通時間在合格范圍內，加力接通延遲故障排除。

供氣系統異常主要表現在當調整發動機加力系統供油量或調整幾何通道時試車參數變化不明顯或無變化。這種情況下，在試車排故過程中應著重檢查供氣管路以及空氣過濾減壓器。供氣管路需進行檢查與清洗，或更換供氣管路、空氣過濾減壓器。供氣系統故障還可能導致加力燃油供油量發生壓力波動或油氣匹配性差，導致發動機試車推力性能不合格。

3.3 由加力燃油系統性能調整時起動輸油圈I區燃油供油量與落壓比調整的油氣匹配性引起的加力接通延遲

某次外場飛機地面試車時，6次進入加力狀態中的3次左發加力接通時間長，加力信號延遲5s，加力I區油壓為1.7MPa，高壓壓氣機后P31壓力為1.8MPa，噴口閉環值為2.6。查看故障試車曲線，發現當油門桿快推進入加力域時加力信號延遲5s，噴口受落壓比控制響應速度延遲約5s，試車曲線如圖4所示。

外場初步故障會診認為，該發動機中間狀態下受綜調N2限制，外場工作時間已使用至后期，壓氣機工作效率偏低，進入加力燃燒室的供氣量偏低，油氣比不匹配導致加力接通延遲。由于壓氣機工作效率較低，導致高壓壓氣機P31供氣壓力偏低，進而導致噴口加力調節器落壓比控制器薄膜上腔壓力偏低，薄膜向上彎曲，拉簧使杠桿反時針轉動，擋板活門開大，噴口開大，低壓渦輪后P6壓力減少，使落壓比按調節計劃Πt=f（T1）控制噴口截面積保持渦輪后落壓比不變。在中間狀態噴口偏大，不利于發動機接通加力狀態。由于壓氣機工作效率較低，導致高壓壓氣機P31供氣壓力偏低，進而導致進入加調擺差活門的壓力偏低，加力起動I區壓力偏低，發動機接通加力延遲。

檢查發動機艙、噴口—加力調節器、輸油圈和供壓導管，無燃油滲漏。檢查預燃區離子火焰探測器與火焰穩定器的具體方位與方向，更換離子火焰探測器后，地面試車良好。飛機在地面起飛過程的飛行參數良好，飛機返回后檢查飛行參數，發現空中接通加力時加力接通延遲4s。再一次地面試車，檢查占空比S1，符合技術要求。之后，通過P1調整釘將α2開度調大一個刻度，對發動機空氣過濾減壓器噴口閉環值進行調整。通過P31′調整噴口閉環值刻度，將中間狀態閉環前后的噴口閉環值調整至2.4，進一步地面試車，發現延遲時間保持在2.5s。進一步調整Ф15加力I區調整釘，將加力I區油壓調整至2.2MPa，地面試車良好。之后進行了多架次飛行，加力接通延遲情況不再復現，飛行狀況恢復正常。

對此次故障進行原因分析發現，離子火焰探測器長時間使用后可能表面產生積炭，導致靈敏度降低，通過優化點火時刻的油氣比，調整中間狀態噴口閉環值刻度，有利于發動機接通加力。加力I區起動供油量與噴口落壓比調整的油氣匹配性影響加力接通時間。受空中飛行包線的影響，發動機加力接通過程相對于低空或地面試車時更加困難，外場通過更換離子火焰探測器，調整位置尺寸與發動機油氣比性能，可以有效解決一般性的發動機加力接通延遲問題。

4 總結與應用

影響加力接通延遲的因素具有多樣性，離子火焰探測器安裝位置、燃油噴嘴偏轉角度、噴口落壓比等均會影響加力接通延遲時間。此外，車臺臺架與飛機線纜故障、α1與α2角度和加力供油量等也會影響加力接通延遲，一般情況下貧油不利于點火。

遇到此類故障時，應初步檢查發動機試車參數與飛參曲線，檢查臺架或發動機艙、噴口加力調節器、輸油圈和供壓導管有無燃油滲漏。檢查預燃區離子火焰探測器與火焰穩定器的具體方位與方向，必要時可更換離子火焰探測器或進將內外涵離子火焰傳感器安裝位置的互換。對點火環境的檢查調整為檢查發動機綜合電子調節器自檢加力點火系統，檢查發動機加速性和“中間”以上占空比S1，如不符合要求，則需進行調整。將噴口加力調節器C23節流器流通量調小，減緩液壓延遲器的響應速度，尾噴管喉道直徑增大速度減慢，有助于加力點火。將噴口加力調節器Ф25節流器流通量調小，提高加力供油三級指令油壓的建立速度，同時也有助于加力點火。調整α2開度，適當調大α2角度，調整發動機空氣過濾減壓器噴口閉環值以及通過Ф15調整釘調整加力I區起動油壓也有助于減少加力接通延遲時間。

上述通過故障樹以及流程圖逐級排故的方法，可以快速準確地進行故障定位。對2019～2020年廠內試車與外場使用情況進行統計對比，對于加力接通延遲單一故障，該方法平均節約40%的發動機排故時間，使發動機試車合格率提升30%，有效提高了排故效率和試車合格率。

參考文獻

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