某型航空发动机停车冒黑烟故障研究分析

杨 薇

(海军装备部，陕西 西安 710077)

1 引言

某型发动机停车冒烟故障为外场常见故障之一，表现为发动机收油门停车后，有黑烟从发动机尾喷口处冒出，在夜航训练时，沿顺航向观察发动机内部，在火焰筒位置处可见“明火”现象。早期外场采取发动机冷运转，吹除黑烟后继续使用。当前外场一般采取分开燃烧室外套，对积碳严重的火焰筒进行清理，清理后故障可排除。航空发动机一旦产生结焦积碳，就会在喷嘴零部件表面沉淀、聚集和长大，达到一定程度时甚至可堵塞发动机喷嘴，致使发动机的燃油消耗增加，动力性能下降[1-2]，火焰偏向烧蚀严重，对飞行器的飞行安全构成严重的威胁。

冒烟发动机火焰筒积碳情况如图1所示，正常大修返厂未冒烟发动机积碳情况如图2所示。

图1冒烟发动机火焰筒积碳情况图2正常大修返厂火焰筒积碳情况

2 故障情况统计分析

据外场统计记录，某型发动机自2011年起至今，外场共有33台发动机发生停车冒烟故障35次。

2.1 冒烟故障与发动机工作时间分析

根据冒烟发动机故障信息，绘制的冒烟发动机工作时间统计如图3所示。

图3 冒烟发动机工作时间统计

从图3可以看出，发动机工作300小时之内冒烟故障较多，其中0～100小时发生10台次，100～200小时发生11台次，200～300小时发生7台次，300小时以后的共7台次。

2.2 冒烟故障排故措施分析

对33台冒烟故障发动机35次排故过程中，有24台次排故措施为对火焰筒除积碳，除积碳后故障排除。更换放油活门排除故障3台次，调整油门杆位置排除1台次，冒烟程度轻微继续观察使用6台次，有1台次因外场无法排故返厂，故障原因为高压泵柱塞弹簧断裂导致燃油系统工作异常。由此可见，火焰筒头部积碳严重是造成发动机停车后冒烟的主要原因之一。

2.3 积碳严重火焰筒位置分析

对有记录的积碳严重的火焰筒位置号进行统计，绘制出的火焰筒积碳分布如图4所示。积碳严重的火焰筒主要分布右上部和左下部(顺航向)，靠近主燃油泵主、副油路的接口处。

图4 发动机积碳严重火焰筒统计

3 故障调查

3.1 停车冒烟故障树

根据对停车冒烟故障机理分析，绘制出故障树如图5所示。从故障树可以看出，冒烟故障主要与燃油总管及喷嘴的性能、火焰筒的结构尺寸、供油系统的供油量以及放油活门有关。

图5 发动机冒烟故障树

3.2 燃油总管及喷嘴返厂检查情况

3.2.1 燃油总管及喷嘴原态性能对比复试

对某冒烟发动机燃油总管及喷嘴保持原态进行了性能复试，另外选取了2台大修未发生停车冒烟故障发动机燃油总管及喷嘴进行了原态复试。

从故障件和大修正常件的对比检查结果来看，冒烟发动机的发动机燃油总管及喷嘴性能与未冒烟发动机相当，均有一定程度的漂移。

3.2.2 喷嘴内压紧弹簧弹力值复测

对该冒烟发动机14件弹簧高度及弹力进行检测，设计图要求高度:39.6mm(参考值)，实测高度值:39.05～39.8mm；弹力值设计图要求98～117.6N，实测弹力为98.54～111.60N，弹力符合设计图要求。

3.2.3 喷嘴主副喷口流道表面光洁度复查

将该冒烟发动机7件喷嘴的主、副喷口切开，观察中心孔及切向孔表面质量。解剖正常大修发动机喷嘴后，与该发动机喷嘴用30倍放大镜对比，喷嘴表面均有黑色粘结物。喷嘴零部件材料为高铁镍合金，实验证明铁和镍是结焦积碳形成的催化剂[3-6]。 因此喷嘴零部件对结焦积碳具有明显的催化作用，主副喷口表面光洁度差会引起主副喷口积碳，影响喷嘴流量性能，导致燃油总管流量分布不均，造成通过其它喷嘴的燃油流量增大，使对应位置的火焰筒处于富油燃烧状态，比较容易形成积碳。

3.3 火焰筒返厂检查情况

对该冒烟发动机火焰筒头部尺寸、主燃孔及掺混孔的直径，涡流器叶片间隙、搪瓷质量进行检测，并与正常大修未冒烟发动机的火焰筒进行对比检查，均在合格范围且无明显差异。因此可排除火焰筒结构尺寸引起头部积碳严重的可能性。

3.4 放油活门返厂检查

通过对放油活门胶垫硬度复查，发现胶垫硬度偏上限(要求HS72～82，实测HS78～82.7)，在厂内装配时，也常出现胶垫开裂现象。由于硬度大，胶垫在装配时，使得胶垫弹性已达到或超过了胶垫的弹性变形极限，装配后产生微小的裂纹，裂纹迅速扩展，造成胶圈破损，密封不严。

