航空涡扇发动机起动热悬挂故障诊断

2022-11-23武晓龙李焦宇

海军航空大学学报 2022年5期

金帅，武晓龙，李焦宇，杨光

（1.中国航发沈阳发动机研究所，辽宁沈阳 110015；2.海装沈阳局驻沈阳地区某军事代表室，辽宁沈阳 110015）

0 引言

航空发动机安全可靠快速起动是其主要性能表现之一，同时也是保证飞机安全飞行的前提条件，它直接影响飞机紧急出动的出勤率。

目前，针对起动性能及供油规律，已开展了充分的分析研究。郭海红[1]、邢洋等[2]研究了非标准大气条件和高温条件对航空发动机地面起动性能影响；刘磊[3]对发动机地面和高空的起动特点分别开展了分析；王兆铭等[4-5]分别研究了高原和空中供油规律；李大为等[6]根据高原环境对发动机起动过程的影响进行理论分析，提出了优化高原起动措施，并进行了高原试验验证，得出各措施对起动过程的影响程度；边家亮、邢洋、姜新瑞等[7-9]研究了起动机功率、起动机脱开转速及起动供油逻辑对起动性能的影响。乔洪信、祁新杰、屠秋野、樊丁等[10-13]通过数值模拟方法分析发动机起动变化规律。

针对起动过程的典型故障，侧重于性能对发动机的影响研究：王晓刚等[14]针对某型飞机发动机故障，提出了该型发动机故障的逻辑诊断方法，建立了逻辑诊断的数值理论模型；李峰等[15]针对起动过程重复性差和不稳定的问题，设计了基于转速速率闭环控制算法，并对所设计的控制器进行半物理模拟试验验证；马燕荣等[16]分析了空中起动排气温度过高、热悬挂等故障原因；彭学辉等[17]针对一起起动时间过长、起动温度过高的故障特例进行了故障排查和原因分析，并提出预防该型发动机出现起动性能故障的措施；秦海勤等[18]在对某型航空发动机起动过程工作原理分析的基础上，对该发动机不同类型的起动超温故障机理、故障发生时机、故障特征以及可能存在的故障原因进行了研究分析。

某航空涡扇发动机起动过程中，采用转速上升率闭环控制，当起动过程中出现喘振、热悬挂、失速等起动异常情况时，控制器能自动识别并处理，以保证发动机成功起动。

相较于机械液压控制的发动机，该型发动机可以根据实际转速上升率与给定转速上升率的差异自动调整供油量，能够避免由于环境温度、海拔高度等因素变化给发动机起动性能带来的影响，大幅提升了发动机起动性能和起动成功率。然而，在外场使用时，该型发动机在起动过程中却频繁出现热悬挂故障。因此，分析其起动过程中出现热悬挂故障原因并提出解决措施，对提高发动机的起动性能和起动成功率，具有重要意义。

1 故障现象

某型涡扇发动机外场使用过程中，频繁发生起动热悬挂故障。研究分析发现，故障主要发生在发动机冷态起动过程中，控制器判断发动机起动过程发生热悬挂故障，根据控制逻辑执行切油和再次点火起动的动作，保证发动机起动成功。

