某型航空发动机起动系统故障研究

王永华，孙 涛，张 赟，王 琳

(海军航空大学 航空基础学院，山东 烟台 264001)

某型航空发动机作为直升机的动力装置，在飞行训练和使用过程中频繁发生起动系统故障，这些故障造成了起飞任务不成功、停飞等问题，对飞行安全产生了重要影响，极大地影响了飞行训练计划。由于发动机起动不成功故障原因多，机务人员依据飞参测量的外场监控参数主要有燃气发生器转速、排气温度、滑油压力、滑油温度等，这些参数难以与发动机起动系统建立直接的故障关联，而对于与起动系统故障有关的燃油温度、燃油压力等参数均不在发动机上测量，显然飞参参数不能直接反映发动机起动不成功的故障原因，无法确定起动系统具体故障部件，因此机务人员难以通过日常维护和使用飞参监控进行发动机起动系统的排故工作。国内对发动机故障的研究大多依据飞参监控参数建立故障模型，对气路部件故障研究居多，对于飞参监控参数与燃油温度、燃油压差等参数的关联关系研究较少[1-2]。

本文通过起动系统故障树分析，建立了某型发动机起动系统不成功排故流程，探索了起动不成功故障与监控参数关联性关系。以燃气发生器转速上升而排气温度不上升的发动机起动不成功故障作为典型故障进行分析，研究结果表明燃油压差参数对起动系统故障分析和排除具有重要指导作用。

1 起动系统故障统计分析

某型发动机起动系统的作用是使飞机在地面和空中均能迅速起动。起动系统包括起动点火供油系统、起动点火系统和起动电气系统三部分，主要包括起动电磁活门、起动放油活门、起动喷嘴、高能点火器、高能电嘴等部件。当发动机起动时，油门杆、主燃油开关位于起动位置后，按下起动按钮，起动机、点火组件和起动电磁活门接通电源。起动机带动燃气发生器转子，燃油泵出口压力增大，当燃油压力增加到0.12 MPa时，起动放油活门关闭，停止放油。增压燃油经起动电磁活门、起动喷嘴成雾状喷入燃烧室。同时，高能点火器工作，半导体电嘴产生电火花，点燃油气混合气，起动机停止工作。起动系统工作原理示意图如图1所示。

图1 起动系统工作原理示意图

统计分析使用该型发动机的三个单位在2016—2019年发生493项发动机故障事件，对其中发生的90起地面故障事件进行梳理分析，发现其中起动系统相关故障76起，占地面故障事件的84%。在起动系统故障现象中，发动机起动不成功故障达63起，占起动系统所有故障事件的82.9%，发动机起动系统其他故障数量及比例见表1。

表1 起动系统故障现象统计表

通过对63起发动机起动不成功故障事件分析，可以看出燃气发生器转速上升而排气温度不上升的发动机起动不成功故障事件发生次数最多，达41次。这也与某型发动机技术说明书中对起动系统关于起动机和燃气发生器涡轮共同带动燃气发生器转子加速阶段多发生起动故障的论述相吻合。因此，本文将燃气发生器转速Ng上升而排气温度T4不上升的发动机起动不成功故障作为起动系统典型故障进行分析。

2 典型故障分析

2.1 起动不成功故障分析

发动机起动不成功故障主要可能由发动机起动系统故障导致，但是当燃油系统故障时(如燃油不足)也会导致起动不成功，但这类故障情况在飞机预先机务准备通电检查时外场维护人员大多能发现，因此本文分析发动机起动不成功故障，忽略由于燃油系统故障导致的起动不成功原因,只对起动系统本身导致故障原因展开详细分析。某型发动机起动系统包括起动点火供油系统、起动点火系统和起动电气系统三个子系统。每个子系统故障均有可能造成该典型故障的产生。分别对三个子系统进行分析，在建立故障树时不考虑由于人为因素导致的故障，如未将油门杆放于起动位置等。当燃气发生器转速上升时，可以得出起动机正常带转。排气温度不上升的故障原因为起动过程中未正常燃烧，未正常燃烧可进一步分为未正常点火与未正常供油。结合使用中的排故实际情况，最后对所有可能造成故障的原因进行分析可以建立起动不成功的故障树，如图2所示。

图2 起动不成功故障树

2.2 典型排故流程

根据典型故障建立的故障树，进行故障排除，具体流程步骤如下。

(1) 确定起动点火系统是否有故障

听有无点火声音进行检查。若无点火声音，则按维护手册检查高能点火器和两个半导体电嘴是否正常工作。若检查或更换部件仍无法正常点火，则对电气系统中高能点火器及两个半导体电嘴的供电线路进行排故。

(2) 确定是否正常供油

若检查起动点火系统时有点火声音，则检查涡轮机匣漏油活门是否有燃油排出。若无燃油排出，则检查供油油压是否正常。若供油油压低则检查燃油系统是否正常工作。若供油压力正常，则对起动电磁活门及喷嘴进行排故。

