航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)熱懸掛故障診斷

金 帥，武曉龍，李焦宇，楊 光

（1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧沈陽(yáng) 110015；2.海裝沈陽(yáng)局駐沈陽(yáng)地區(qū)某軍事代表室，遼寧沈陽(yáng) 110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠快速起動(dòng)是其主要性能表現(xiàn)之一，同時(shí)也是保證飛機(jī)安全飛行的前提條件，它直接影響飛機(jī)緊急出動(dòng)的出勤率。

目前，針對(duì)起動(dòng)性能及供油規(guī)律，已開(kāi)展了充分的分析研究。郭海紅[1]、邢洋等[2]研究了非標(biāo)準(zhǔn)大氣條件和高溫條件對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)性能影響；劉磊[3]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)地面和高空的起動(dòng)特點(diǎn)分別開(kāi)展了分析；王兆銘等[4-5]分別研究了高原和空中供油規(guī)律；李大為等[6]根據(jù)高原環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的影響進(jìn)行理論分析，提出了優(yōu)化高原起動(dòng)措施，并進(jìn)行了高原試驗(yàn)驗(yàn)證，得出各措施對(duì)起動(dòng)過(guò)程的影響程度；邊家亮、邢洋、姜新瑞等[7-9]研究了起動(dòng)機(jī)功率、起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速及起動(dòng)供油邏輯對(duì)起動(dòng)性能的影響。喬洪信、祁新杰、屠秋野、樊丁等[10-13]通過(guò)數(shù)值模擬方法分析發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)變化規(guī)律。

針對(duì)起動(dòng)過(guò)程的典型故障，側(cè)重于性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響研究：王曉剛等[14]針對(duì)某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障，提出了該型發(fā)動(dòng)機(jī)故障的邏輯診斷方法，建立了邏輯診斷的數(shù)值理論模型；李峰等[15]針對(duì)起動(dòng)過(guò)程重復(fù)性差和不穩(wěn)定的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于轉(zhuǎn)速速率閉環(huán)控制算法，并對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行半物理模擬試驗(yàn)驗(yàn)證；馬燕榮等[16]分析了空中起動(dòng)排氣溫度過(guò)高、熱懸掛等故障原因；彭學(xué)輝等[17]針對(duì)一起起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、起動(dòng)溫度過(guò)高的故障特例進(jìn)行了故障排查和原因分析，并提出預(yù)防該型發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)起動(dòng)性能故障的措施；秦海勤等[18]在對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程工作原理分析的基礎(chǔ)上，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)不同類(lèi)型的起動(dòng)超溫故障機(jī)理、故障發(fā)生時(shí)機(jī)、故障特征以及可能存在的故障原因進(jìn)行了研究分析。

某航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，采用轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制，當(dāng)起動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)喘振、熱懸掛、失速等起動(dòng)異常情況時(shí)，控制器能自動(dòng)識(shí)別并處理，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)成功起動(dòng)。

相較于機(jī)械液壓控制的發(fā)動(dòng)機(jī)，該型發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速上升率與給定轉(zhuǎn)速上升率的差異自動(dòng)調(diào)整供油量，能夠避免由于環(huán)境溫度、海拔高度等因素變化給發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能帶來(lái)的影響，大幅提升了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能和起動(dòng)成功率。然而，在外場(chǎng)使用時(shí)，該型發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中卻頻繁出現(xiàn)熱懸掛故障。因此，分析其起動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)熱懸掛故障原因并提出解決措施，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能和起動(dòng)成功率，具有重要意義。

1 故障現(xiàn)象

某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)使用過(guò)程中，頻繁發(fā)生起動(dòng)熱懸掛故障。研究分析發(fā)現(xiàn)，故障主要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)起動(dòng)過(guò)程中，控制器判斷發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程發(fā)生熱懸掛故障，根據(jù)控制邏輯執(zhí)行切油和再次點(diǎn)火起動(dòng)的動(dòng)作，保證發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功。

熱懸掛切油轉(zhuǎn)速主要集中在高壓換算轉(zhuǎn)速n2r=0.47、0.56、0.66 轉(zhuǎn)速附近，起動(dòng)過(guò)程排氣溫度T6峰值未見(jiàn)異常。故障現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 故障現(xiàn)象Fig.1 Failure phenomenon

2 控制原理

由于某型電調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程采用全程閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，起動(dòng)過(guò)程由控制邏輯主控，機(jī)械液壓系統(tǒng)起到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用。因此，通過(guò)研究其控制邏輯，便可分析定位其起動(dòng)異常原因。