热悬挂切油转速主要集中在高压换算转速n2r=0.47、0.56、0.66 转速附近，起动过程排气温度T6峰值未见异常。故障现象，如图1所示。

图1 故障现象Fig.1 Failure phenomenon

2 控制原理

由于某型电调发动机起动过程采用全程闭环调节控制，起动过程由控制逻辑主控，机械液压系统起到执行机构的作用。因此，通过研究其控制逻辑，便可分析定位其起动异常原因。

2.1 起动控制逻辑

某型电调发动机起动控制逻辑，如图2所示。

图2 起动控制逻辑Fig.2 Control logic in the starting process

2.2 热悬挂控制逻辑

2.2.1 热悬挂判据

1）排气温度T6无故障；

2）点火成功后延迟tdy（点火延迟时间）；

3）2）项满足后且T6斜率≥1 855，持续t＞tT6p（T6判据时间）；

4）在0.28 ≤n2r≤0.85 范围内，P31斜率小于下表1中要求。

表1 发动机热悬挂判断表Tab.1 Hot suspension judgment table

上述4个条件的关系为：1）and 2）and 3）or 4）。

出现满足排气温度T6斜率异常条件的热悬挂切油以及恢复供油后tT6p内仍继续判断，但不处理；

出现满足压气机出口压力P31斜率异常条件的热悬挂切油以及恢复供油后tP31p（P31判据时间）内仍继续判断，但不处理。

表1中，P31斜率=(P31-i-P31-(i-1))(n2r-i-n2r-(i-1))。

2.2.2 热悬挂执行逻辑

地面起动出现热悬挂时，需要先切油，然后持续tds（点火信号持续输出时间）输出点火信号，在此期间，若退出起动控制，则取消，然后按照点火供油和转速上升率闭环供油2个阶段来恢复供油。

切油时，发动机停止供油，主供油完全关闭，主回油完全打开。若发生热悬挂时，n2r＞0.85，则切油tdq（大状态切油时间），否则切油txq（小状态切油时间）。

切油后点火供油按以下公式控制：

式（1）中：kinit=0.85 ，为初始供油量调整系数；kmax=1.2，为迭代上限；kslope=0.1，为迭代系数。

3 原因分析

通过研究分析多组热悬挂故障的数据，并对比了多台无故障发动机的起动数据，根据起动控制逻辑和热悬挂控制逻辑，可以判断发动机发生热悬挂是因为触发了排气温度T6斜率异常或者压气机出口压力P31斜率异常判据，从而执行热悬挂切油再起动的动作。鉴于此，分析排气温度T6斜率异常或者压气机出口压力P31斜率异常故障即可定位热悬挂原因。

3.1 排气温度T6 上升率过高故障

分析的热悬挂故障数据，其中，有几组是由于排气温度T6斜率异常故障导致热悬挂。起动过程中排气温度T6斜率大于1 855，控制器自动执行切油再起动逻辑。故障数据中，单次起动过程仅发生一次热悬挂，未发生多次。

结合起动过程按转速上升率闭环控制的特点，分析判断排气温度T6斜率异常故障原因，判断为起动初始供油量偏多所致。

起动过程转速上升要求，如图3 所示。n2r在0.47～0.66 范围内，转速上升率也在线性提升。此时发动机若因起动初始供油量富油而导致热悬挂，则T6会快速上升，而转速则平缓变化。根据闭环控制逻辑，转速上升率不满足要求时，将会继续加油以实现闭环控制，从而导致发动机更进一步的富油，形成恶性循环。

图3 起动过程转速上升率闭环控制Fig.3 Closed-loop control of speed rising rate during starting

统计分析6 组排气温度T6斜率异常故障发动机的初始供油压力，发现其初始供油压力超过上限或接近上边界，如图4、表2所示。检查结果与上述分析相吻合。

图4 初始供油压力Fig.4 Initial oil supply pressure

表2 初始供油压力Tab.2 Initial fuel supply pressure

3.2 压气机出口压力P31 上升率过低故障

分析的热悬挂故障数据，其中多是由于压气机出口压力P31斜率异常故障导致热悬挂。压气机出口压力P31斜率异常故障的设计初衷是当压缩部件出现失速征兆时，失去原有的增压能力，导致压缩部件出口截面压力上升斜率低于设计阈值，进而实现失速预警。以其中某次故障为例，分析其触发压气机出口压力P31斜率异常故障的原因。

示例起动过程中，在n2r=0.56 时发生首次热悬挂，控制器自动执行切油再起动逻辑。tgj（故障间隔时间）后，在n2r=0.64 时再次发生热悬挂，执行切油再起动逻辑，随后发动机起动成功。整理分析示例起动过程n2r在0.47～0.66范围内的P31斜率，如图5所示。

