民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)故障檢測(cè)設(shè)計(jì)研究

引言

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)在試車(chē)及運(yùn)營(yíng)階段均可能發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失敗故障,點(diǎn)火成功與否直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的試車(chē)任務(wù)或者運(yùn)營(yíng)安全性及可靠度。點(diǎn)火失敗故障是一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)級(jí)故障,導(dǎo)致該故障的原因眾多,燃油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、電源、發(fā)動(dòng)機(jī)本體等均可能是潛在故障單元,其中點(diǎn)火系統(tǒng)故障是一個(gè)發(fā)生頻率較高的原因,尤其是投入使用時(shí)間較長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。點(diǎn)火系統(tǒng)通常被作為ME1(最低設(shè)備清單)中的項(xiàng)目,及時(shí)準(zhǔn)確了解每套點(diǎn)火系統(tǒng)的狀態(tài),對(duì)于支撐簽派放行,或者支撐維修以恢復(fù)起動(dòng)性能,均有重要意義。

我國(guó)傳統(tǒng)的檢測(cè)方法并不能直接檢測(cè)出點(diǎn)火系統(tǒng)的故障,僅能檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失敗故障,然后由維修人員人工逐個(gè)檢查可能導(dǎo)致點(diǎn)火失敗的原因,進(jìn)而判斷點(diǎn)火系統(tǒng)是否故障,較國(guó)外民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接檢測(cè)出點(diǎn)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(jī)左發(fā)檢測(cè)到左點(diǎn)火系統(tǒng)故障后顯示"IGN1(IGN1)IsFAI1ED"。

1點(diǎn)火系統(tǒng)介紹

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)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(diǎn)火激勵(lì)器、點(diǎn)火電纜和點(diǎn)火電嘴組成,如圖2所示,由EEC控制點(diǎn)火激勵(lì)器提供高壓電,高壓電傳輸?shù)近c(diǎn)火電嘴后,擊穿空氣產(chǎn)生電火花。民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)通常有兩套相同的點(diǎn)火系統(tǒng),并根據(jù)點(diǎn)火模式的不同,選擇采用單套或雙套系統(tǒng)執(zhí)行點(diǎn)火功能。

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

2點(diǎn)火系統(tǒng)故障檢測(cè)設(shè)計(jì)初步分析

系統(tǒng)控制方式分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制,如圖4所示,開(kāi)環(huán)控制無(wú)反饋信息,閉環(huán)控制有反饋信息。通過(guò)分析點(diǎn)火系統(tǒng)的組成及原理可以得出,點(diǎn)火系統(tǒng)的控制屬于開(kāi)環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由于缺少信息反饋,其功能發(fā)生故障時(shí),實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)的難度較大。

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

3點(diǎn)火系統(tǒng)故障檢測(cè)設(shè)計(jì)

3.1點(diǎn)火原理

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火需要多個(gè)部件系統(tǒng)配合完成,主要包括點(diǎn)火系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)本體,如圖5所示,不同發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案不完全相同,本文僅以一種常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方案為例開(kāi)展研究。在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程中,燃油系統(tǒng)負(fù)責(zé)向燃油噴嘴提供適當(dāng)流量和壓力的燃油,點(diǎn)火系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供點(diǎn)燃油氣的電火花。

以地面正常起動(dòng)為例,簡(jiǎn)略介紹發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)點(diǎn)火的過(guò)程。打開(kāi)起動(dòng)空氣閥后,進(jìn)入地面正常起動(dòng)過(guò)程,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐步提高到一定閾值后,EEC判斷各前置條件滿(mǎn)足,輸出指令起動(dòng)一路點(diǎn)火激勵(lì)器,點(diǎn)火電嘴釋放電火花,轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高到設(shè)計(jì)值時(shí),燃油系統(tǒng)開(kāi)始供油,一段時(shí)間后,EEC對(duì)比點(diǎn)火后EGT超過(guò)點(diǎn)火前EGT一定閾值時(shí),則判斷點(diǎn)火成功,否則判斷點(diǎn)火失敗。點(diǎn)火成功后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高到設(shè)計(jì)值時(shí),關(guān)閉點(diǎn)火激勵(lì)器。在某些特殊場(chǎng)景下,比如在高原環(huán)境起動(dòng)、空中點(diǎn)火或地面點(diǎn)火失敗后,會(huì)同時(shí)接通兩路點(diǎn)火激勵(lì)器電源,由兩套點(diǎn)火系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行點(diǎn)火。

