民用航空發(fā)動機點火系統(tǒng)故障檢測設(shè)計研究

引言

民用航空發(fā)動機在試車及運營階段均可能發(fā)生發(fā)動機點火失敗故障,點火成功與否直接影響發(fā)動機的試車任務(wù)或者運營安全性及可靠度。點火失敗故障是一個發(fā)動機整機級故障,導(dǎo)致該故障的原因眾多,燃油系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、電源、發(fā)動機本體等均可能是潛在故障單元,其中點火系統(tǒng)故障是一個發(fā)生頻率較高的原因,尤其是投入使用時間較長的發(fā)動機。點火系統(tǒng)通常被作為ME1(最低設(shè)備清單)中的項目,及時準確了解每套點火系統(tǒng)的狀態(tài),對于支撐簽派放行,或者支撐維修以恢復(fù)起動性能,均有重要意義。

我國傳統(tǒng)的檢測方法并不能直接檢測出點火系統(tǒng)的故障,僅能檢測出發(fā)動機點火失敗故障,然后由維修人員人工逐個檢查可能導(dǎo)致點火失敗的原因,進而判斷點火系統(tǒng)是否故障,較國外民用航空發(fā)動機可以直接檢測出點火系統(tǒng)故障,還有明顯的提升空間。如圖1所示,某型民用飛機左發(fā)檢測到左點火系統(tǒng)故障后顯示"IGN1(IGN1)IsFAI1ED"。

1點火系統(tǒng)介紹

發(fā)動機點火系統(tǒng)的功能是提供油氣燃燒所必要的電火花,主要由點火激勵器、點火電纜和點火電嘴組成,如圖2所示,由EEC控制點火激勵器提供高壓電,高壓電傳輸?shù)近c火電嘴后,擊穿空氣產(chǎn)生電火花。民用航空發(fā)動機通常有兩套相同的點火系統(tǒng),并根據(jù)點火模式的不同,選擇采用單套或雙套系統(tǒng)執(zhí)行點火功能。

點火系統(tǒng)常出現(xiàn)的故障包括點火激勵器故障、點火激勵器與點火電纜連接處燒蝕或污染、點火電嘴與點火電纜連接處腐蝕或損傷、點火電嘴燒蝕(圖3)等,上述故障均有可能導(dǎo)致點火電嘴無法提供預(yù)期的電火花,進而造成點火失敗。

2點火系統(tǒng)故障檢測設(shè)計初步分析

系統(tǒng)控制方式分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制,如圖4所示,開環(huán)控制無反饋信息,閉環(huán)控制有反饋信息。通過分析點火系統(tǒng)的組成及原理可以得出,點火系統(tǒng)的控制屬于開環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)由于缺少信息反饋,其功能發(fā)生故障時,實現(xiàn)故障檢測的難度較大。

針對點火系統(tǒng)故障檢測的難點,深入分析后存在如下兩種解決途徑:(1)通過增加專用信息采集裝置,實現(xiàn)點火系統(tǒng)功能狀態(tài)的監(jiān)控,即在點火系統(tǒng)工作時通過某種信息采集裝置辨別點火電嘴是否按預(yù)期產(chǎn)生電火花,但考慮到點火電嘴處在發(fā)動機燃燒室,環(huán)境嚴苛,這種途徑實現(xiàn)的可能性很小:(2)通過邏輯推理診斷,既然點火系統(tǒng)故障是發(fā)動機點火失敗的充分非必要條件,那么通過分析點火失敗和點火系統(tǒng)故障之間的具體關(guān)系,在此基礎(chǔ)上形成檢測推理邏輯,同樣可實現(xiàn)點火系統(tǒng)故障的檢測。第二種途徑相對第一種,可行性更高,因此采用第二種途徑開展后續(xù)的檢測設(shè)計。

3點火系統(tǒng)故障檢測設(shè)計

3.1點火原理

發(fā)動機點火需要多個部件系統(tǒng)配合完成,主要包括點火系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)及發(fā)動機本體,如圖5所示,不同發(fā)動機的設(shè)計方案不完全相同,本文僅以一種常見的設(shè)計方案為例開展研究。在發(fā)動機點火過程中,燃油系統(tǒng)負責(zé)向燃油噴嘴提供適當(dāng)流量和壓力的燃油,點火系統(tǒng)負責(zé)提供點燃油氣的電火花。

