引言

民用航空發(fā)動機在試車及運營階段均可能發(fā)生發(fā)動機點火失敗故障,點火成功與否直接影響發(fā)動機的試車任務(wù)或者運營安全性及可靠度。點火失敗故障是一個發(fā)動機整機級故障,導致該故障的原因眾多,燃油系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、電源、發(fā)動機本體等均可能是潛在故障單元,其中點火系統(tǒng)故障是一個發(fā)生頻率較高的原因,尤其是投入使用時間較長的發(fā)動機。點火系統(tǒng)通常被作為ME1(最低設(shè)備清單)中的項目,及時準確了解每套點火系統(tǒng)的狀態(tài),對于支撐簽派放行,或者支撐維修以恢復起動性能,均有重要意義。

我國傳統(tǒng)的檢測方法并不能直接檢測出點火系統(tǒng)的故障,僅能檢測出發(fā)動機點火失敗故障,然后由維修人員人工逐個檢查可能導致點火失敗的原因,進而判斷點火系統(tǒng)是否故障,較國外民用航空發(fā)動機可以直接檢測出點火系統(tǒng)故障,還有明顯的提升空間。如圖1所示,某型民用飛機左發(fā)檢測到左點火系統(tǒng)故障后顯示"IGN1(IGN1)IsFAI1ED"。

1點火系統(tǒng)介紹

發(fā)動機點火系統(tǒng)的功能是提供油氣燃燒所必要的電火花,主要由點火激勵器、點火電纜和點火電嘴組成,如圖2所示,由EEC控制點火激勵器提供高壓電,高壓電傳輸?shù)近c火電嘴后,擊穿空氣產(chǎn)生電火花。民用航空發(fā)動機通常有兩套相同的點火系統(tǒng),并根據(jù)點火模式的不同,選擇采用單套或雙套系統(tǒng)執(zhí)行點火功能。

點火系統(tǒng)常出現(xiàn)的故障包括點火激勵器故障、點火激勵器與點火電纜連接處燒蝕或污染、點火電嘴與點火電纜連接處腐蝕或損傷、點火電嘴燒蝕(圖3)等,上述故障均有可能導致點火電嘴無法提供預期的電火花,進而造成點火失敗。

2點火系統(tǒng)故障檢測設(shè)計初步分析

系統(tǒng)控制方式分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制,如圖4所示,開環(huán)控制無反饋信息,閉環(huán)控制有反饋信息。通過分析點火系統(tǒng)的組成及原理可以得出,點火系統(tǒng)的控制屬于開環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)由于缺少信息反饋,其功能發(fā)生故障時,實現(xiàn)故障檢測的難度較大。

針對點火系統(tǒng)故障檢測的難點,深入分析后存在如下兩種解決途徑:(1)通過增加專用信息采集裝置,實現(xiàn)點火系統(tǒng)功能狀態(tài)的監(jiān)控,即在點火系統(tǒng)工作時通過某種信息采集裝置辨別點火電嘴是否按預期產(chǎn)生電火花,但考慮到點火電嘴處在發(fā)動機燃燒室,環(huán)境嚴苛,這種途徑實現(xiàn)的可能性很小:(2)通過邏輯推理診斷,既然點火系統(tǒng)故障是發(fā)動機點火失敗的充分非必要條件,那么通過分析點火失敗和點火系統(tǒng)故障之間的具體關(guān)系,在此基礎(chǔ)上形成檢測推理邏輯,同樣可實現(xiàn)點火系統(tǒng)故障的檢測。第二種途徑相對第一種,可行性更高,因此采用第二種途徑開展后續(xù)的檢測設(shè)計。

3點火系統(tǒng)故障檢測設(shè)計

3.1點火原理

發(fā)動機點火需要多個部件系統(tǒng)配合完成,主要包括點火系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)及發(fā)動機本體,如圖5所示,不同發(fā)動機的設(shè)計方案不完全相同,本文僅以一種常見的設(shè)計方案為例開展研究。在發(fā)動機點火過程中,燃油系統(tǒng)負責向燃油噴嘴提供適當流量和壓力的燃油,點火系統(tǒng)負責提供點燃油氣的電火花。

