航空發動機空中起動失敗故障分析與排除

杜 鑫，張立偉，滕德和

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

起動系統工作由起動機、傳動裝置、主燃燒室點火系統、補氧系統、燃油調節系統等協作完成。起動系統是否正常工作，對發動機能否進入到穩定工作狀態和充分發揮作戰效能等至關重要[1-3]。而空中起動作為起動中的重要一項，空中起動成功與否更是直接影響飛行安全[4]?？罩衅饎涌颇繖z飛是檢驗航空發動機穩定性和安全性的重要科目，是飛機交付用戶前的必檢項目，是保證飛行安全的必需條件[5]。一款發動機產品，只有通過飛行試驗驗證，表明了在不同高度、不同外部環境的條件下，發動機具備控制空中起動的能力，能為飛行員的飛行提供有效的安全保障,因此世界各國的航空發動機工程師都在不遺余力的提高航空發動機的空中起動的能力與可靠性。發動機空中起動受多因素影響，同時涉及飛機、發動機2大系統。發動機的轉速、控制計劃、供油、飛行的高度與速度等均影響其空中起動性能[6-8]。

在發動機實際應用中，雖然空中停車后起動失敗故障發生率較低，但因其危害嚴重性的關系，國內外對空中起動的試驗均有明確的試驗規定和檢測手段[9-11]。國內外同時在發動機空中起動方面的理論研究不斷深入，國外Lexzek通過故障樹分析建立發動機起動的模型，應用模擬與可靠度計算進行分析，國外Zachos 通過數學建模等方式研究渦扇發動機的空中風車起動特性，國內通過建立功率平衡等約束條件下，分析發動機的空中風車特性[12-13]。國內外的空中起動試驗為了增加安全性，多數在雙發平臺開展，成熟后轉為單發試驗，航空工業的孔祥興等專家，針對民用的渦扇發動機，將控制算法應用于其起動設計，并且開展發動機的起動仿真研究。南航的李勝泉等針對發動機起動中容易出現的起動問題，提出了流量調節等方法，并且取得了一定成果[14]。與國外相比，中國航空發動機生產等方面相對落后，很多細小原因均會導致故障的發生，而針對該故障的公開資料有限[15]。

本文針對某型發動機某次空中起動失敗故障，基于發動機空中起動的時序與原理，通過建立可能導致發動機空中起動失敗的因素故障樹，分析定位故障原因，制定排故方案并進行試驗、試飛驗證。

1 某型發動機空中起動失敗現象

某次檢飛中，飛行過程中做空中起動科目時，空中起動失敗，飛機由高空進行俯沖后，再次進行風車起動，起動成功，飛機正常返航。飛行結束后判讀飛參，在進行空中起動檢查時飛行員的操作如圖1所示。

圖1 空中起動操作

從圖中可見，發動機由慢車拉至停車短暫停留后，再次推至慢車，此時發動機執行空中起動程序，起動燈亮20 s，因起動未成功，發動機自動執行慣性起動8 s，仍未成功后起動燈滅，此次空中起動失敗。從飛參判讀得出，飛機的飛行高度和速度均在空中起動包線之內，操作正常，空中起動過程中發動機的轉速、排氣溫度等參數持續下降，需進一步分析失敗原因。

2 某型發動機空中起動時序與原理

空中發動機拉停后，發動機轉速迅速下降，此時風扇、壓氣機以及渦輪均效率非常低[16-17]，空中起動就是在該狀態下進行主燃燒室點火供油，建立起發動機的正常工作狀態。

空中起動的具體邏輯為：有起落架收起信號時，空中將發動機油門桿拉至慢車后，把發動機油門桿收到停車位置，然后再放到慢車位置，發動機執行起動程序，起動燈亮20 s，如果起動不成功，轉速仍小于規定值，起動信號燈再亮8 s，空中起動時序如圖2所示。

