某型航空发动机应急放油系统研究

马会宁，李春光，崔利丰，廉征环

（1.中航工业西安航空动力控制有限公司，西安 710077；2.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

0 引言

某型航空发动机为第3代战斗机的动力装置,凭借其良好的性能，目前已广泛投入使用。燃油控制系统的多参数控制、故障告警、自动消喘、喷口的无级调节等都最大限度地发挥了发动机的性能。但在使用中发生过应急放油控制系统可靠性差的问题，严重地影响了该型发动机的使用。

本文对该型发动机的应急放油控制系统进行研究，通过试验找到了系统设计的不足，通过改进设计，使其满足了发动机使用可靠性的要求。

1 故障概述

某飞机右发动机做完检查工作后在地面开车，发动机各状态参数均正常。由于飞机油箱中油量较多，飞机双发在n2=85%时共进行了12次间歇性应急放油,放油时序及间隔如图1所示。在第11次应急放油结束14 s后，进行第12次应急放油时，右发动机熄火，n2转速自动下降，具体故障曲线如图2所示。

图1 应急放油时序及间隔

图2 某发动机应急放油故障发生前后参数变化曲线

从图2中可见，在第12次应急放油接通前，发动机低压转子转速n1、高压转子转速n2、低压涡轮后温度T6、风扇导叶角度α1、压气机静子叶片角度α2等飞参数据较为平稳，均在正常范围内，喷口直径D8为机械最小喷口状态，各参数与左发动机的相比无明显差异。当应急放油接通瞬间，右发动机转速、温度迅速降低，n2转速由85.4%下降到13.4%时（28.25 s），发现发动机转速降低，将油门杆收回到停车位置。

2 应急放油系统工作原理

某型发动机应急放油系统参照某发动机设计主要功能是在飞行中根据需要放出飞机油箱中的多余燃油。在满足应急放油条件（非加力状态、n2＞57%、油箱余油多于1.5 t）时，手动给出应急放油接通电指令，激励应急放油附件上的2个电磁阀。2个电磁阀接到电信号后，应急放油附件输出液压指令接通加力燃油泵，该泵出口燃油压力突增，使该泵内转换活门关闭齿轮泵后来油，并解除应急放油附件连锁，使应急放油系统投入工作，将加力燃油泵后的燃油放至加力燃烧室，经过喷管排入大气。

在应急放油接通瞬间，由于加力燃油泵转换活门的油路切换，会对齿轮泵后压力产生瞬间脉冲干扰，此时主燃油泵调节器内部压差回油活门将投入工作，对系统干扰进行调节，以保持计量活门前后压差恢复到恒定值。

3 验证试验

3.1 飞机验证

在保持装机状态不变并增加相应测试参数条件下进行了2次双发应急放油模拟试验，均实现了故障再现。

第1次在进行到第17次应急放油时右发动机在n2＝85%时自动停车，左发动机工作正常；

第2次在进行到第8次应急放油时右发动机在n2＝85%时自动停车，左发动机工作正常。

2次故障复现放油间隔和时序如图3所示。

图3 放油时间时序和间隔

某发动机应急放油正常和异常停车时的参数变化分别如图4、5所示。从图中可见，在应急放油开关接通后，加力燃油泵打开时，主燃油泵调节器进口压力Pin先减小（加力燃油泵填充过程），齿轮泵后压力P22突然增大（转换活门投入工作，关闭主泵供油转为加力泵供油）。当加力泵填充完毕后，Pin增大，在Pin再次减小时开始放油。P22在出现干扰突增后，由于压差活门投入工作，出现如图5所示波形。

