燃油流量调节器流量不稳故障分析与改进

张玉龙，李胜男，刘金鹏，刘晓霞

(1.海军驻长春地区军事代表室，长春 130033;2.长春航空液压控制有限公司，长春 130052)

0 引言

燃油流量调节器工作原理是通过感受发动机转速、油门杆角度、高压压气机进出口压力、高压压气机出口温度、涡轮后燃气温度等输入信号调节产品内部可变计量柱塞套筒组件和加速控制器套筒组件的型孔开度，调整高压柱塞泵随动活塞两端压力差，从而调整高压泵斜盘角度，最终改变燃油流量［1］。

燃油流量调节器在外场故障多为产品性能衰减［2］以及流量不稳故障。性能衰减可能为发动机需油量增加以及燃油流量调节器供油量减少导致。而流量不稳的综合因素较多，燃油流量调节器的诸多输入信号综合作用在可变计量柱塞套筒组件和加速控制器套筒组件上，因此对在发动机上出现的燃油流量调节器流量不稳故障原因合理判别是较为困难的，可能是输入信号变化，也可能是产品本身流量不稳。

燃油流量调节器是航空发动机主燃油系统的核心部件，安装在发动机高速齿轮箱后面。其流量衰减将导致发动机功率下降，影响任务的顺利完成，而燃油流量调节器流量不稳可能影响任务的正常进行，极其严重时可能引起发动机喘振，并提高发动机外场调整频率，影响部队飞行任务。

本研究针对燃油流量调节器在试车过程中经串装发动机后依然存在的流量不稳故障(排除输入信号原因)，用工艺试验验证的方法和手段对该燃油流量调节器的故障进行分析以及改进验证，找出提高燃油流量调节器流量稳定性的方法。

1 故障现象描述

燃油流量调节器故障在发动机试车台上表现为将发动机转速调整合格后，反复推油门杆至同一位置，或停车后重推油门杆至该位置，发动机转速降低甚至出现不合格现象，个别发动机转速稍后可缓慢爬升至规定转速。在燃油流量调节器上表现为反复推油门杆至同一位置，产品流量低于起始流量或流量出现波动，超出技术要求。产品外形见图1。

图1 燃油流量调节器外形图Fig.1 Outline of fuel flow regulator

2 故障原因分析

2.1 燃油流量调节器功能原理

燃油流量调节器的功能是当油门杆位置不变时，根据飞行状态的变化自动调节供油量，保持发动机高压转子转速不变;当油门杆位置改变时，根据高压转子转速、高压压气机进口和出口压力，按加减速供油曲线自动改变供油量，保证发动机从一个转速安全迅速地加速或减速到与油门杆位置相应的另一个转速。此外，还可限制P3、T3和T6不超过限制值，保证发动机安全工作［3］。

燃油流量调节器的控油作用是通过可变计量柱塞和套筒组件、加速控制器组件上可变的油孔来实现的［4］，可变计量柱塞和套筒组件结构示意图见图2。

图2 可变计量柱塞和套筒组件结构示意图Fig.2 Structure diagram of variable metering plunge and sleeve assembly

油门角度的输入通过连杆传递给产品的油门杆，通过凸轮、上杠杆、温度补偿机构、控制器弹簧、托架等传递给转速控制套筒，力作用在转速控制套筒的左侧;发动机转速的输入通过传动轴、飞重轴传递给转速控制套筒，力作用在转速控制套筒的右侧;当燃油流量调节器油门杆位置改变时，控制器弹簧压缩，通过杠杆调整转速控制套筒的轴向位置，调整可变计量柱塞上型孔的开度，控制燃油流通面积，从而调节发动机转速的大小;在发动机转速超出一定值时，燃油流量调节器中飞重离心力大于控制器弹簧力，改变转速控制套筒的轴向位置，减小燃油流量面积，降低发动机转速［5］。

燃油流量调节器感受高压压气机出口压力P3和高压压气机进口压力P2变化来调整膜盒组件伸缩，通过杠杆改变压力平衡套筒的轴向位置，从而改变可变计量柱塞的轴向位置，调节发动机转速，形成闭环控制系统。

2.2 原因分析

通过燃油流量调节器在厂内性能验收试验器上的流量试验(即在额定的输入参数情况，测试产品流量)及与发动机配试，结合产品结构和原理分析，确认燃油流量调节器出现流量不稳故障的原因如下:

1)可变计量柱塞和套筒组件、加速控制器组件的配合表面光洁度低。结构示意图见图2。

转速控制套筒以及加速控制器套筒的轴向位置变化量与流量变化量的对应关系为

式中，A为燃油流通面积，a为型孔底边长度一半，b为型孔高，h为流通面积的宽度，x为套筒轴向位置，Δx为相对位移。

燃油流量

式中，ΔP为燃油流通面积前后压差，μ为流量系数，ρ为燃油密度。

可以得出流量变化量与轴向位置变化量对应关系为

组件表面光洁度影响可变计量柱塞和套筒组件、加速控制器组件的配合表面发生相对运动时摩擦力。光洁度越低，相对运动摩擦力越大，在相同作用力下组件相对位移Δx越小，即流通面积A减小，进而燃油流量减小。组件表面光洁度低原因:细小毛刺将零件划伤，可变计量柱塞表面因喷涂过程中喷枪回火积碳，涂层表面造成局部存在夹杂和孔隙。

