航空發動機Ps3管路結冰問題分析研究

尹吉龍 廉征環

摘 要：本文對航空發動機Ps3管路結冰問題進行了分析研究，總結了發動機起動前管路結冰的處置措施，同時提出了發動機運行過程中Ps3管路結冰的解決方案，對后續發動機研制具有一定的指導意義。

關鍵詞：航空發動機;管路結冰;軟件識別;飛行安全。

1 引言

作為起動、加速油控制變量已經廣泛地應用于發動機控制行業， 與主燃燒室的油氣比存在正比關系，對渦輪進口溫度

可以起到很好的控制作用。這種供油方式比較依賴于油量的控制和計量精度，在發動機控制系統油量控制和計量精度不能滿足要求時，實際供油量偏離設計要求，使發動機在起動、加速過程超出穩定工作范圍，出現超溫、喘振、起動不成功等異常狀態，從而影響發動機起動和加速性能。因此，發動機Ps3參數的測試準確性對發動機起動、加減速控制至關重要。

2 問題描述

航空發動機通過外部管路將高壓壓氣機后靜壓Ps3引至壓力傳感器盒，壓力傳感器盒將壓力值轉換為電壓值傳輸給數字電子控制器，控制器根據標定的壓力-電壓曲線計算壓力值。飛機在寒冷天氣下長時間停場或經過過雨/雪區飛行后，發動機Ps3測試管路中會存留部分水汽，如果水汽不能及時排出，遇到污染物、砂塵等細小固體顆粒后會凝結成冰晶，冰晶長時間聚集后形成冰塊堵塞在管路中，數字電子控制器無法準確測量Ps3壓力，測量值與實際值出現偏差，發動機控制系統將不能按照需求提供準確的燃油供給，主要危害為：

1）起動時發動機起動失敗;

2）發動機運行期間因供油不足而無法加速至目標轉速，甚至造成停車。

民航發動機發布的故障通報中，上述兩種情況時有發生。發動機起動失敗造成飛行任務延遲，給航空公司帶來巨大的經濟損失;發動機無法加速到目標轉速導致起飛中斷不但會延誤飛行任務，嚴重時可能會出現機毀人亡的災難性后果。

3 解決措施

3.1 起動前結冰

發動機在起動前出現管路結冰情況時，由于此時發動機未運轉，Ps3壓力等于當前的大氣壓力，通常情況下Ps3管路并不會完全堵死，數字電子控制器仍能采集到當前的壓力值，因此無法通過Ps3采集值判斷管路是否結冰。為避免因管路結冰導致發動機起動失敗，航空發動機公司通常在服務通告中要求沈陽、哈爾濱等中國北方機場，在冬季航行前對發動機進行暖機，即用熱風槍對相應管路進行加熱。為了避免這種頻繁的維修負擔，航空公司提供了一種臨時的措施，即定期使用抽真空機對壓力傳感器盒執行水汽去除，對Ps3管路用氮氣或干燥空氣吹凈其中的殘留水汽。

3.2 運行過程結冰

3.2.1 問題描述

發動機運行后，在飛機穿越雨/雪區域后，發動機吸入的雨/雪經過壓氣機后變為水汽進入Ps3管路，由于Ps3采集的是發動機靜壓，水汽在管路中基本上處于非流動狀態，飛機高度變化后管路內部的水汽會逐步凝結成冰晶最終形成冰塊，造成Ps3管路堵塞，此時發動機處于工作狀態，無法采用物理方法除冰，因此需要數字電子控制系統對Ps3測量值進行故障檢測和故障隔離，采用Ps3模型值參與控制，保證發動機穩定工作。

3.2.2 機理分析

Ps3是發動機高壓壓氣機后的壓力，發動機運行時Ps3與發動機高壓轉速相關，發動機穩定工作時，油門桿、轉速、Ps3等參數保持相對穩定或相同的變化趨勢，當Ps3管路出現結冰堵塞情況時，Ps3壓力會出現異常下掉，通過監測發動機轉速、Ps3參數的變化趨勢，可判斷是否出現Ps3管路結冰。

a）發動機穩定狀態

發動機穩態條件下，油門桿保持不變，發動機狀態、參數均穩定，正常情況下發動機Ps3參數保持不變，如果此時控制系統監測到Ps3出現降低的趨勢，偏離正常的Ps3狀態，表明Ps3信號采集異常，判斷Ps3管路可能存在結冰堵塞現象。

b）轉速上升過程

發動機在閉環控制階段，緩慢上推油門桿調節發動機狀態時，發動機各狀態參數均應上升，如果此時控制系統監測到Ps3上升緩慢或保持不變甚至降低，Ps3的變化率低于油門桿、轉速等參數變化率，表明Ps3采集值與發動機實際狀態不一致，判斷Ps3管路可能出現結冰現象。

c）加速狀態

快推油門桿進入加速狀態時，發動機各狀態參數均快速上升，Ps3應跟隨發動機高壓轉速快速上升，如果此時控制系統監測到Ps3上升緩慢或保持不變甚至降低，說明此時Ps3采集值偏離了發動機工作狀態，判斷Ps3管路可能存在結冰堵塞現象。

3.2.3 邏輯設計約束

通過軟件進行Ps3管路結冰判斷時，需對發動機有足夠的認知，充分識別各種工況下Ps3的變化情況，避免出現誤判Ps3管路結冰的情況，

1）發動機引氣

發動機引氣時，Ps3同樣會出現短時下降的現象，與管路結冰的表現基本相似，如果在結冰判據中不加入其他判斷條件，很大可能會出現誤判，導致控制系統將正常的Ps3信號隔離，減少了控制余度，降低了發動機安全性。為解決該問題，可通過引入發動機引氣信號來識別發動機處于引氣切換階段，此時不進行管路結冰判斷，避免出現誤判。

2）發動機喘振

發動機喘振時，Ps3會出現短時快速下降現象，可能會誤觸發結冰判據，通過分析Ps3管路結冰與喘振時的Ps3數據可以發現，喘振時Ps3是急速變化的，在單個采集周期內Ps3降低20%～30%，而管路結冰時Ps3變化是緩慢的，單個采集周期內變化3%～5%。在詳細設計判斷邏輯時，對變化速率進行詳細分析后選取最優判據。

3）發動機狀態確認

發動機狀態不同，Ps3管路結冰后的表現不同，如發動機減速時Ps3下掉是發動機正常工作特性，此時判斷Ps3管路結冰是不合理的，因此必須準確識別發動機當前處于穩態還是加減速狀態，才能進一步根據發動機狀態判斷Ps3管路是否出現結冰現象。

3.2.4 結冰告警

運行過程中檢測出結冰后，應記錄告警信息，在飛機著陸后，提示地勤人員進行除冰操作。

4 結論

針對Ps3管路結冰問題，發動機起動前可通過使用熱風槍加熱Ps3管路的方法進行管路除冰，保證發動機能正常起動;發動機運轉過程時，控制系統在充分識別發動機各種工況下Ps3變化情況的基礎上，通過邏輯設計將管路結冰后的異常Ps3信號隔離，使用計算的Ps3模型值參與發動機控制，保證發動機正常運行。

參考文獻

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