燃油系统气塞导致发动机空中停车的一起典型故障分析

刘龙魁

(中国南方航空工业(集团)有限公司,湖南株洲 412002)

燃油系统气塞导致发动机空中停车的一起典型故障分析

刘龙魁

(中国南方航空工业(集团)有限公司,湖南株洲 412002)

燃油系统气塞现象发生在燃油系统管路和附件内部,具有相当的隐蔽性,很容易被人们忽视。本文通过对外场发生的一起因燃油系统排气不良造成气塞导致某涡轴发动机空中停车故障进行分析,提出改进措施,以期提高发动机工作稳定性和直升机飞行安全性。

燃油系统 气塞 涡轴发动机 空中停车

1 引言

某型直升机装有两台涡轴发动机,由安装在直升机同侧的前后两个燃油箱分别给两台发动机供给燃油。每台发动机有一套独立的供油系统,前油箱给左发供油,后油箱给右发供油。左右发动机的输油管路之间有导管连接,平时由供油选择阀隔断,当任一套供油系统中的燃油增压泵或单向阀故障时,可通过供油选择阀的功能切换实现交输供油,一个油箱同时向两台发动机连续供油, 当任一台发动机故障时,可通过供油选择阀的功能切换实现转输供油,前后油箱同时向另一台发动机供油。

燃油系统的组成如图1所示,其流程如下：

当燃油系统附件或供油管路中存在大量的空气泡未及时排除时,会形成气塞,造成供油管路堵塞,它将破坏发动机的正常供油,甚至可能造成燃油供油中断,导致发动机停车。

2 故障现象

2013年5月,某架直升机刚完成燃油增压泵定期检查工作,便接到了试飞任务。15时12分,该机地面开车后工作正常,机组驾驶直升机原地悬停约2分钟,工作正常。随后到1号旗门进行悬停检查(悬停高度约5米)。15时16分,飞行员发现直升机“主警告”灯闪亮、“右电调故障”、“助力器卡滞”灯燃亮,立即报告指挥员。在报告过程中,机组听到“旋翼转速低”语音告警,同时发现“左发燃压低”、“旋翼转速低”灯燃亮,左发Ng、Q值迅速下降至0,T4.5温度下降,机组判定左发动机停车,报告指挥员。按照单发处置操纵直升机于15时17分安全着陆。

右发动机关闭前,“右电调故障”、“左发燃压低”、“助力器卡滞”灯燃亮,前舱“前泵”断路器断开,左发燃油压力为0.11MPa。随后,按正常程序关闭右发动机。

3 故障机理分析

3.1 空中停车时的发动机参数判读

图1 直升机燃油系统图

图2 左发停车数据

图3 右发工作数据

对发动机数控系统通电检查,并读取数控系统停车数据和故障数据。对数控系统双发停车数据进行分析,故障现象与飞行员描述基本吻合,以下分段对数据情况进行详细描述：

直升机油箱增压泵关闭前,如图2所示中的第1段,发动机ng转速为94%,T45温度为670℃,发动机燃油压力Pt为0.52MPa,发动机和数控系统工作正常;

直升机油箱增压泵关闭后,如图2所示中的第2段,发动机ng转速为维持在94%左右,T45温度为670℃,发动机燃油压力Pt为0.43MPa,此段时间为8.5秒;

发动机燃油压力Pt从0.43MPa下降到0.09MPa,如图2所示中的第3段,此段时间内前半段发动机工作稳定,后半段发动机状态开始有所下降,此段时间为5.1秒;

之后,发动机熄火停车,如图2所示中的第4段,从此时的数据可以看出,发动机是由于断油导致停车。

从右发的停车数据可以看出,在整个停车过程中,数控系统未出现“右发电调故障”,与飞行员所描述的“右电调故障”不吻合,直升机上指示灯可能存在误指示情况(如图3)。

3.2 外观及通电检查

图7

图8

图9

在保持直升机的状态不变的情况下,对两台发动机的外观进行了检查,外部管路未发现燃油渗漏;数控系统进行通电检查及离位检测,确认电子控制器及泵调节器无异常;燃油附件检查,未见燃油渗漏。对直升机进行检查,发现前油箱燃油增压泵短路故障,由于增压泵自身未设置短路保护,导致直升机电气系统断路器断开,从而引起“右电调故障”、“助力器卡滞”警告灯亮。

3.3 建立故障树

根据发动机停车的机理,建立如下的故障树(如图4)。

3.4 故障定位

对飞参数据进行判读,左发停车时,直升机操纵信号正常,排除了数控系统操纵停车的可能性。对停车前数控系统数据进行判读,未发现报故信号;对数控系统进行离位检查,各传感器及电液伺服阀工作正常;检查泵调节器,传动轴转动灵活,无异常,排除数控系统故障停车的可能性。从发动机停车前数据分析,泵调节器进口燃油压力Pt骤降至常压,供油中断,因此,故障原因应定位于泵调节器燃油进口前的直升机燃油系统故障。