图5 P31 斜率变化规律Fig.5 P31 slope variation regulation

在转速n2r=0.56 时，压气机出口压力P31斜率为46.64，满足压气机出口压力P31斜率异常故障判据，发生首次热悬挂。恢复供油后，tP31p内仍有个别状态下的压气机出口压力P31斜率满足故障判据，但控制器此时只判断不处理。随后，当转速达到n2r=0.64 时，压气机出口压力P31斜率再次低至60.95，再次满足压气机出口压力P31斜率故障判据，发生热悬挂。

上述过程，发动机数据变化与控制规律完全吻合。

为了进一步分析触发压气机出口压力P31斜率异常故障的原因，对比分析热悬挂发动机与无故障发动机在起动过程中压气机出口压力P31的变化规律，发现在起动过程中，尤其是n2r=0.38～0.75 范围内时，压气机出口压力P31普遍会有一定程度地波动，如图6、图7 所示。这是由于该转速范围内，发动机在燃气涡轮起动机带转下，刚刚完成主燃烧室点火，此时发动机转速主要靠燃气涡轮起动机带转维持，发动机提供的功率输出不稳定，因此，压气机出口压力P31会产生一定程度的波动。

图6 P31 变化规律Fig.6 P31 variation regulation

图7 P31 变化规律Fig.7 P31 variation regulation

进一步分析发现，压气机出口压力P31斜率异常故障的检测依赖于传感器的测量精度，压气机出口压力P31传感器量程偏大，达到兆帕级别，而起动过程压气机出口压力P31使用区域相对较小，地面状态下仅为100 kPa 级别，参数测量误差对参数误警存在一定的干扰。另外，起动过程中，压气机出口压力P31的测量存在一定地波动干扰，压气机出口压力P31的波动的方向、波动的幅度、发生的时机均有较大的随机性，尤其是当进气温度较高时，压气机出口压力P31相应较低。压气机出口压力P31波动对压气机出口压力P31斜率的影响进一步加剧，极易造成压气机出口压力P31斜率异常故障。

统计因压气机出口压力P31斜率异常故障导致热悬挂的数据，发现故障均发生在环境温度大于20℃的情况下，且故障发生具有很大的随机性。故障表现的特性与压气机出口压力P31波动的特性完全吻合。

3.3 分析结论

综合上述分析，引发起动热悬挂故障的原因可分为排气温度T6斜率异常故障和压气机出口压力P31斜率异常故障2种。其中：排气温度T6斜率异常故障主要为单次悬挂模式，故障原因为初始供油量较高所致；压气机出口压力P31斜率异常故障主要为多次悬挂模式，故障原因为起动阶段P31压力波动所致，波动主要集中在n2r=0.38～0.75 范围内，且波动具有一定的随机性，因此故障具备一定偶发性。

4 解决措施

本文针对排气温度T6斜率异常故障和压气机出口压力P31斜率异常故障两种故障模式的原理分析，制定相应的解决措施，以有效解决发动机在外场使用过程中出现的起动热悬挂故障。

1）将点火初始供油量设定值下调0.06，在保证发动机成功地面起动的前提下，兼顾产品分散度对发动机起动性能的影响。

对下调点火初始供油量措施开展有效性和影响性试验验证。下调后，发动机的起动性能和起动时间均未受到影响，能够实现地面稳定起动。初始供油量位于上、下边界的中线附近，与故障数据（图4）比较，产品的兼容性得到显著提升，如图8所示。

图8 下调后初始供油压力Fig.8 Performance after lower the initial fuel supply pressure

2）使用大气压力传感器对压气机出口压力P31传感器小压力段的测量精度进行修正，优化压气机出口压力P31斜率异常故障判故逻辑，放宽报故预警值，提高压气机出口压力P31测量精度及波动对起动能力的兼容性。

对压气机出口压力P31优化措施开展有效性和影响性试验验证。优化后，发动机的起动性能和起动时间均未受到影响，能够实现地面稳定起动。与优化前压气机出口压力P31斜率变化规律（图5）对比，修正小压力段压气机出口压力P31的测量精度，使压气机出口压力P31波动情况得到了明显改善；优化压气机出口压力P31斜率异常故障判故逻辑，使起动性能的兼容性得到了显著提升，如图9所示。