某型飞机双发参数异常波动故障研究

摘要：某型飞机运营过程中出现双发参数周期性异常波动故障，更换了多个发动机部件仍未得到解决。通过分析发动机供油控制系统和引气系统工作原理及相互关系，确定了故障产生的根源，对发动机供油控制系统和引气系统中各部件对故障产生的影响进行梳理和定位分析，确定了故障排查思路，提出了故障处理措施和方法，为后续类似发动机故障的分析提供参考。

关键词：发动机;燃油控制系统;引气系统;高压引气活门

0 引言

随着某型拥有自主知识产权的国产涡桨飞机在国内外多条航线上的投入运营，逐渐出现了一些典型故障，为用户带来了一定的运营压力和经济损失。

典型故障如双发参数异常波动故障。飞机在巡航和下降阶段，左右发动机所有参数均出现周期性异常波动现象，机组关闭空调系统引气后发动机参数恢复正常。针对此情况，更换了发动机电子控制装置、燃油调节器、燃油泵、P2.5单向活门、放气活门和伺服机构等多个零部件，并清洁了发动机所有电缆插头，但故障仍未得到解决。

1 系统原理分析

从用户反馈的故障现象来看，双发所有参数均出现周期性异常波动现象，显然不符合适航规定和设计需求。适航法规明确要求，对于具有两台及以上发动机的飞机，发动机各参数指示应相互独立、互不影响。因此，初步判定这是一起双发参数同时异常波动的偶发故障。

分析故障飞机的飞参数据，发现发动机参数波动具有一定的规律性，双发参数按照下列先后次序出现周期性波动：燃油流量、高压转速、低压转速、排气温度、扭矩和螺旋槳转速，这与发动机的控制逻辑基本吻合。

该型飞机所配套的发动机为典型的三转子涡轮发动机。第一组转动部件为低压压气机和低压涡轮，低压涡轮驱动低压压气机转动;第二组转动部件为高压压气机和高压涡轮，高压涡轮驱动高压压气机转动;第三组转动部件为两级动力涡轮和减速齿轮箱，两级动力涡轮驱动减速齿轮箱带动螺旋桨转动。三组转动部件之间相互独立，转动速度和方向各不相同，便于机组独立调控螺旋桨转速，以满足整个飞行包线内不同飞行阶段的功率需求。

发动机控制逻辑如图1所示。从图1中可以得出，影响发动机参数波动的因素主要为发动机供油控制系统和发动机供气系统。

1.1 发动机供油控制系统

发动机供油控制系统主要由发动机电子控制装置、燃油加热器、低压燃油滤、燃油泵、高压燃油滤、燃油调节器、燃油流量计、燃油分配管路和燃油喷嘴组成。

来自飞机燃油箱的燃油经飞机引射泵、低压燃油滤、燃油加热器之后流入燃油泵，经燃油泵增压后进入燃油调节器。流出燃油调节器的燃油，一路返回飞机油箱进入引射泵，向其提供动流;另一路流经燃油流量计、燃油分配管路和燃油喷嘴之后进入燃烧室。

在发动机供油控制系统中，最核心的部件为燃油调节器，该部件主要通过调节进入其内部真空膜盒的供气压力来改变进入燃烧室的供油量大小，以满足飞机整个飞行包线内不同阶段的供油需求。燃油调节器的控制方式有两种，一种为自动控制模式，主要通过电子控制装置自动控制燃油调节器内部步进电机的位置，调节进入真空膜盒的供气量大小，实现对发动机供油量的控制;另一种为机械式控制模式，通过推拉功率杆调控燃油调节器内部控制杆上作用的弹簧力的大小，进而调节进入真空膜盒的供气量大小，改变发动机供油量大小。

在自动控制模式中，当功率杆角度位于40˚以上位置时，电子控制装置进入功率控制模式。

在功率控制模式中，电子控制装置将功率理论值与实际值进行对比，并转换为高压转速理论值与实际值的对比，依据对比结果向燃油调节器输出控制信号，调节发动机供油量，达到理论功率需求。当高压转速实际值小于理论值时，增加发动机供油量;当高压转速实际值大于理论值时，减小发动机供油量，以满足发动机功率需求。

1.2 发动机供气系统

发动机供气系统由低压压气机和高压压气机组成。

进入发动机进气道的空气经低压压气机增压和增速后流入低压扩散管，进一步增加空气压力。从低压扩散管流出的压缩空气经高压压气机进一步增压和增速后进入发动机环形燃烧室，提供燃烧所需的空气。

在发动机供气系统管路上分布着P2.5低压引气口和P3高压引气口，用于向飞机空调系统、除冰系统和液压系统提供气源。发动机供气系统原理图如图2所示。

发动机低压引气口安装着一个P2.5单向活门，高压引气口安装着一个高压温度开关和一个高压引气活门。

高压温度开关安装在高压引气活门的上游。当引气温度超过274℃±2.8℃时，高压温度开关和高压引气活门将关闭。当引气温度下降时，高压引气活门会自动打开。

高压引气活门属于气动电磁活门，在通电时根据其出口压力规定值自动控制高压引气的接通或关断。高压引气活门出口压力规定值按公式（P=1.36Pa+276kPa）计算，随大气压力Pa的变化而变化。当高压引气压力超过规定值时，活门自动关闭，引气系统从低压引气口引气;当高压引气压力低于规定值时，活门自动打开，恢复高压引气。