(3) 确定起动点火供油系统是否故障

若有燃油排出，则供油正常，则对起动点火供油系统中的防止再喷油开关、起动活门或喷嘴进行检查。排故流程图如图3所示。

图3 起动不成功排故流程图

2.3 故障处置

统计分析所有故障事件，可以看出由起动电磁活门故障导致的发动机起动不成功故障事件达36起。建议起动电磁活门生产厂家对起动电磁活门进行分解分析与工艺优化，提高产品质量。在36起起动电磁活门故障事件中，电磁活门内部元件故障较为分散，包括活门卡滞、微动开关故障、弹簧不复位、膜片故障等，因此厂家在对起动电磁活门进行优化设计时，需要着重考虑整体上的设计优化，以提高电磁活门的使用寿命。

在设计优化落实前，由于起动电磁活门拆卸较为复杂(起动电磁活门需要同放油活门一同卸下)，维护检查所需步骤与工序较多，因此若安排对电磁活门的定期维护，会对机务人员工作造成额外负担。因此对电磁活门的维护仍然按照维护规程进行，但在进行排故时可先判断是否为起动电磁活门故障(更换电磁活门再进行起动)，以提高排故效率[3-4]。

3 故障与监控参数分析研究

根据图2的故障树，结合使用过程中实际发生的排故结果对所有导致发动机起动不成功故障的故障部件进行统计分析，统计结果见表2。

表2 发动机起动不成功故障部件统计表

由表2可知，发动机起动不成功故障多由起动电磁活门故障导致，占该故障的57.1%。但目前外场现有监控参数无法在起动不成功时判断出起动电磁活门是否有故障，一般采用对高能点火器排故后间接反映起动电磁活门是否故障。这种排故方式效率较低，费时费力，因此分析是否可以通过增加其他监控参数对起动电磁活门的工作状态进行监控和故障判断。通过分析确立了监测燃油压差参数可以准确判断出起动不成功故障的具体发生部位和相关部件。

3.1 发动机起动系统监控参数研究

目前该型发动机与燃油系统有关的监控参数有燃油温度及燃油压力，难以准确判断出发动机起动不成功故障的故障部件。通过分析起动点火供油系统原理可在起动供油路上测量压力P1与起动电磁活门后起动喷嘴前压力P2，安装燃油压差表以监测ΔP=P1-P2，以对起动系统故障进行监控，具体测量点位置如图4所示。如果在该型发动机起动系统上增设燃油压差监控参数，可以通过该参数最大值、最小值的偏离量以及参数的变化规律，对起动系统不成功故障进行准确排故分析和故障部件定位。

图4 起动点火供油系统

3.2 典型故障监控参数变化规律

正常起动时，根据起动供油原理，发动机起动时燃油经增压泵、燃油调节器进入起动点火供油系统。此时P1从0 MPa开始持续上升至稳定状态的某一油压。当P1达到一定值(设为Pmax)时，起动放油活门关闭，燃油经过起动电磁活门进入放油喷嘴，此时P2从0 MPa开始上升直至与P1相等(因管路与活门存在流阻，P2会始终略小于P1，设稳定状态下P1-P2=Pmin)。因此，当发动机正常工作时，燃油压差数ΔP从0 MPa升至Pmax后再由Pmax降至Pmin，ΔP随时间变化如图5所示。

图5 正常工作时ΔP变化情况

在相同的起动工作时间内通过监测压差最大值的偏离量，可以判断发动机起动放油活门是否发生故障。当起动放油活门故障时压差变化ΔP如图6所示。

图6 起动放油活门故障时ΔP变化情况

当在相同的起动工作时间内。在供油压力P1不变的情况下，随着起动时间的增长，起动喷嘴前压力P2会随着起动电磁活门和防止喷油开关卡滞而偏小，此时导致燃油压差ΔP偏高。当起动电磁活门和防止喷油开关卡滞故障时压差ΔP变化如图7所示。

图7 起动电磁活门等故障时ΔP变化情况

在供油压力P1不变的情况下，随着起动时间的增长，如果起动喷嘴堵塞会导致起动喷嘴前压力P2增大，此时导致燃油压差ΔP偏低。当起动喷嘴堵塞时压差ΔP变化如图7所示。在起动过程中，如果供油压力过低，则会导致燃油压差ΔP上升缓慢，参数变化如图8所示。

图8 供油压力低时ΔP变化情况

通过上述分析，起动不成功典型故障通过监控燃油压差参数可以对部件进行准确定位，典型部件故障和参数变化如表3所示。

表3 发动机起动不成功故障与监控参数关联

4 总结

通过对该型航空发动机起动系统故障的梳理，分析了起动不成功故障的原因，建立了某型发动机起动系统不成功排故流程，对导致发动机起动不成功故障的易发故障件——起动电磁活门进行重点研究[5-6]，探索了起动不成功故障与监控参数关联关系。通过分析，确立了监测燃油压差参数可以准确判断出起动不成功故障的具体发生部位和相关部件。以燃气发生器转速Ng上升而排气温度T4不上升的发动机起动不成功故障作为典型故障进行分析，研究结果表明燃油压差参数对起动系统故障分析和排除具有重要指导作用。