图4 某发动机应急放油正常时参数变化

图5 某发动机应急放油异常停车时参数变化

从上述数据及相关检查工作可知：

（1）在停车过程中发动机进口供油正常，排除飞机供油导致异常停车的可能性；

（2）飞参中无喘振信号，消喘电磁阀无误动作；

（3）停车前后未听到异常响声，排除发动机机械故障引起停车的可能性；

（4）停车过程中T6无突升，温度、转速快速降低（2 s内T6降低约70℃）；

（5）应急放油接通瞬间 Pin、P22、喷嘴前燃油压力Pf、压气机出口压力P31有明显波动现象。

根据故障复现数据分析初步得出结论：发动机异常停车故障可能是由于短时间内连续多次接通应急放油过程中发动机相关参数波动较大，瞬间断油引起燃烧室不稳定燃烧所导致的。

3.2 台架试验情况和数据分析

为了查清故障原因，在台架上利用包括故障发动机在内的9台发动机进行间歇应急放油试验验证，累计接通应急放油700多次，进行了不同发动机状态下的对比验证，应急放油间隔时序基本参照外场故障发生时的应急放油时序，其典型时序间隔如图6所示。从试验结果来看，故障发动机返厂后，在第2次原状态台架试验第11次应急放油接通时出现1次停车，各参数变化规律与外场基本一致，随后无论是改变放油转速还是改变放油间隔和时序均未出现发动机停车，其他发动机也未发生停车现象。

图6 台架应急放油试验典型时序

以采集频率为5000 Hz的高频采集系统的数据为基础，对试验中测量的相关参数进行比较分析。

（1）各台发动机相关压力对比

A、B、C、D、E 发动机单次接通应急放油过程中P22、P21、Pf和 P31的脉动情况对比如图 7～10 所示。

从图7～10中可见，应急放油接通瞬间，不同发动机 P22、P21、Pf、P31均有明显波动，且所有发动机相关参数波动趋势基本一致，主燃油系统调节规律相同。

（2）某发动机压差特性（流量特性）分析

故障发动机单次应急放油接通过程与燃油流量直接相关的压差特性对比如图11所示。

图7 P22参数对比

图8 P21参数对比

图9 Pf参数对比

图10 P31参数对比

图11 单次放油接通过程压差特性

图11中的数据曲线表明：（P22-P21）、（P21-Pf）与（Pf-P31）压差脉动幅值依次衰减，判定引起流量脉动的来源为（P22-P21），即在压差活门受到脉冲干扰信号后的快速调节过程产生流量波动。

（3）各台发动机压差活门特性对比

5台发动机应急放油接通时主燃油泵调节器内部压差活门特性对比如图12所示。

图12 单次放油接通过程压差活门特性对比

图12中的数据曲线表明：在单次放油接通过程中，故障发动机压差活门调节过程与其他发动机的存在差异，振荡幅值偏大。

（4）各台发动机主燃烧室喷嘴前后压差特性对比

5台发动机应急放油接通时喷嘴前后压差△Pf（△Pf=Pf-P31）特性对比如图13所示。

图13中的数据曲线表明：在单次放油接通过程中，故障发动机ΔPf由最低点恢复过程中恢复速度偏慢，在近0.1 s的范围内比其他批产发动机的低200～300 kPa。

（5）在多次放油接通过程中ΔPfmin统计对比分析

1台故障发动机与其他发动机应急放油接通时ΔPfmin趋势对比如图14所示，每1点为1次应急放油过程中ΔPf波动的最小值ΔPfmin。

图14 多次应急放油接通过程ΔPfmin统计对比

图14中的数据曲线表明：其他发动机应急放油接通瞬间ΔPfmin值统计分布高于故障发动机（3台同型号发动机应急放油时ΔPfmin≥110 kPa；故障发动机应急放油时ΔPfmin大多数分布在0～200 kPa）；随连续放油次数增加，ΔPfmin整体有减小趋势。

4 故障原因分析

某型发动机主燃烧室供油调节系统和应急放油系统参照某发动机设计。喷口加力调节器和应急放油附件通过加力泵上的H3和H8管接头压力来控制加力泵的接通，对该接通过程的加力泵进口活门响应时间进行仿真，结果如图15、16所示。接加力时H8不参与工作，应急放油时H3不参与工作。