2.1 起動(dòng)控制邏輯

某型電調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制邏輯，如圖2所示。

圖2 起動(dòng)控制邏輯Fig.2 Control logic in the starting process

2.2 熱懸掛控制邏輯

2.2.1 熱懸掛判據(jù)

1）排氣溫度T6無(wú)故障；

2）點(diǎn)火成功后延遲tdy（點(diǎn)火延遲時(shí)間）；

3）2）項(xiàng)滿(mǎn)足后且T6斜率≥1 855，持續(xù)t＞tT6p（T6判據(jù)時(shí)間）；

4）在0.28 ≤n2r≤0.85 范圍內(nèi)，P31斜率小于下表1中要求。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱懸掛判斷表Tab.1 Hot suspension judgment table

上述4個(gè)條件的關(guān)系為：1）and 2）and 3）or 4）。

出現(xiàn)滿(mǎn)足排氣溫度T6斜率異常條件的熱懸掛切油以及恢復(fù)供油后tT6p內(nèi)仍繼續(xù)判斷，但不處理；

出現(xiàn)滿(mǎn)足壓氣機(jī)出口壓力P31斜率異常條件的熱懸掛切油以及恢復(fù)供油后tP31p（P31判據(jù)時(shí)間）內(nèi)仍繼續(xù)判斷，但不處理。

表1中，P31斜率=(P31-i-P31-(i-1))(n2r-i-n2r-(i-1))。

2.2.2 熱懸掛執(zhí)行邏輯

地面起動(dòng)出現(xiàn)熱懸掛時(shí)，需要先切油，然后持續(xù)tds（點(diǎn)火信號(hào)持續(xù)輸出時(shí)間）輸出點(diǎn)火信號(hào)，在此期間，若退出起動(dòng)控制，則取消，然后按照點(diǎn)火供油和轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)供油2個(gè)階段來(lái)恢復(fù)供油。

切油時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止供油，主供油完全關(guān)閉，主回油完全打開(kāi)。若發(fā)生熱懸掛時(shí)，n2r＞0.85，則切油tdq（大狀態(tài)切油時(shí)間），否則切油txq（小狀態(tài)切油時(shí)間）。

切油后點(diǎn)火供油按以下公式控制：

式（1）中：kinit=0.85 ，為初始供油量調(diào)整系數(shù)；kmax=1.2，為迭代上限；kslope=0.1，為迭代系數(shù)。

3 原因分析

通過(guò)研究分析多組熱懸掛故障的數(shù)據(jù)，并對(duì)比了多臺(tái)無(wú)故障發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)起動(dòng)控制邏輯和熱懸掛控制邏輯，可以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生熱懸掛是因?yàn)橛|發(fā)了排氣溫度T6斜率異?；蛘邏簹鈾C(jī)出口壓力P31斜率異常判據(jù)，從而執(zhí)行熱懸掛切油再起動(dòng)的動(dòng)作。鑒于此，分析排氣溫度T6斜率異?；蛘邏簹鈾C(jī)出口壓力P31斜率異常故障即可定位熱懸掛原因。

3.1 排氣溫度T6 上升率過(guò)高故障

分析的熱懸掛故障數(shù)據(jù)，其中，有幾組是由于排氣溫度T6斜率異常故障導(dǎo)致熱懸掛。起動(dòng)過(guò)程中排氣溫度T6斜率大于1 855，控制器自動(dòng)執(zhí)行切油再起動(dòng)邏輯。故障數(shù)據(jù)中，單次起動(dòng)過(guò)程僅發(fā)生一次熱懸掛，未發(fā)生多次。

結(jié)合起動(dòng)過(guò)程按轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制的特點(diǎn)，分析判斷排氣溫度T6斜率異常故障原因，判斷為起動(dòng)初始供油量偏多所致。

起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速上升要求，如圖3 所示。n2r在0.47～0.66 范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速上升率也在線(xiàn)性提升。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)若因起動(dòng)初始供油量富油而導(dǎo)致熱懸掛，則T6會(huì)快速上升，而轉(zhuǎn)速則平緩變化。根據(jù)閉環(huán)控制邏輯，轉(zhuǎn)速上升率不滿(mǎn)足要求時(shí)，將會(huì)繼續(xù)加油以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)更進(jìn)一步的富油，形成惡性循環(huán)。

圖3 起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速上升率閉環(huán)控制Fig.3 Closed-loop control of speed rising rate during starting