2)P3P压力变化导致流量变化。

高压压气机出口压力P3进入燃油流量调节器空气组件内，经过再调主孔和副孔形成高压压气机出口压力的分压P3P，P3P和高压压气机进口压力P2分别作用在膜盒真空段和开口段，气体压力变化时膜盒伸缩或膨胀通过膜盒杠杆组件带动可变计量柱塞做轴向移动，从而改变可变计量柱塞和套筒的相对位移。再调活门作用在再调主孔上，在不同工况状态下控制再调主孔处于不同开度。

此处P3P压力变化指的是发动机工况一致的情况下，P3P压力因再调活门［6］污染导致往复运动不灵活，致使再调主孔开度变化导致P3P压力不一致。

式中，m为膜盒位移量，i为位移放大比，k为膜盒刚度，a为膜盒组开口段伸缩系数与膜盒组伸缩系数比。

根据公式(3)，流量变化与P3P压力变化具有相关性。

3)飞重运动不灵活或出现卡滞，对应同一转速下转速控制套筒受到的飞重力不一致，致使流量发生变化［7］。

4)温度补偿机构出现卡滞，导致在反复推拉油门杆的过程中，控制器弹簧力变化影响转速控制套筒在运动位置不一致，从而导致流量发生变化。

油门杆经过温度补偿机构后作用在控制器弹簧上，作用在杠杆左下端，通过杠杆机构，将力作用在转速控制套筒上，控制转速控制套筒左右移动。当温度补偿机构出现卡滞情况时，可能引起转速控制套筒运动位置不一致，流量发生变化。

温度补偿机构位移变化量L与转速控制套筒轴向位置相对位移Δx示意见图3，两者关系式为

根据公式(3)，温度补偿机构卡滞也会导致流量不稳定。

5)转速控制套筒计量刃边共面度不好或与外表面形状公差较大，影响油液流动状态，进而导致流量发生变化。

图3 力矩示意图Fig.3 Torque diagram

3 改进措施及改进效果验证

3.1 改进措施

通过以上计算、试验和分析，消除燃油流量调节器流量不稳故障措施如下:

1)对可变计量柱塞需采取细化工艺方法提高表面光洁度，保证与两者在相对运动过程中动作灵活，防止出现在重推油门杆时轴向位置不一致现象。

2)明确燃油流量调节器再调活门的清洗周期，防止再调活门因污染出现卡滞导致流量变化。

3)调整飞重装配侧隙，以提高产品的抗污染能力，保证飞重运动灵活性。

4)控制温度补偿机构部分零件的形位公差，以防止工作中卡滞影响温度补偿机构的补偿效果。

5)控制转速控制套筒相关尺寸外圆圆柱度、计量刃边共面度，可保证转速控制套筒在工作过程中位置平稳不出现偏磨，流量不发生变化。

6)细化油门杆不同位置［8］对应的燃油流量调节器流量试验要求和合格判据。

3.2 改进效果验证

对改进后燃油流量调节器进行产品试验验证和装发动机验证，累计经六十余台次流量性能对比验证，改进后的产品在产品试验过程中、装发动机试验前后均未出现产品流量性能不稳定故障，发动机工作正常。

4 结束语

燃油流量调节器流量不稳故障可能的原因有可变计量柱塞表面光洁度低、转速控制套筒计量刃边共面度不好、再调活门抗污染能力低、飞重和温度补偿机构运动不灵活或出现卡滞造成的;通过细化可变计量柱塞工艺方法提高表面光洁度、调整飞重装配侧隙提高抗污染能力、控制温度补偿机构及转速控制套筒部分零组件的形位公差提高运动灵活性以及明确燃油流量调节器再调活门的清洗周期等措施，可提高燃油流量调节器流量稳定性。

［1］国营红旗机械厂.某发动机技术说明书［M］.1981:192－213.

［2］胡勇杰，周晓丽，任晓霞，等.发动机波纹管破裂原因分析［J］.失效分析与预防，2013，8(3):178－182.

［3］吴虎.航空发动机原理［M］.西安:西北工业大学出版社，2005:258－274.

［4］中国人民解放军空军工程学院.某发动机讲义［J］.1978，6:131－154.

［5］《航空发动机设计手册》总编委会.航空发动机设计手册(第15册):控制及燃油系统［M］.北京:航空工业出版社，2000:450.

［6］《航空制造工程手册》总编委会.航空制造工程手册:燃油泵与调节器装配试验［M］.北京:航空工业出版社，1997:51－54.

［7］谢小平，张学军，贺孝涛，等.某型航空发动机燃油流量调节器建模与故障仿真［J］.航空发动机，2011，37(4):15－19.

［8］王强，傅强.航空发动机主燃油控制系统稳态过程分析［J］.科学技术与工程，2007，7(12):3028－3030.