正常情况下，空调系统从发动机低压引气口引气。当发动机功率较小、低压引气压力不足时，高压引气活门自动打开，而低压引气口处的P2.5单向活门在高压引气的作用下自动关闭，系统自动转换到高压引气。

2 故障定位分析

基于上述系统工作原理，对燃油系统和供气系统中影响发动机参数波动的零组件进行定位分析。

2.1 供油控制系统故障定位分析

依据发动机供油控制系统原理以及发动机控制逻辑图，结合用户反馈的故障信息，分析认为影响发动机所有参数波动的最根本原因是发动机供油量波动。而发动机供油控制系统中能够影响发动机供油量波动的部件主要有：发动机电子控制装置;燃油调节器;燃油调节器的供气输入管路。因此，对于发动机供油控制系统，故障隔离应着重对上述三个方面进行排查。

2.2 供气系统故障定位分析

1）压气机

依据供气系统工作原理，低压压气机和高压压气机主要是对空气进行增压和增速，且它们主要由对应的低压压气机和高压压气机驱动，因此自身不会引发发动机参数波动。

2）引气系统

左右发动机所有参数周期性异常波动现象出现在飞机巡航和下降阶段，此时飞机空调系统引气应由发动机低压引气口提供。低压引气量的大小仅受P2.5单向活门控制。当P2.5单向活门卡滞在关闭位置时，低功率状态下飞机引气系统将不受影响，但在高功率状态下飞机空调系统将无气可用;当P2.5单向活门卡滞在打开位置时，低功率状态下会造成高压引气从低压引气口吸入发动机，以及发动机排气温度升高，甚至出现发动机喘振现象，而在高功率下飞机引气系统将不受影响。从用户反馈信息来看，故障状态下飞机空调系统引气正常，且低功率状态下未出现异常现象，因此，排除低压引气口P2.5单向活门对发动机参数波动的影響。

如果高压引气活门处于打开状态，则会造成低压引气口的P2.5单向活门处于关闭位置，即高功率状态下从高压引气口引气，影响进入燃烧室的供气量，降低发动机燃烧效率，进而导致发动机高压转速降低。当发动机电子控制装置探测到高压转速降低时，则会自动控制燃油调节器增大供油量，使发动机功率达到理论值;当高压转速达到理论值之后，则会自动降低供油量，最终使发动机功率实际值与理论值一致。发动机供油量的反复调节就会出现发动机所有参数周期性波动现象，因此，发动机高压引气泄漏也是造成发动机所有参数波动的原因之一。

发动机高压引气泄漏的可能原因有两种：一种原因是高压引气活门自身故障，始终处于打开状态;另一种原因为高压引气活门出口之前的高压引气管路出现漏气现象，使高压引气活门出口之前的压力降低，甚至低于高压引气活门出口压力规定值，造成高压引气活门始终处于打开状态。

从图2可以看出，影响高压引气泄漏的零组件包括：a.发动机高压引气口与高压引气活门之间的管路;b.液压油箱增压管路;c.高压引气活门。因此，对于发动机供气系统来说，应从上述三个方面排查故障件。

3 故障排除

由于左右发动机供油控制系统和发动机供气系统相互独立、互不影响，故分别对左右发动机供油控制系统和发动机供气系统进行排查。

由于在更换发动机电子控制装置和燃油调节器之后故障依旧，可以排除发动机供油控制系统造成发动机参数波动的可能性，故障锁定在发动机供气系统。

3.1 左发故障处理

检查左侧发动机高压引气口与高压引气活门之间的高压引气管路，未发现高压引气泄漏痕迹。

检查左侧发动机高压引气管路上通向液压油箱的引气管路，发现引气管路上管接头位置存在裂纹，裂纹周围有明显的漏气痕迹，这与理论分析基本吻合。

更换管路故障件后发动机参数恢复正常。

3.2 右发故障处理

检查右侧发动机高压引气口与高压引气活门之间的高压引气管路和高压引气管路上通向液压油箱的引气管路，未发现高压引气泄漏痕迹。因此，故障锁定高压引气活门故障。

更换右发高压引气活门，但故障仍然存在，再次更换高压引气活门之后，发动机参数恢复正常。

4 结论

双发所有参数同时周期性异常波动实属罕见，加上备件修理质量不过关，给用户的维护工作带来了一定的困难。本文通过对发动机供油控制系统和发动机引气系统工作原理进行分析，梳理出了故障处理思路和解决方法，可为后续类似发动机故障的处理提供理论支持和经验借鉴。

作者简介

杨百平，高级工程师，主要研究方向为民用飞机动力装置系统设计。