航空發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)失敗故障分析與排除

杜 鑫，張立偉，滕德和

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

起動(dòng)系統(tǒng)工作由起動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、主燃燒室點(diǎn)火系統(tǒng)、補(bǔ)氧系統(tǒng)、燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)等協(xié)作完成。起動(dòng)系統(tǒng)是否正常工作，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)能否進(jìn)入到穩(wěn)定工作狀態(tài)和充分發(fā)揮作戰(zhàn)效能等至關(guān)重要[1-3]。而空中起動(dòng)作為起動(dòng)中的重要一項(xiàng)，空中起動(dòng)成功與否更是直接影響飛行安全[4]。空中起動(dòng)科目檢飛是檢驗(yàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性和安全性的重要科目，是飛機(jī)交付用戶前的必檢項(xiàng)目，是保證飛行安全的必需條件[5]。一款發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，只有通過(guò)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，表明了在不同高度、不同外部環(huán)境的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)具備控制空中起動(dòng)的能力，能為飛行員的飛行提供有效的安全保障,因此世界各國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)工程師都在不遺余力的提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的空中起動(dòng)的能力與可靠性。發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)受多因素影響，同時(shí)涉及飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)2大系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、控制計(jì)劃、供油、飛行的高度與速度等均影響其空中起動(dòng)性能[6-8]。

在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，雖然空中停車(chē)后起動(dòng)失敗故障發(fā)生率較低，但因其危害嚴(yán)重性的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外對(duì)空中起動(dòng)的試驗(yàn)均有明確的試驗(yàn)規(guī)定和檢測(cè)手段[9-11]。國(guó)內(nèi)外同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)方面的理論研究不斷深入，國(guó)外Lexzek通過(guò)故障樹(shù)分析建立發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的模型，應(yīng)用模擬與可靠度計(jì)算進(jìn)行分析，國(guó)外Zachos 通過(guò)數(shù)學(xué)建模等方式研究渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的空中風(fēng)車(chē)起動(dòng)特性，國(guó)內(nèi)通過(guò)建立功率平衡等約束條件下，分析發(fā)動(dòng)機(jī)的空中風(fēng)車(chē)特性[12-13]。國(guó)內(nèi)外的空中起動(dòng)試驗(yàn)為了增加安全性，多數(shù)在雙發(fā)平臺(tái)開(kāi)展，成熟后轉(zhuǎn)為單發(fā)試驗(yàn)，航空工業(yè)的孔祥興等專家，針對(duì)民用的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，將控制算法應(yīng)用于其起動(dòng)設(shè)計(jì)，并且開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)仿真研究。南航的李勝泉等針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)中容易出現(xiàn)的起動(dòng)問(wèn)題，提出了流量調(diào)節(jié)等方法，并且取得了一定成果[14]。與國(guó)外相比，中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)等方面相對(duì)落后，很多細(xì)小原因均會(huì)導(dǎo)致故障的發(fā)生，而針對(duì)該故障的公開(kāi)資料有限[15]。

本文針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)某次空中起動(dòng)失敗故障，基于發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)的時(shí)序與原理，通過(guò)建立可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)失敗的因素故障樹(shù)，分析定位故障原因，制定排故方案并進(jìn)行試驗(yàn)、試飛驗(yàn)證。

1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)失敗現(xiàn)象

某次檢飛中，飛行過(guò)程中做空中起動(dòng)科目時(shí)，空中起動(dòng)失敗，飛機(jī)由高空進(jìn)行俯沖后，再次進(jìn)行風(fēng)車(chē)起動(dòng)，起動(dòng)成功，飛機(jī)正常返航。飛行結(jié)束后判讀飛參，在進(jìn)行空中起動(dòng)檢查時(shí)飛行員的操作如圖1所示。

圖1 空中起動(dòng)操作

從圖中可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)由慢車(chē)?yán)镣＼?chē)短暫停留后，再次推至慢車(chē)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行空中起動(dòng)程序，起動(dòng)燈亮20 s，因起動(dòng)未成功，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)執(zhí)行慣性起動(dòng)8 s，仍未成功后起動(dòng)燈滅，此次空中起動(dòng)失敗。從飛參判讀得出，飛機(jī)的飛行高度和速度均在空中起動(dòng)包線之內(nèi)，操作正常，空中起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、排氣溫度等參數(shù)持續(xù)下降，需進(jìn)一步分析失敗原因。

