某型航空发动机“PHA故障”报警的研究与排除

■ 卢子元 冯飞飞 黄婷 方博琳/成都航利（集团）实业有限公司

1 背景

某型加力涡轮风扇发动机为国产新型战斗机的主要动力装置,具有耗油率低、推进效率高、推重比高、适应范围广等多方面优越性,其控制系统主要包括主燃烧室燃油量控制系统、压气机几何通道控制系统、加力燃烧室燃油流量控制系统、喷口截面积控制系统、防喘消喘控制系统等。其中,压气机几何通道控制系统分为低压压气机进口导流叶片α1控制系统和高压压气机可调导流叶片角度α2控制系统。

低压压气机进口导流叶片α1控制系统为电子液压机械式,分为主控制系统（电子-液压机械控制系统）和备份控制系统（液压-机械控制系统）两个系统,由自动调节器内的α1调节通道、液压机械部分、燃油泵-调节器内的叶片角度控制器组成。

正常工作时,主控制系统（电子-液压机械控制系统）按照α1=f（n1换算）规律调节低压压气机进口导流叶片角度α1,如图1所示,主控制系统中自动调节器的α1调节通道,根据n1频率传感器和t1温度传感器测得的低压转子转速n1和发动机进口空气温度t1,计算出n1换算,并按α1=f（n1换算）特性建立α1的设定值；当实测的α1等于设定值时,α1调节通道中的信号输出装置输出指定的占空比信号到控制α1角度的电磁活门ИМ8,用于保持α1角度稳定；当α1与设定值存在差异时,占空比信号产生与该差异值正比的偏差,输出到电磁活门ИМ8,用于修正α1角度。

当自动调节器内的α1调节通道发生故障（即本文所讨论的“PHA故障”）时,自动调节器断开电磁活门ИМ8的供电,电磁活门退出工作,即主控制系统退出控制。此时,低压压气机进口导流叶片角度的控制由备份系统接管,由液压-机械叶片控制器按照α1=f（n2换算)规律控制低压压气机进口导流叶片角度α1。

2 试车故障现象

某型发动机试车过程中,在高压转子物理转速n2=95%状态下稳定工作一定时间后,出现“PHA故障”、“自动调节器故障”“n2重调”等报警信号并自锁,同时发动机转速下降。

该故障出现后,收油门进入慢车状态,对自动调节器进行解锁,报警信号消失；再次进入n2=95%状态稳定工作后,报警信号再次出现,多次进行解锁,均复现。发动机无法进入n2=95%及以上转速状态,试车无法正常进行。

其后,根据针对“PHA”报警信号的排故经验,先后更换了自动调节器、α1角度位移传感器和燃油泵-调节器上的执行电磁活门ИМ8,并重新进行试车检查,报警信号仍复现。由此,可以确定该故障不是自动调节器自身的故障,且排除了α1角度位移传感器、执行电磁活门ИМ8故障的可能性,但故障点仍无法确定。

3 故障原因分析

重新进行试车参数的分析和判读,发现自动调节器输出“PHA故障”报警信号的同时,也输出“自动调节器故障”报警信号和“n2重调”信号。故障发生后,控制发动机主燃油流量的执行电磁活门ИМ1的占空比降为0%,自动调节器退出了发动机控制；发动机的主要工作参数均发生变化并稳定于较低值（见表1）,基本符合“n2重调”（高压转子转速重新调节,限制发动机进入大工作状态）时的工作现象。

图1 低压压气机进口导流叶片α1控制原理简图

表1 故障出现前后主要参数的对比

图2 自动调节器α1调节通道检查电路的工作原理简图

此故障现象与常见“PHA故障”的故障形式并不完全一致。发动机的“PHA故障”报警信号由自动调节器α1调节通道中的α1通道检查电路生成；在α1通道检查电路中出现“PHA故障”信号时,信号将被送到开关电路使α1的执行电磁活门ИМ8断电,α1调节通道不再对α1进行调节且锁定在故障状态。α1通道检查电路由n1信号检查电路、α1信号检查电路和宽脉冲调制器检查电路组成,其基本工作原理如图2。