以地面正常起動為例,簡略介紹發(fā)動機起動點火的過程。打開起動空氣閥后,進入地面正常起動過程,發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐步提高到一定閾值后,EEC判斷各前置條件滿足,輸出指令起動一路點火激勵器,點火電嘴釋放電火花,轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高到設(shè)計值時,燃油系統(tǒng)開始供油,一段時間后,EEC對比點火后EGT超過點火前EGT一定閾值時,則判斷點火成功,否則判斷點火失敗。點火成功后發(fā)動機轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高到設(shè)計值時,關(guān)閉點火激勵器。在某些特殊場景下,比如在高原環(huán)境起動、空中點火或地面點火失敗后,會同時接通兩路點火激勵器電源,由兩套點火系統(tǒng)同時執(zhí)行點火。

3.2點火失敗故障樹分析

全面分析在實際環(huán)境中可能導致點火失敗的原因,主要包括如下四類:

(1)外部輸入類故障,即飛機或試車臺無法提供點火過程所需的電源或燃油。

(2)點火功能故障,即EEC、點火激勵器、點火電纜、點火電嘴等故障導致無法提供點火用的電火花。

(3)燃油控制功能故障,即EEC或燃油系統(tǒng)內(nèi)各組成單元故障導致無法提供點火過程所需的特定流量和壓力的燃油。

(4)發(fā)動機本體故障,主要指點火過程中壓氣機、燃燒室、渦輪等部件故障導致的點火失敗,如燃油噴嘴無法正常噴油或者轉(zhuǎn)子卡滯導致轉(zhuǎn)速下降等。該類故障原因發(fā)生的概率較小。

根據(jù)上述分析,并綜合考慮故障原因的故障率及發(fā)動機機載檢測能力,繪制出如圖6所示的發(fā)動機點火失敗的故障樹。為了方便分析,將故障樹中導致點火失敗的原因分為兩類:點火系統(tǒng)故障和非點火系統(tǒng)故障,其中非點火系統(tǒng)故障是指除點火系統(tǒng)故障外會導致點火失敗的故障的統(tǒng)稱,包含EEC點火電源無供電、飛機/試車臺無供油、發(fā)動機本體故障、燃油系統(tǒng)故障、EEC內(nèi)點火繼電器無法閉合。

3.3點火系統(tǒng)故障機載檢測方案

前述分析已經(jīng)明確了點火失敗故障的具體原因,既然點火系統(tǒng)故障是點火失敗故障的充分非必要條件,則可以利用邏輯推斷法制定出點火系統(tǒng)故障檢測邏輯,即當EEC判斷發(fā)動機出現(xiàn)點火失敗后,如果出現(xiàn)了非點火系統(tǒng)故障,則系統(tǒng)判斷點火失敗是由該原因?qū)е?而不是點火系統(tǒng)故障:如果除點火系統(tǒng)故障外的其他原因均未出現(xiàn),則系統(tǒng)判斷當前通道所用的點火系統(tǒng)故障。將上述檢測邏輯落實到EEC中,利用原有發(fā)動機對點火失敗和非點火系統(tǒng)故障的檢測能力,無須加裝其他硬件或進行設(shè)計改動,即可實現(xiàn)點火系統(tǒng)的故障檢測。

圖6 發(fā)動機點火失敗故障樹

實踐證明,在保障非點火系統(tǒng)故障檢測準確性的基礎(chǔ)上,該方法可以有效檢測出點火系統(tǒng)故障,具備較強的工程實踐意義。

4結(jié)語

民用航空產(chǎn)品對故障檢測顆粒度要求越來越精細,實現(xiàn)點火系統(tǒng)故障檢測對提升運營經(jīng)濟性和安全性具有重要意義。本文論述了點火系統(tǒng)的原理、常見故障及故障檢測的難點,提出一種可行性較高的點火系統(tǒng)故障檢測方案,對其他類似開環(huán)控制系統(tǒng)的故障檢測同樣具有借鑒意義。