2 某型發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)時(shí)序與原理

空中發(fā)動(dòng)機(jī)拉停后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，此時(shí)風(fēng)扇、壓氣機(jī)以及渦輪均效率非常低[16-17]，空中起動(dòng)就是在該狀態(tài)下進(jìn)行主燃燒室點(diǎn)火供油，建立起發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作狀態(tài)。

空中起動(dòng)的具體邏輯為：有起落架收起信號(hào)時(shí)，空中將發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)桿拉至慢車(chē)后，把發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)桿收到停車(chē)位置，然后再放到慢車(chē)位置，發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行起動(dòng)程序，起動(dòng)燈亮20 s，如果起動(dòng)不成功，轉(zhuǎn)速仍小于規(guī)定值，起動(dòng)信號(hào)燈再亮8 s，空中起動(dòng)時(shí)序如圖2所示。

圖2 空中起動(dòng)時(shí)序

主燃油泵調(diào)節(jié)器的功能是按發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作狀態(tài)要求，規(guī)律調(diào)節(jié)供給燃燒室燃油。發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)時(shí)，主燃油泵調(diào)節(jié)器按以下規(guī)律調(diào)節(jié)供給燃燒室燃油

式中：P1為主燃油總管燃油壓力；P0為燃油壓力；P31為高壓壓氣機(jī)后空氣壓力；PH為發(fā)動(dòng)機(jī)艙的壓力；K1為恒定系數(shù)；K2為減壓系數(shù)。

該發(fā)動(dòng)機(jī)采用機(jī)械液壓系統(tǒng)控制，起動(dòng)供油量開(kāi)始時(shí)由帶高空修正和感受P31、PH的自動(dòng)起動(dòng)器（如圖3 所示）調(diào)節(jié)。在發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)時(shí)，為修正供往主燃燒室的燃油量，按照PH調(diào)節(jié)供油量，隨著飛行高度的增加，真空膜盒膨脹，帶動(dòng)自動(dòng)起動(dòng)器內(nèi)部拉桿轉(zhuǎn)動(dòng)，拉伸彈簧打開(kāi)放油孔，放油量增加，供給主燃燒室的燃油量減少[18-19]，實(shí)現(xiàn)空中起動(dòng)供油調(diào)節(jié)。

圖3 自動(dòng)起動(dòng)器

3 空中起動(dòng)失敗原因分析

基于以上空中起動(dòng)的時(shí)序與工作原理，分析得出全部影響發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)的因素，建立故障樹(shù)，如圖4所示。

圖4 空中起動(dòng)失敗故障樹(shù)

根據(jù)故障樹(shù)建立底事件排查方法，見(jiàn)表1。

表1 底事件排查方法

根據(jù)9 個(gè)底事件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行地面檢查以及試車(chē)試驗(yàn)。

檢查飛機(jī)進(jìn)行空中起動(dòng)的時(shí)機(jī)，首次執(zhí)行空中起動(dòng)以及起動(dòng)失敗后的第2 次起動(dòng)的飛機(jī)速度和高度，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求，均在發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)包線之內(nèi)，飛行表速、高度符合技術(shù)要求。

檢查點(diǎn)火裝置，點(diǎn)火裝置結(jié)構(gòu)無(wú)異常。進(jìn)行地面點(diǎn)火試驗(yàn)，能聽(tīng)見(jiàn)打火的“啪啪”聲音，確認(rèn)點(diǎn)火裝置工作無(wú)異常，能夠正常點(diǎn)火。

檢查發(fā)動(dòng)機(jī)控制時(shí)序，進(jìn)行兩次地面起動(dòng)試驗(yàn)，起動(dòng)供油、起動(dòng)點(diǎn)火等均按照技術(shù)說(shuō)明書(shū)的起動(dòng)時(shí)序進(jìn)行，無(wú)異常。

檢查發(fā)動(dòng)機(jī)氧氣系統(tǒng)，補(bǔ)氧工作正常。

檢查發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)性能，通過(guò)對(duì)過(guò)往多架次飛參數(shù)據(jù)判讀以及地面起動(dòng)性能檢查，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能良好，起動(dòng)時(shí)間合格，主機(jī)性能正常。