经过对α1调节通道检查电路工作原理的分析和总结,将导致“PHA故障”报警信号的因素大致分为以下几类。

1）低压转子转速n1因素导致的“PHA故障”

n1信号检查电路负责检查发动机工作时n1转速是否在规定范围内。如果测量低压转子转速n1的频率式转速传感器或其传输线路出现故障,导致n1转速信号电压超过规定范围下限或上限,则n1信号检查电路发送“PHA故障”信号。

2）低压压气机进口导流叶片角度α1因素导致的“PHA故障”

α1信号检查电路负责检查发动机工作时α1角度是否在规定范围内。如果测量α1角度的感应式位移传感器或其传输线路出现故障,导致α1信号电压超过规定范围下限或上限,则α1信号检查电路发送“PHA故障”信号。

3）宽脉冲调制器因素导致的“PHA故障”

宽脉冲调制器检查电路,负责检查从宽脉冲调制器输出到执行电磁活门ИМ8的占空比信号是否符合要求；宽脉冲调制器按照α1=f(n1换算)的调节规律,为执行电磁活门ИМ8提供相应的占空比信号,用于维持或修正α1角度；如果宽脉冲调制器及其传输线路出现故障,引起该占空比出现异常,则宽脉冲调制器检查电路发送“PHA故障”信号。

4）发动机进口空气温度t1因素导致的“PHA故障”

自动调节器故障检测组件中的t1温度检查电路负责检查发动机进口空气温度的t1温度电压信号是否在规定范围内。当t1温度的电压信号超出规定范围时,t1温度检查电路会发出t1传感器故障逻辑信号,输出“自动调节器故障”并自锁,且输送t1传感器故障信号到α1调节通道。一方面切断主燃油控制执行电磁活门ИМ1的供电,使自动调节器退出发动机的主燃油控制,启动n2转速重调以降低发动机的工作转速和温度,同时限制发动机进入大工作状态。另一方面,t1传感器故障信号传输到α1调节通道,触发“PHA故障”报警信号,并切断执行电磁活门ИМ8的供电,将α1角度的控制转交给备份控制系统。

将以上基本工作原理与前述的故障情况进行对比分析,发现该发动机的故障现象与第四类因素——t1传感器故障导致的“PHA故障”现象较为一致,均报“PHA故障”“自动调节器故障”“n2重调”信号；执行电磁活门ИМ1、ИМ8的占空比均降至0%,退出工作；发动机按照n2重调规律降低工作转速和温度。

t1温度传感器用于测量发动机进口空气温度。传感器由灵敏元件、壳体、安装导线、电缆、插头,引出线等组成,如图3所示。其中,灵敏元件用直径0.1mm的铂金丝做成螺旋丝,装在壳体的螺旋槽内。

图3 t1温度传感器

t1温度传感器的测量原理：利用铂金丝的电阻随周围温度变化而变化的特定规律,使铂金丝上所分担的电压随电阻变化来表征温度的变化。因此,当铂金丝出现断丝或短路故障时,会引起t1温度电压信号超过t1温度检查电路的规定范围而触发“t1传感器故障信号”,导致上述的第四种故障情况。

图4 发动机试车参数示波图

4 故障验证

基于以上分析,将故障点定位为t1传感器故障,并在试车台上更换了t1温度传感器。之后,重新进行试车并稳定工作2小时（含4个主循环）,试车全程中“PHA故障”报警信号未复现,故障排除。

为进行验证,将原台t1温度传感器换回,重新进行试车检查,故障复现,客观验证了故障定位的准确有效。

同时,整理故障状态的试车数据可以发现,发动机试车参数示波图（图4所示）中的t1温度数值在故障发生前出现两次突降；查看不同次“PHA故障”报警时的示波图均具有这一特征,从数据上验证了对t1温度传感器故障的推断。

5 总结

电子-液压控制系统与机械-液压控制系统共同构成控制系统,是该型加力涡轮风扇发动机控制系统的典型特征。该特征表现为用于执行控制规律的电气附件和液压附件较多,使得所发生的控制系统故障的影响因素较多。针对这一特征,在试车排故时,尤其应重视故障分析的系统性以及不同因素造成故障的差异性,既要兼顾多个附件在控制过程中的影响,也要注意监控和判断各个附件的参数变化的异常,以便精确定位故障点,准确排除故障。

[1] 樊思齐.航空发动机控制[M].西安：西北工业大学出版社, 2008.