3.5 验证试验

3.5.1 数控系统工作稳定性验证

更换直升机前油箱燃油增压泵,并对左发燃油系统进行排气,左、右发数控系统均加装历史记录仪,对开车全过程进行记录。完成准备工作之后,进行地面开车,前、后燃油箱的增压泵全程处于打开状态,空中慢车状态稳态运行4分钟后,执行正常停车。整个过程发动机和数控系统状态正常。

3.5.2 故障复现

在对前期故障现象进行故障树分析的基础上,为理清故障现象,进行两次故障复现开车。左发动机在空慢状态对燃油增压泵进行了两次关闭开车,均出现停车现象,复现了故障。

3.5.3 发动机自吸油能力试验

3.5.3.1 左右发离心式增压泵互换

针对试验现象,决定交换直升机两台发动机的离心增压泵,进行开车试验,以验证左发离心增压泵是否工作正常。直升机进行了地面试验,两台发动机起动到空慢,关闭前后油箱增压泵,两台发动机均工作正常,故障未复现。

图10

图11 故障的直升机前供油箱(无排气孔)

a)右发共进行了3次关增压泵的操作,空慢两次,地慢一次,右发工作正常。空慢关增压泵各维持110秒和92秒(Ng=88%,T1=35.7℃),燃油压力由0.487MPa掉到0.389MPa;地慢关增压泵各维持26秒(Ng=81%,T1=37℃),燃油压力由0.446MPa掉到0.345MPa,见图5。

b)左发共进行了3次关增压泵的操作,空慢两次,地慢一次,左发工作正常。空慢关增压泵各维持150秒、89秒(Ng=86.7%,T1=32℃),燃油压力由0.473MPa掉到0.38MPa;地慢关增压泵维持26秒(Ng=78.8%,T1=32.7℃),燃油压力由0.423MPa掉到0.326MPa,见图6。

3.5.3.2 关泵后发动机自吸油能力试验

经现场讨论,决定在其它直升机上进行试验验证。在发动机空慢状态下,分别关闭前后油箱增压泵。抽取了五架直升机进行试验,试验结果均正常,未出现关泵停车现象。

3.5.3.3 供油系统“气塞”验证试验及检查

针对开车验证结果从故障机理上进行了深入的分析,初步认为是供油系统内有残留空气,可能导致断油停车。按照分析结果,进一步完善了方案并进行开车验证,结果如下：

将故障直升机左、右发离心增压泵恢复原位后,进行开车验证,未出现停车现象;

模拟故障当天对前油箱进行的维护工作,将前油箱附件安装板拆装后,进行开车试验。

a)左发空慢(Ng=87.2%,T1=36.2℃)进行了关增压泵的操作,故障现象复现。燃油压力由0.483MPa掉到0.387MPa,维持13秒后,燃油压力掉到0.091MPa,维持8秒后断油停车,见图7、图8。

b)1小时后,对直升机进行再次开车验证。空慢(Ng=87.3%,T1=37℃)进行了关增压泵的操作。燃油压力由0.483MPa掉到0.396MPa,维持13.3秒后,燃油压力掉到0.086MPa,维持8秒后,然后出现Pt的波动,维持约27秒后,燃油压力恢复到0.393MPa,稳定约39秒,恢复增压泵,燃油压力恢复正常0.483MPa。第二次关闭增压泵,燃油压力由0.486MPa掉到0.39MPa,工作正常,维持约47秒,恢复增压泵,见图9。

c)第三次开车,左发空慢(Ng=87.1%,T1=39.3℃)进行了3次关增压泵的操作,燃油压力由0.478MPa掉到0.388MPa,分别维持72.7秒、67.8秒和46秒后恢复增压泵,发动机未出现停车现象。

根据验证结果,将该架直升机和另一架直升机的前油箱附件板组件进行互换验证。拆下两架机的前供油箱进行对比检查时,发现故障直升机的前供油箱没有排气孔,而另一架机的前供油箱有排气孔,见图10。

将两架直升机的前供油箱互换后开车验证,故障现象转移,原来正常的直升机出现非正常停车。

4 结论

左发空中停车的原因：此次飞行前,前油箱增压泵进行了拆装工作,由于供油箱无排气孔(漏加工),在完成前增压泵拆装后,加油过程中供油箱内部分残留空气无法排出。飞行中,前燃油增压泵出现短路故障后,左发动机进入自吸供油状态,由于气塞造成供油中断,导致发动机空中停车。而当直升机停放一定时间后,残留空气会通过油箱附件板组件与油箱的安装边处释放出,此时发动机开车,进行关闭油箱增压泵操作并不会导致发动机停车。

[1]发动机培训手册,中航工业航空动力机械研究所,2010-6.

[2]发动机维护手册,中航工业航空动力机械研究所,2010-6.

[3]直升机飞行手册,中国直升机设计研究所,2010-7.

刘龙魁,男,出生年月：1982年1月26日,学历：大学本科,职称：工程师,从事工作：航空发动机外场维护。