图15 在接通加力过程中加力泵进口活门响应时间

图16 在接通应急放油过程中加力泵进口活门响应时间

从以上仿真结果得知：正常接通加力时，在加力泵进口活门打开过程中，移动7 mm（打开）时打开时间为3 s；接通应急放油时，在加力泵进口活门打开过程中，移动7 mm（打开）时打开时间为1.2 s。

在应急放油接通时，加力燃油泵转换活门投入工作，瞬间停止主燃油泵调节器向加力系统供油，造成齿轮泵后压力P22出现扰动（快速增大），干扰发生后为保证压差恒定压差回油活门自动调节，调节过程出现超调，导致燃烧室燃油喷嘴前后压差即燃油流量瞬间减少；试验结果表明，随连续放油次数增加，其压差值最低点即ΔPfmin有减小趋势。

从大量试验数据对比分析为基础可知，故障发动机的上述调节过程与其他发动机的基本一致。

但某型发动机与某发动机主燃油喷嘴结构不同。某型发动机主燃油喷嘴内部设有单向活门，当喷嘴前后压差达到约0.13±0.01 MPa时活门打开，燃油进入主燃烧室；反之当压差减小到该值时活门关闭，停止向主燃烧室供油。这样理论上在应急放油接通时如果喷嘴前后压差减小到或低于0.13±0.01 MPa时，主燃烧室均为断油状态。而某发动机的主燃油喷嘴是在主燃油总管上设有多个固定节流孔，内部没有活门，另外，某发动机采用主副油路供油，只有当主副油路喷嘴前后压差全部为0或负值时才中断向主燃烧室供油。

从试验结果来看，某型发动机2次接通应急放油熄火时的喷嘴前后压差均小于0.1 MPa，而其他发动机则全部高于喷嘴内部活门打开压差0.13±0.01 MPa；某发动机虽然主油路喷嘴前后压差为负，但副油路喷嘴前后压差为正，故不存在熄火的可能。

综合上述分析可知，某型发动机外场间歇应急放油停车故障的原因为：某型发动机在接通应急放油时均存在参数波动现象，在故障发动机连续接通应急放油接通过程中ΔPfmin比其他批产发动机低200～300 kPa，并且其值低于喷嘴打开压差，导致燃烧室供油瞬间不足，造成不稳定燃烧，熄火停车。

5 解决措施

虽然该故障在某型发动机研制中属首次发生，也无资料表明某发动机发生过类似现象。但从试验验证结果来看，某型发动机在应急放油接通时均存在参数波动现象，主燃烧室喷嘴前后压差即供油量减少较多，甚至瞬间断油。特别是故障发动机在应急放油接通过程中ΔPfmin比其他批产发动机的低200～300 kPa，解决措施应从应急放油接通过程中减小参数波动入手。

5.1 增加节流嘴措施

为从根本上将应急放油接通时喷嘴前后压差降低量减小即提高ΔPfmin，通过对某型发动机燃油系统工作原理和应急放油接通时各参数变化的深入分析，认为该问题可通过改变应急放油接通时各参数变化的时序关系加以解决。具体来说，就是采取在应急放油附件管接头通往加力燃油泵管接头的内部增加节流嘴，延长应急放油开关接通后加力燃油泵进口活门打开时间，减少加力燃油泵内部转换活门转换过程对齿轮泵后供油压力的影响，进而减小应急放油接通时压差回油活门引起的各参数波动。

5.2 增加节流嘴后对系统的影响分析

对增加节流嘴后的系统进行了仿真验证，试验结果表明，在不同工作条件下，在应急放油附件接头处增加Φ=1.0 mm的节流嘴，在应急放油工作状态下，加力泵进口活门控制腔内的压力均增大，不影响应急放油功能的实现，如图17所示。

