航空发动机Ps3管路结冰问题分析研究

尹吉龙 廉征环

摘 要：本文对航空发动机Ps3管路结冰问题进行了分析研究，总结了发动机起动前管路结冰的处置措施，同时提出了发动机运行过程中Ps3管路结冰的解决方案，对后续发动机研制具有一定的指导意义。

关键词：航空发动机;管路结冰;软件识别;飞行安全。

1 引言

作为起动、加速油控制变量已经广泛地应用于发动机控制行业， 与主燃烧室的油气比存在正比关系，对涡轮进口温度

可以起到很好的控制作用。这种供油方式比较依赖于油量的控制和计量精度，在发动机控制系统油量控制和计量精度不能满足要求时，实际供油量偏离设计要求，使发动机在起动、加速过程超出稳定工作范围，出现超温、喘振、起动不成功等异常状态，从而影响发动机起动和加速性能。因此，发动机Ps3参数的测试准确性对发动机起动、加减速控制至关重要。

2 问题描述

航空发动机通过外部管路将高压压气机后静压Ps3引至压力传感器盒，压力传感器盒将压力值转换为电压值传输给数字电子控制器，控制器根据标定的压力-电压曲线计算压力值。飞机在寒冷天气下长时间停场或经过过雨/雪区飞行后，发动机Ps3测试管路中会存留部分水汽，如果水汽不能及时排出，遇到污染物、砂尘等细小固体颗粒后会凝结成冰晶，冰晶长时间聚集后形成冰块堵塞在管路中，数字电子控制器无法准确测量Ps3压力，测量值与实际值出现偏差，发动机控制系统将不能按照需求提供准确的燃油供给，主要危害为：

1）起动时发动机起动失败;

2）发动机运行期间因供油不足而无法加速至目标转速，甚至造成停车。

民航发动机发布的故障通报中，上述两种情况时有发生。发动机起动失败造成飞行任务延迟，给航空公司带来巨大的经济损失;发动机无法加速到目标转速导致起飞中断不但会延误飞行任务，严重时可能会出现机毁人亡的灾难性后果。

3 解决措施

3.1 起动前结冰

发动机在起动前出现管路结冰情况时，由于此时发动机未运转，Ps3压力等于当前的大气压力，通常情况下Ps3管路并不会完全堵死，数字电子控制器仍能采集到当前的压力值，因此无法通过Ps3采集值判断管路是否结冰。为避免因管路结冰导致发动机起动失败，航空发动机公司通常在服务通告中要求沈阳、哈尔滨等中国北方机场，在冬季航行前对发动机进行暖机，即用热风枪对相应管路进行加热。为了避免这种频繁的维修负担，航空公司提供了一种临时的措施，即定期使用抽真空机对压力传感器盒执行水汽去除，对Ps3管路用氮气或干燥空气吹净其中的残留水汽。

3.2 运行过程结冰

3.2.1 问题描述

发动机运行后，在飞机穿越雨/雪区域后，发动机吸入的雨/雪经过压气机后变为水汽进入Ps3管路，由于Ps3采集的是发动机静压，水汽在管路中基本上处于非流动状态，飞机高度变化后管路内部的水汽会逐步凝结成冰晶最终形成冰块，造成Ps3管路堵塞，此時发动机处于工作状态，无法采用物理方法除冰，因此需要数字电子控制系统对Ps3测量值进行故障检测和故障隔离，采用Ps3模型值参与控制，保证发动机稳定工作。

3.2.2 机理分析

Ps3是发动机高压压气机后的压力，发动机运行时Ps3与发动机高压转速相关，发动机稳定工作时，油门杆、转速、Ps3等参数保持相对稳定或相同的变化趋势，当Ps3管路出现结冰堵塞情况时，Ps3压力会出现异常下掉，通过监测发动机转速、Ps3参数的变化趋势，可判断是否出现Ps3管路结冰。

a）发动机稳定状态

发动机稳态条件下，油门杆保持不变，发动机状态、参数均稳定，正常情况下发动机Ps3参数保持不变，如果此时控制系统监测到Ps3出现降低的趋势，偏离正常的Ps3状态，表明Ps3信号采集异常，判断Ps3管路可能存在结冰堵塞现象。

b）转速上升过程

发动机在闭环控制阶段，缓慢上推油门杆调节发动机状态时，发动机各状态参数均应上升，如果此时控制系统监测到Ps3上升缓慢或保持不变甚至降低，Ps3的变化率低于油门杆、转速等参数变化率，表明Ps3采集值与发动机实际状态不一致，判断Ps3管路可能出现结冰现象。

c）加速状态

快推油门杆进入加速状态时，发动机各状态参数均快速上升，Ps3应跟随发动机高压转速快速上升，如果此时控制系统监测到Ps3上升缓慢或保持不变甚至降低，说明此时Ps3采集值偏离了发动机工作状态，判断Ps3管路可能存在结冰堵塞现象。

3.2.3 逻辑设计约束

通过软件进行Ps3管路结冰判断时，需对发动机有足够的认知，充分识别各种工况下Ps3的变化情况，避免出现误判Ps3管路结冰的情况，

1）发动机引气

发动机引气时，Ps3同样会出现短时下降的现象，与管路结冰的表现基本相似，如果在结冰判据中不加入其他判断条件，很大可能会出现误判，导致控制系统将正常的Ps3信号隔离，减少了控制余度，降低了发动机安全性。为解决该问题，可通过引入发动机引气信号来识别发动机处于引气切换阶段，此时不进行管路结冰判断，避免出现误判。

2）发动机喘振

发动机喘振时，Ps3会出现短时快速下降现象，可能会误触发结冰判据，通过分析Ps3管路结冰与喘振时的Ps3数据可以发现，喘振时Ps3是急速变化的，在单个采集周期内Ps3降低20%～30%，而管路结冰时Ps3变化是缓慢的，单个采集周期内变化3%～5%。在详细设计判断逻辑时，对变化速率进行详细分析后选取最优判据。

3）发动机状态确认

发动机状态不同，Ps3管路结冰后的表现不同，如发动机减速时Ps3下掉是发动机正常工作特性，此时判断Ps3管路结冰是不合理的，因此必须准确识别发动机当前处于稳态还是加减速状态，才能进一步根据发动机状态判断Ps3管路是否出现结冰现象。

3.2.4 结冰告警

运行过程中检测出结冰后，应记录告警信息，在飞机着陆后，提示地勤人员进行除冰操作。

4 结论

针对Ps3管路结冰问题，发动机起动前可通过使用热风枪加热Ps3管路的方法进行管路除冰，保证发动机能正常起动;发动机运转过程时，控制系统在充分识别发动机各种工况下Ps3变化情况的基础上，通过逻辑设计将管路结冰后的异常Ps3信号隔离，使用计算的Ps3模型值参与发动机控制，保证发动机正常运行。

参考文献

[1]姚华.航空发动机全权限数字电子控制系统[M].北京：航空工业出版社.99-100.

[2]廉筱纯，吴虎.航空发动机原理[M].西安：西北工业大学出版社.315- 324