以地面正常起動為例,簡略介紹發(fā)動機起動點火的過程。打開起動空氣閥后,進入地面正常起動過程,發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐步提高到一定閾值后,EEC判斷各前置條件滿足,輸出指令起動一路點火激勵器,點火電嘴釋放電火花,轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高到設(shè)計值時,燃油系統(tǒng)開始供油,一段時間后,EEC對比點火后EGT超過點火前EGT一定閾值時,則判斷點火成功,否則判斷點火失敗。點火成功后發(fā)動機轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高到設(shè)計值時,關(guān)閉點火激勵器。在某些特殊場景下,比如在高原環(huán)境起動、空中點火或地面點火失敗后,會同時接通兩路點火激勵器電源,由兩套點火系統(tǒng)同時執(zhí)行點火。

3.2點火失敗故障樹分析

全面分析在實際環(huán)境中可能導(dǎo)致點火失敗的原因,主要包括如下四類:

(1)外部輸入類故障,即飛機或試車臺無法提供點火過程所需的電源或燃油。

(2)點火功能故障,即EEC、點火激勵器、點火電纜、點火電嘴等故障導(dǎo)致無法提供點火用的電火花。

(3)燃油控制功能故障,即EEC或燃油系統(tǒng)內(nèi)各組成單元故障導(dǎo)致無法提供點火過程所需的特定流量和壓力的燃油。

(4)發(fā)動機本體故障,主要指點火過程中壓氣機、燃燒室、渦輪等部件故障導(dǎo)致的點火失敗,如燃油噴嘴無法正常噴油或者轉(zhuǎn)子卡滯導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降等。該類故障原因發(fā)生的概率較小。

根據(jù)上述分析,并綜合考慮故障原因的故障率及發(fā)動機機載檢測能力,繪制出如圖6所示的發(fā)動機點火失敗的故障樹。為了方便分析,將故障樹中導(dǎo)致點火失敗的原因分為兩類:點火系統(tǒng)故障和非點火系統(tǒng)故障,其中非點火系統(tǒng)故障是指除點火系統(tǒng)故障外會導(dǎo)致點火失敗的故障的統(tǒng)稱,包含EEC點火電源無供電、飛機/試車臺無供油、發(fā)動機本體故障、燃油系統(tǒng)故障、EEC內(nèi)點火繼電器無法閉合。

3.3點火系統(tǒng)故障機載檢測方案

前述分析已經(jīng)明確了點火失敗故障的具體原因,既然點火系統(tǒng)故障是點火失敗故障的充分非必要條件,則可以利用邏輯推斷法制定出點火系統(tǒng)故障檢測邏輯,即當(dāng)EEC判斷發(fā)動機出現(xiàn)點火失敗后,如果出現(xiàn)了非點火系統(tǒng)故障,則系統(tǒng)判斷點火失敗是由該原因?qū)е?而不是點火系統(tǒng)故障:如果除點火系統(tǒng)故障外的其他原因均未出現(xiàn),則系統(tǒng)判斷當(dāng)前通道所用的點火系統(tǒng)故障。將上述檢測邏輯落實到EEC中,利用原有發(fā)動機對點火失敗和非點火系統(tǒng)故障的檢測能力,無須加裝其他硬件或進行設(shè)計改動,即可實現(xiàn)點火系統(tǒng)的故障檢測。

圖6 發(fā)動機點火失敗故障樹

實踐證明,在保障非點火系統(tǒng)故障檢測準確性的基礎(chǔ)上,該方法可以有效檢測出點火系統(tǒng)故障,具備較強的工程實踐意義。

4結(jié)語

民用航空產(chǎn)品對故障檢測顆粒度要求越來越精細,實現(xiàn)點火系統(tǒng)故障檢測對提升運營經(jīng)濟性和安全性具有重要意義。本文論述了點火系統(tǒng)的原理、常見故障及故障檢測的難點,提出一種可行性較高的點火系統(tǒng)故障檢測方案,對其他類似開環(huán)控制系統(tǒng)的故障檢測同樣具有借鑒意義。