图17 增加节流嘴对加力泵功能实现的影响

新增节流嘴位于应急放油附件管接头通往加力燃油泵管接头管路上，该管路的作用是在应急放油信号发出后用于打开加力燃油泵，新增节流嘴仅与加力燃油泵相关。

6 增加节流嘴效果验证和直径确定

对增加节流嘴后的3台发动机在台架状态下进行应急放油试验，结果表明：增加节流嘴后，应急放油接通时ΔPfmin明显增大，且节流嘴直径越小，改善效果越明显。（1）采用Φ＝1.2 mm的节流嘴，ΔPfmin增大约 200～300 kPa；（2）采用 Φ＝1.0 mm的节流嘴，ΔPfmin增大约200～700 kPa；（3）采用 Φ＝0.8 mm的节流嘴，ΔPfmin增大约500～800 kPa。

根据试验验证结果，兼顾增加节流嘴后的改善效果和节流嘴的抗污染能力，并确保在应急放油开关接通后加力燃油泵可靠打开，故障解决措施中采用Φ＝1.0 mm的节流嘴。

7 措施验证

7.1 地面台架验证

如前所述，增加Φ=1.0mm的节流嘴可有效改善应急放油接通时燃油系统波动，ΔPfmin增大约200～700 kPa。

（1）增加节流嘴后，应急放油接通时加力燃油泵进口活门打开时间延长，且节流嘴直径越小，延长时间越多：不加装节流嘴时，加力燃油泵打开时间约为0.1 s；采用Φ＝1.0 mm的节流嘴时，加力燃油泵打开时间约为0.25 s。

（2）增加节流嘴后，应急放油接通时n2波动量相对减小，且节流嘴直径越小，波动量越小，但因加装前n2波动不大，所以表现不是很明显：不加装节流嘴时，n2波动（n2降低）约为0.36%；采用Φ＝1.0 mm的节流嘴时，n2波动（n2降低）约为0.2%。

（3）增加节流嘴后，应急放油接通时ΔPf的波动量明显减小，且节流嘴直径越小，波动量越小，采用Φ＝1.0 mm的节流嘴时应急放油接通瞬间ΔPf的波动量减小约50%。

增加节流嘴后对发动机无影响，各项功能和性能正常。

7.2 装机和飞行验证

在某飞机左发动机上增加Ф＝1.0 mm的节流嘴，在右发动机未增加节流嘴。更换前后进行了地面开车检查，随后进行了飞行验证。结果为：

增加节流嘴前地面应急放油接通时左、右发动机的ΔPf波动量相当；左发动机增加Φ＝1.0 mm的节流嘴后空中飞行ΔPf波动量明显减小；相对于右发动机，左发动机空中波动幅度约减小200 kPa。

在地面状态下左发动机增加Φ＝1.0 mm的节流嘴后，ΔPfmin较增加前提高约200 kPa；

在空中飞行时，增加Φ＝1.0 mm的节流嘴的左发动机的ΔPfmin增大比右发动机的约高200 kPa。

根据地面台架试验、装机地面试验和飞行验证结果，在应急放油附件管接头通往加力泵接通活门管接头的内部增加Φ＝1.0 mm的节流嘴可使应急放油接通时主燃油喷嘴前、后压差最低值提高200～700 kPa，并且增加节流嘴后对发动机其他功能和性能无影响。

8 结论

（1）某发动机发生的间歇应急放油停车故障是由于在连续接通应急放油过程中主燃油喷嘴前、后压差瞬间减小较多，导致燃烧室瞬间供油不足，造成不稳定燃烧，发动机熄火。

（2）在应急放油附件1号管接头内部增加Φ＝1.0 mm的节流嘴可有效改善应急放油接通时主燃油喷嘴前、后压差的波动，改善应急放油系统的工作稳定性。

（3）地面试车和飞行验证结果表明，该改进措施可有效提高应急放油接通时主燃烧室喷嘴前、后压差最低值，防止主燃烧室断油熄火。

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