統(tǒng)計(jì)分析6 組排氣溫度T6斜率異常故障發(fā)動(dòng)機(jī)的初始供油壓力，發(fā)現(xiàn)其初始供油壓力超過(guò)上限或接近上邊界，如圖4、表2所示。檢查結(jié)果與上述分析相吻合。

圖4 初始供油壓力Fig.4 Initial oil supply pressure

表2 初始供油壓力Tab.2 Initial fuel supply pressure

3.2 壓氣機(jī)出口壓力P31 上升率過(guò)低故障

分析的熱懸掛故障數(shù)據(jù)，其中多是由于壓氣機(jī)出口壓力P31斜率異常故障導(dǎo)致熱懸掛。壓氣機(jī)出口壓力P31斜率異常故障的設(shè)計(jì)初衷是當(dāng)壓縮部件出現(xiàn)失速征兆時(shí)，失去原有的增壓能力，導(dǎo)致壓縮部件出口截面壓力上升斜率低于設(shè)計(jì)閾值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)失速預(yù)警。以其中某次故障為例，分析其觸發(fā)壓氣機(jī)出口壓力P31斜率異常故障的原因。

示例起動(dòng)過(guò)程中，在n2r=0.56 時(shí)發(fā)生首次熱懸掛，控制器自動(dòng)執(zhí)行切油再起動(dòng)邏輯。tgj（故障間隔時(shí)間）后，在n2r=0.64 時(shí)再次發(fā)生熱懸掛，執(zhí)行切油再起動(dòng)邏輯，隨后發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功。整理分析示例起動(dòng)過(guò)程n2r在0.47～0.66范圍內(nèi)的P31斜率，如圖5所示。

圖5 P31 斜率變化規(guī)律Fig.5 P31 slope variation regulation

在轉(zhuǎn)速n2r=0.56 時(shí)，壓氣機(jī)出口壓力P31斜率為46.64，滿(mǎn)足壓氣機(jī)出口壓力P31斜率異常故障判據(jù)，發(fā)生首次熱懸掛?；謴?fù)供油后，tP31p內(nèi)仍有個(gè)別狀態(tài)下的壓氣機(jī)出口壓力P31斜率滿(mǎn)足故障判據(jù)，但控制器此時(shí)只判斷不處理。隨后，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到n2r=0.64 時(shí)，壓氣機(jī)出口壓力P31斜率再次低至60.95，再次滿(mǎn)足壓氣機(jī)出口壓力P31斜率故障判據(jù)，發(fā)生熱懸掛。

上述過(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)變化與控制規(guī)律完全吻合。

為了進(jìn)一步分析觸發(fā)壓氣機(jī)出口壓力P31斜率異常故障的原因，對(duì)比分析熱懸掛發(fā)動(dòng)機(jī)與無(wú)故障發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中壓氣機(jī)出口壓力P31的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在起動(dòng)過(guò)程中，尤其是n2r=0.38～0.75 范圍內(nèi)時(shí)，壓氣機(jī)出口壓力P31普遍會(huì)有一定程度地波動(dòng)，如圖6、圖7 所示。這是由于該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)下，剛剛完成主燃燒室點(diǎn)火，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速主要靠燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)維持，發(fā)動(dòng)機(jī)提供的功率輸出不穩(wěn)定，因此，壓氣機(jī)出口壓力P31會(huì)產(chǎn)生一定程度的波動(dòng)。

圖6 P31 變化規(guī)律Fig.6 P31 variation regulation

圖7 P31 變化規(guī)律Fig.7 P31 variation regulation

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，壓氣機(jī)出口壓力P31斜率異常故障的檢測(cè)依賴(lài)于傳感器的測(cè)量精度，壓氣機(jī)出口壓力P31傳感器量程偏大，達(dá)到兆帕級(jí)別，而起動(dòng)過(guò)程壓氣機(jī)出口壓力P31使用區(qū)域相對(duì)較小，地面狀態(tài)下僅為100 kPa 級(jí)別，參數(shù)測(cè)量誤差對(duì)參數(shù)誤警存在一定的干擾。另外，起動(dòng)過(guò)程中，壓氣機(jī)出口壓力P31的測(cè)量存在一定地波動(dòng)干擾，壓氣機(jī)出口壓力P31的波動(dòng)的方向、波動(dòng)的幅度、發(fā)生的時(shí)機(jī)均有較大的隨機(jī)性，尤其是當(dāng)進(jìn)氣溫度較高時(shí)，壓氣機(jī)出口壓力P31相應(yīng)較低。壓氣機(jī)出口壓力P31波動(dòng)對(duì)壓氣機(jī)出口壓力P31斜率的影響進(jìn)一步加劇，極易造成壓氣機(jī)出口壓力P31斜率異常故障。