飛行結(jié)束后例行檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等，均無(wú)破裂或者轉(zhuǎn)子卡滯現(xiàn)象，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)管路以及電纜均無(wú)損壞現(xiàn)象，故機(jī)械結(jié)構(gòu)無(wú)異常。

檢查真空膜盒，真空膜盒工作無(wú)異常。

檢查主燃油泵調(diào)節(jié)器各活門(mén)外觀無(wú)損傷，工作異常與否需進(jìn)一步試車(chē)檢查。

因現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境限制，可測(cè)油壓數(shù)量遠(yuǎn)少于試驗(yàn)臺(tái)，地面試驗(yàn)僅進(jìn)行地面起動(dòng)測(cè)量起動(dòng)油壓和模擬高空環(huán)境測(cè)量起動(dòng)油壓是否正常2項(xiàng)試驗(yàn)。

（1）地面起動(dòng)測(cè)量起動(dòng)油壓

第1 次地面起動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)按規(guī)定時(shí)序點(diǎn)火，起動(dòng)時(shí)間符合技術(shù)要求，但測(cè)量起動(dòng)油壓偏高，超出起動(dòng)油壓標(biāo)準(zhǔn)，該型發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)早期廠內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，起動(dòng)油壓偏高，發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)成功率降低，故需對(duì)起動(dòng)油壓進(jìn)行調(diào)整。

第2 次地面起動(dòng)試驗(yàn)，調(diào)整可改變起動(dòng)油壓的調(diào)整釘后試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果得出起動(dòng)油壓相比第一次試驗(yàn)無(wú)變化，說(shuō)明主燃油泵調(diào)節(jié)器的起動(dòng)回油活門(mén)工作異常，在起動(dòng)過(guò)程中調(diào)整回油量會(huì)出現(xiàn)異常，尤其空中起動(dòng)過(guò)程中，真空膜盒通過(guò)感受壓力變化，調(diào)整回油量，如若起動(dòng)回油活門(mén)工作存在異常，空中起動(dòng)會(huì)更加困難，故需要對(duì)其進(jìn)行檢查或者更換。

現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際排故需要，進(jìn)行了該發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃油泵調(diào)節(jié)器的更換，更換后待試飛驗(yàn)證。

（2）模擬高空環(huán)境測(cè)量起動(dòng)油壓

更換主燃油泵調(diào)節(jié)器后，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在高空飛行下的起動(dòng)環(huán)境，利用地面設(shè)備對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行抽真空假起動(dòng)，在不同抽真空效果下，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)油壓是否正常。進(jìn)行多次假起動(dòng)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 模擬高空環(huán)境數(shù)據(jù)

通過(guò)模擬高空試驗(yàn)，可發(fā)現(xiàn)更換主燃油泵調(diào)節(jié)器后，發(fā)動(dòng)機(jī)在各高空環(huán)境下，起動(dòng)油壓穩(wěn)定，符合要求。

4 試飛驗(yàn)證

該飛機(jī)進(jìn)行第2 次檢飛，檢驗(yàn)空中起動(dòng)科目，風(fēng)車(chē)起動(dòng)一次性成功，空中起動(dòng)參數(shù)正常，故障排除，確認(rèn)事件9 主燃油泵調(diào)節(jié)器起動(dòng)回油活門(mén)故障是導(dǎo)致故障發(fā)生的原因。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)單一故障可采用建立故障樹(shù)的方法進(jìn)行排查，識(shí)別全部可能導(dǎo)致故障的因素，逐一排查后定位導(dǎo)致故障的因素，快速排除故障。

（2）對(duì)返廠的主燃油泵調(diào)節(jié)器分解檢查發(fā)現(xiàn)，在其起動(dòng)回油活門(mén)處存在非金屬纖維物污染，導(dǎo)致起動(dòng)回油活門(mén)在工作中不靈活，造成空中起動(dòng)供油量異常，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)失敗。

為減少該類型故障再次發(fā)生，建議承制廠在后續(xù)主燃油泵調(diào)節(jié)器生產(chǎn)及裝配過(guò)程中優(yōu)化零件清洗工藝。