3.5 主燃油泵返厂检查工作

将外场其它两台冒烟发动机的主燃油泵返承制厂进行原态性能复试，从返厂性能复试结果看出：在标准测量点下主燃油泵流量偏大，超出设计要求值。

通过以上复试，发现主燃油泵主副油路总漏油量超差偏大，并且有一台出现柱状漏油现象，会造成发动机在停车过程中有较多的燃油流入高温燃烧室内，容易在靠近主副油路接口处的火焰筒形成积碳。

4 原因分析

外场大部分停车冒烟发动机，排故方法为去除火焰筒头部严重的积碳，除积碳后故障排除，可见火焰筒头部积碳严重为导致发动机停车冒烟的直接原因。

通过对冒烟发动机火焰筒的复查工作可以看出，故障件火焰筒的结构尺寸除部分主燃孔因搪瓷导致尺寸轻微超差外，其余尺寸均合格，因此可以排除火焰筒结构尺寸引起积碳严重的可能性。

通过对冒烟发动机燃油总管及喷嘴的性能复试可以看出，发动机在出厂使用一段时间后，总管性能会产生漂移，会导致14个喷嘴的燃油分布不均，造成局部位置喷嘴供油量偏大，在原本富油设计的基础上，更加富油燃烧，引起积碳的产生。

通过对冒烟发动机主燃油泵性能复试可以看出，燃油泵的主副油路总漏油量超差偏大，会造成发动机在停车过程中有较多的燃油流入高温燃烧室内，容易在靠近主副油路接口处的火焰筒形成积碳。

从目前统计的发动机冒烟工作时间来看，冒烟故障主要发生在0-300小时的使用时间内，占冒烟发动机数量的80%，绝大部分300小时内冒烟的发动机，火焰筒除积碳后在后续使用过程中故障并未复现，而主燃油泵的使用寿命为300小时，即发动机使用满300小时后必须更换主燃油泵，由此分析，火焰筒头部积碳严重与主燃油泵的性能有一定关系。火焰筒头部积碳严重导致主燃孔堵塞，空气进气量不足，燃烧室油气比进一步增大，使得燃烧更为不充分。并且，发动机在停车前，处于慢车工况，空气流量小，会造成燃烧室头部富油，使得燃烧恶化，造成发动机停车冒黑烟。

5 危害性分析

某型发动机火焰筒头部积碳程度轻微时，不会对发动机使用造成影响。当火焰筒头部积碳程度严重时，有时会导致发动机在低转速或停车时从尾喷口处冒黑烟，有可能会引起外场空勤人员对飞行状况的错误判断。另外，积碳严重时，会降低发动机燃烧效率，对发动机性能有一定影响。由于外场冒烟故障比较容易发现，冒烟严重时，可及时将火焰筒头部积碳去除，去除积碳后故障可排除。

6 结语

通过对此问题进行分析，可以得到以下结论：

第一，发动机停车冒烟故障主要与火焰筒头部积碳严重有关。

第二，结焦积碳的性质和喷嘴零部件的结构、材质及表面粗糙度有关。因此，制造喷嘴零部件时，应减小其表面粗糙度、降低材料的界面张力，有效地抑制结焦积碳的生成。

第三，放油活门内的胶垫硬度偏大，装配时容易产生微裂纹，造成胶垫损坏。随着使用时间的延长，胶垫断裂，导致发动机停车后放油活门密封不严，余油在高温的火焰筒头部形成积碳。应严格控制胶垫硬度，在新机和大修机装配放油活门橡胶垫时，检查胶垫是否损伤，损伤的胶垫进行更换。

第四，主燃油泵的主副油路总漏油量超差偏大，会导致停车过程中持续有燃油从主油路流向燃烧室，在高温的火焰筒头部形成积碳。应加强控制主燃油泵主副油路总漏油量，消除漏油量偏大的故障。

[1] 王旭全．积碳对发动机性能的影响[J].黑龙江交通科技，2008( 5) : 75-76.

[2] 刘红普，唐建生.发动机热浴现象对喷油器积碳的影响[J].农业装备与车辆工程，2007( 6) : 41-43.

[3] 李处森，于力，杨远生.三种金属及其氧化物膜在碳氢化合物热裂解反应中结焦行为的研究[J].中国腐蚀与防护学报，2001，21(3) : 158-166.

[4] Xie Wenjie，Fang Wenjun，Li Dan，et al.Coking of model hydrocarbonfuels under supercritical condition[J].Energy & Fuels，2009(23): 2997-3001.

[5] Zhang Jianqiang，David J Y.Coking and dusting of Fe-Ni alloys in CO-H2-H2O gas mixtures[J].Oxid Met，2008(70): 189-211.

[6] Jia Jifei，Tanabe Eishi，Wang Peng， et al.Study on the anti-coking nature of Ni /SrTiO3 catalysts by the CH4 pyrolysis[J].Catalysis Letters，2001，76(3-4) : 183-192.