統(tǒng)計(jì)因壓氣機(jī)出口壓力P31斜率異常故障導(dǎo)致熱懸掛的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)故障均發(fā)生在環(huán)境溫度大于20℃的情況下，且故障發(fā)生具有很大的隨機(jī)性。故障表現(xiàn)的特性與壓氣機(jī)出口壓力P31波動(dòng)的特性完全吻合。

3.3 分析結(jié)論

綜合上述分析，引發(fā)起動(dòng)熱懸掛故障的原因可分為排氣溫度T6斜率異常故障和壓氣機(jī)出口壓力P31斜率異常故障2種。其中：排氣溫度T6斜率異常故障主要為單次懸掛模式，故障原因?yàn)槌跏脊┯土枯^高所致；壓氣機(jī)出口壓力P31斜率異常故障主要為多次懸掛模式，故障原因?yàn)槠饎?dòng)階段P31壓力波動(dòng)所致，波動(dòng)主要集中在n2r=0.38～0.75 范圍內(nèi)，且波動(dòng)具有一定的隨機(jī)性，因此故障具備一定偶發(fā)性。

4 解決措施

本文針對(duì)排氣溫度T6斜率異常故障和壓氣機(jī)出口壓力P31斜率異常故障兩種故障模式的原理分析，制定相應(yīng)的解決措施，以有效解決發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)使用過(guò)程中出現(xiàn)的起動(dòng)熱懸掛故障。

1）將點(diǎn)火初始供油量設(shè)定值下調(diào)0.06，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)成功地面起動(dòng)的前提下，兼顧產(chǎn)品分散度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響。

對(duì)下調(diào)點(diǎn)火初始供油量措施開(kāi)展有效性和影響性試驗(yàn)驗(yàn)證。下調(diào)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能和起動(dòng)時(shí)間均未受到影響，能夠?qū)崿F(xiàn)地面穩(wěn)定起動(dòng)。初始供油量位于上、下邊界的中線(xiàn)附近，與故障數(shù)據(jù)（圖4）比較，產(chǎn)品的兼容性得到顯著提升，如圖8所示。

圖8 下調(diào)后初始供油壓力Fig.8 Performance after lower the initial fuel supply pressure

2）使用大氣壓力傳感器對(duì)壓氣機(jī)出口壓力P31傳感器小壓力段的測(cè)量精度進(jìn)行修正，優(yōu)化壓氣機(jī)出口壓力P31斜率異常故障判故邏輯，放寬報(bào)故預(yù)警值，提高壓氣機(jī)出口壓力P31測(cè)量精度及波動(dòng)對(duì)起動(dòng)能力的兼容性。

對(duì)壓氣機(jī)出口壓力P31優(yōu)化措施開(kāi)展有效性和影響性試驗(yàn)驗(yàn)證。優(yōu)化后，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能和起動(dòng)時(shí)間均未受到影響，能夠?qū)崿F(xiàn)地面穩(wěn)定起動(dòng)。與優(yōu)化前壓氣機(jī)出口壓力P31斜率變化規(guī)律（圖5）對(duì)比，修正小壓力段壓氣機(jī)出口壓力P31的測(cè)量精度，使壓氣機(jī)出口壓力P31波動(dòng)情況得到了明顯改善；優(yōu)化壓氣機(jī)出口壓力P31斜率異常故障判故邏輯，使起動(dòng)性能的兼容性得到了顯著提升，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后P31斜率變化規(guī)律Fig.9 P31 variation regulation after optimization

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析某型電調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制邏輯和熱懸掛控制邏輯，分析發(fā)生起動(dòng)熱懸掛故障的原因，定位了故障原因?yàn)槌跏脊┯土科嗪推饎?dòng)過(guò)程壓氣機(jī)出口壓力P31波動(dòng)，針對(duì)故障原因制定了解決措施，并應(yīng)用于外場(chǎng)。

解決措施應(yīng)用前，該型發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)應(yīng)用1年中，平均間隔370 小時(shí)發(fā)生1 次起動(dòng)熱懸掛；解決措施應(yīng)用后，該型發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)使用2年中，外場(chǎng)未發(fā)生起動(dòng)熱懸掛故障。解決措施得到充分驗(yàn)證，證明可行有效。