3.2點(diǎn)火失敗故障樹(shù)分析

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

(1)外部輸入類(lèi)故障,即飛機(jī)或試車(chē)臺(tái)無(wú)法提供點(diǎn)火過(guò)程所需的電源或燃油。

(2)點(diǎn)火功能故障,即EEC、點(diǎn)火激勵(lì)器、點(diǎn)火電纜、點(diǎn)火電嘴等故障導(dǎo)致無(wú)法提供點(diǎn)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(wú)法提供點(diǎn)火過(guò)程所需的特定流量和壓力的燃油。

(4)發(fā)動(dòng)機(jī)本體故障,主要指點(diǎn)火過(guò)程中壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等部件故障導(dǎo)致的點(diǎn)火失敗,如燃油噴嘴無(wú)法正常噴油或者轉(zhuǎn)子卡滯導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降等。該類(lèi)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(dòng)機(jī)機(jī)載檢測(cè)能力,繪制出如圖6所示的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失敗的故障樹(shù)。為了方便分析,將故障樹(shù)中導(dǎo)致點(diǎn)火失敗的原因分為兩類(lèi):點(diǎn)火系統(tǒng)故障和非點(diǎn)火系統(tǒng)故障,其中非點(diǎn)火系統(tǒng)故障是指除點(diǎn)火系統(tǒng)故障外會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火失敗的故障的統(tǒng)稱(chēng),包含EEC點(diǎn)火電源無(wú)供電、飛機(jī)/試車(chē)臺(tái)無(wú)供油、發(fā)動(dòng)機(jī)本體故障、燃油系統(tǒng)故障、EEC內(nèi)點(diǎn)火繼電器無(wú)法閉合。

3.3點(diǎn)火系統(tǒng)故障機(jī)載檢測(cè)方案

前述分析已經(jīng)明確了點(diǎn)火失敗故障的具體原因,既然點(diǎn)火系統(tǒng)故障是點(diǎn)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(diǎn)火系統(tǒng)故障檢測(cè)邏輯,即當(dāng)EEC判斷發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)點(diǎn)火失敗后,如果出現(xiàn)了非點(diǎn)火系統(tǒng)故障,則系統(tǒng)判斷點(diǎn)火失敗是由該原因?qū)е?而不是點(diǎn)火系統(tǒng)故障:如果除點(diǎn)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(diǎn)火系統(tǒng)故障。將上述檢測(cè)邏輯落實(shí)到EEC中,利用原有發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)點(diǎn)火失敗和非點(diǎn)火系統(tǒng)故障的檢測(cè)能力,無(wú)須加裝其他硬件或進(jìn)行設(shè)計(jì)改動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火系統(tǒng)的故障檢測(cè)。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失敗故障樹(shù)

實(shí)踐證明,在保障非點(diǎn)火系統(tǒng)故障檢測(cè)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上,該方法可以有效檢測(cè)出點(diǎn)火系統(tǒng)故障,具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐意義。

4結(jié)語(yǔ)

民用航空產(chǎn)品對(duì)故障檢測(cè)顆粒度要求越來(lái)越精細(xì),實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火系統(tǒng)故障檢測(cè)對(duì)提升運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性和安全性具有重要意義。本文論述了點(diǎn)火系統(tǒng)的原理、常見(jiàn)故障及故障檢測(cè)的難點(diǎn),提出一種可行性較高的點(diǎn)火系統(tǒng)故障檢測(cè)方案,對(duì)其他類(lèi)似開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)同樣具有借鑒意義。