圖2 空中起動時序

主燃油泵調節器的功能是按發動機不同工作狀態要求，規律調節供給燃燒室燃油。發動機空中起動時，主燃油泵調節器按以下規律調節供給燃燒室燃油

式中：P1為主燃油總管燃油壓力；P0為燃油壓力；P31為高壓壓氣機后空氣壓力；PH為發動機艙的壓力；K1為恒定系數；K2為減壓系數。

該發動機采用機械液壓系統控制，起動供油量開始時由帶高空修正和感受P31、PH的自動起動器（如圖3 所示）調節。在發動機空中起動時，為修正供往主燃燒室的燃油量，按照PH調節供油量，隨著飛行高度的增加，真空膜盒膨脹，帶動自動起動器內部拉桿轉動，拉伸彈簧打開放油孔，放油量增加，供給主燃燒室的燃油量減少[18-19]，實現空中起動供油調節。

圖3 自動起動器

3 空中起動失敗原因分析

基于以上空中起動的時序與工作原理，分析得出全部影響發動機空中起動的因素，建立故障樹，如圖4所示。

圖4 空中起動失敗故障樹

根據故障樹建立底事件排查方法，見表1。

表1 底事件排查方法

根據9 個底事件對發動機進行地面檢查以及試車試驗。

檢查飛機進行空中起動的時機，首次執行空中起動以及起動失敗后的第2 次起動的飛機速度和高度，根據發動機設計要求，均在發動機空中起動包線之內，飛行表速、高度符合技術要求。

檢查點火裝置，點火裝置結構無異常。進行地面點火試驗，能聽見打火的“啪啪”聲音，確認點火裝置工作無異常，能夠正常點火。

檢查發動機控制時序，進行兩次地面起動試驗，起動供油、起動點火等均按照技術說明書的起動時序進行，無異常。

檢查發動機氧氣系統，補氧工作正常。

檢查發動機主機性能，通過對過往多架次飛參數據判讀以及地面起動性能檢查，發動機起動性能良好，起動時間合格，主機性能正常。

飛行結束后例行檢查發動機的進氣道、發動機轉子等，均無破裂或者轉子卡滯現象，檢查發動機管路以及電纜均無損壞現象，故機械結構無異常。

檢查真空膜盒，真空膜盒工作無異常。

檢查主燃油泵調節器各活門外觀無損傷，工作異常與否需進一步試車檢查。

因現場環境限制，可測油壓數量遠少于試驗臺，地面試驗僅進行地面起動測量起動油壓和模擬高空環境測量起動油壓是否正常2項試驗。

（1）地面起動測量起動油壓

第1 次地面起動試驗，發動機起動成功，發動機起動按規定時序點火，起動時間符合技術要求，但測量起動油壓偏高，超出起動油壓標準，該型發動機根據早期廠內試驗結果，起動油壓偏高，發動機空中起動成功率降低，故需對起動油壓進行調整。

第2 次地面起動試驗，調整可改變起動油壓的調整釘后試驗，試驗結果得出起動油壓相比第一次試驗無變化，說明主燃油泵調節器的起動回油活門工作異常，在起動過程中調整回油量會出現異常，尤其空中起動過程中，真空膜盒通過感受壓力變化，調整回油量，如若起動回油活門工作存在異常，空中起動會更加困難，故需要對其進行檢查或者更換。

現場根據實際排故需要，進行了該發動機的主燃油泵調節器的更換，更換后待試飛驗證。

（2）模擬高空環境測量起動油壓

更換主燃油泵調節器后，模擬發動機在高空飛行下的起動環境，利用地面設備對發動機進行抽真空假起動，在不同抽真空效果下，檢查發動機的起動油壓是否正常。進行多次假起動測量，測量數據見表2。

表2 模擬高空環境數據

通過模擬高空試驗，可發現更換主燃油泵調節器后，發動機在各高空環境下，起動油壓穩定，符合要求。

4 試飛驗證

該飛機進行第2 次檢飛，檢驗空中起動科目，風車起動一次性成功，空中起動參數正常，故障排除，確認事件9 主燃油泵調節器起動回油活門故障是導致故障發生的原因。

5 結論

（1）針對單一故障可采用建立故障樹的方法進行排查，識別全部可能導致故障的因素，逐一排查后定位導致故障的因素，快速排除故障。

（2）對返廠的主燃油泵調節器分解檢查發現，在其起動回油活門處存在非金屬纖維物污染，導致起動回油活門在工作中不靈活，造成空中起動供油量異常，導致發動機空中起動失敗。

為減少該類型故障再次發生，建議承制廠在后續主燃油泵調節器生產及裝配過程中優化零件清洗工藝。