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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