某航空发动机超温超转故障研究

某航空发动机超温超转故障研究

周萌1，王日平1，王小鹏2，石磊1

（1. 中国航发沈阳发动机研究所 控制系统研究室，沈阳 110015；

2. 中国航发西安动力控制科技有限公司 设计研究所，西安 710077）

摘要：针对某型航空发动机出现的主燃油泵调节器参数限制器故障导致发动机超温超转故障问题，通过工作原理及故障树分析，对故障原因进行了准确定位，并提出了相应的改进措施。经试验验证，改进措施效果良好，从而大幅度降低了主燃油泵调节器参数限制器故障导致发动机超温超转故障发生的概率。

关键词：航空发动机；主燃油泵调节器；参数限制器；占空比电磁阀；执行活门；超温；超转

0 引言

燃油调节系统是航空发动机控制系统的重要组成部分，随着航空发动机控制精度要求的提高，燃油调节系统的性能优劣就显得尤为重要[1]。燃油电磁阀是燃油调节系统中重要的控制元件，通过向燃油电磁阀通入直流电，使其内部电磁铁产生的电磁力推动阀芯运动，从而实现控制发动机燃油管路的通断或换向，燃油电磁阀能否正常工作直接影响发动机的工作和安全[2-4]。

某型航空发动机在中间及以上状态时，主燃油泵调节器S1占空比电磁阀按照综合电子调节器输出的脉冲信号宽度改变计量活门控制压力，从而控制发动机供向主燃烧室的燃油流量。S1占空比电磁阀故障导致供向主燃烧室的燃油流量增加，会造成发动机出现超温、超转故障，给发动机带来安全使用隐患。

本文针对某型航空发动机出现的主燃油泵调节器参数限制器故障导致发动机超温超转故障问题，开展了故障分析研究。应用故障树分析法，定位了可能造成发动机超温超转的故障原因，进而提出了相应的改进措施。通过试验验证，证明改进措施的有效性、合理性。

1 故障现象

发动机使用过程中，曾多次发生由于主燃油泵调节器参数限制器故障导致发动机超温超转故障，给飞机飞行安全造成很大影响。

典型故障信息如下：

外场某飞机左发飞行前暖机后，发动机由慢车状态推至中间状态时报降转信号，查看飞参降转信号共出现3次，分别持续时间为1秒、0.8秒、0.5秒。n1转速最大为105.69%、n2最大为102.7%、T6最大为817℃，地面检查时中间状态S1=86%（正常为42%～58%）。

外场某飞机右发油门杆由慢车状态推至中间状态时出现n1、n2、T6超出限制值的故障，并报2秒降转信号，中间状态时n1=100%、n2=105.8%、T6=817℃，地面检查时中间状态S1=70%（正常为42%～58%）。

2 故障原因分析

2.1  参数限制器工作原理

主燃油泵调节器参数限制器由综合电子调节器的执行机构和选择活门等部件组成，根据综合电子调节器的占空比信号控制燃油流量，主燃油泵调节器参数限制器原理图见图1。

综合电子调节器的执行机构由占空比电磁阀、执行活门等部件组成；选择活门是机械液压控制与综合电子调节器控制之间的转换机构。

节流状态时，由于执行活门回油路未打开，选择活门下端的油压力和弹簧力的合力大于上端的油压力，选择活门处于最上端位置，发动机的转速由机械液压转速控制器控制，转速控制器由离心飞重、摆锤活门等组成；中间及以上状态时，执行活门回油孔打开，选择活门下端油压力下降，活门下移，使随动活塞上腔通转速控制器摆锤活门的油路切断，发动机的状态由综合电子调节器控制。

P34-S1占空比调整螺钉；1-执行活门；2、3-油嘴；4-燃油电磁阀RDF-29；5-选择活门

图1  主燃油泵调节器参数限制器原理图

2.2  故障树分析

依据主燃油泵调节器参数限制器的工作原理及结构，建立主燃油泵调节器参数限制器故障树，如图2所示。

图2  主燃油泵调节器参数限制器工作异常故障树

由故障树可知，引起主燃油泵调节器参数限制器工作异常的原因主要有三部分：一是限制机构工作异常；二是选择机构工作异常；三是S1占空比电磁阀RDF-29工作异常。对所有底事件进行逐一排查，排查结果及分析见表1。

表1  故障树底事件排查表

通过以上排查分析可知，可能引起主燃油泵调节器参数限制器异常的原因有：

1）外场调整P34调整钉时可能导致执行活门衬套异常受力，引起执行活门组件卡滞；

2）RDF-29线圈断路；

3）RDF-29衔铁卡滞或损坏；

4）RDF-29螺钉螺纹损伤。

3 改进措施

3.1  执行活门衬套异常受力改进

由执行活门组件及调整钉的结构可知，外场在调整P34调整钉时，可能带动调整钉座拧紧导致衬套变形卡滞，同时在拧紧调整钉帽盖时，也可能导致衬套异常受力变形而引起卡滞。

因此，需要制定措施来防止衬套异常受力，改进措施如下：

1）P34调整钉座增加防紧措施，防止衬套异常受力引起卡滞；

2）调整钉帽盖上六方结构改为网纹结构，防止拧紧帽盖时用力过大而带动调整钉座旋转压紧衬套，使衬套变形引起卡滞。

3.2  RDF-29电磁阀异常改进

3.2.1  RDF-29电磁阀线圈断路改进

RDF-29发生断路故障主要有四种故障模式：

a）线圈漆包线某处折断；

b）线圈引出线某处折断；

c）线圈漆包线和引出线焊接处不牢固脱开，线圈断路；

d）线圈漆包线和引出线焊点处绝缘漆未清理干净，线圈接触不良，出现断路。

针对RDF-29线圈断路问题，提出以下改进措施：

1）漆包线与引出线焊接前，用80＃细纱布沿漆包线轴向多方向打掉漆皮，但不允许旋转，用5倍放大镜检查漆包线焊接部分表面的绝缘漆是否清理干净；

2）线圈在焊接后反缠绕前检查导通情况；

3）按漆包线丝径大小，将焊接过程分为三种情况：漆包线丝径＜Φ0.12mm的先缠绕后焊接；Φ0.12mm≤漆包线丝径＜Φ0.3mm的先焊接后缠绕；漆包线丝径≥Φ0.3mm的对拧后焊接；

4）对线圈引出线、漆包线焊接前准备、捻开、缠绕、拧合、焊接等操作过程制作流程图片。

3.2.2  RDF-29电磁阀衔铁卡滞或损坏改进

RDF-29电磁阀的衔铁是高速往复运动部件，衔铁与壳体组件的配合间隙很小，衔铁与配合部位的质量对衔铁工作的可靠性有较大影响。根据故障分析情况，提出以下改进措施：

1）衔铁表面镀镍后再镀铬以提高衔铁耐磨性；

2）衔铁通油槽加深、槽边倒圆以提高衔铁运动灵活性；

3）改进衔铁去毛刺方法和检测方法，提高产品质量；

4）对衔铁组件的收口方法进行改进，将衔铁组件用装配工装收口改为车工收口，提高衔铁运动的灵活性。

3.2.3  RDF-29电磁阀螺钉螺纹损伤改进

由RDF-29电磁阀的结构可知，螺钉螺纹损伤可能是螺纹自身异常导致，也可能是螺钉受异常外力所致。根据故障分析情况，提出以下改进措施：

1）明确拧紧螺钉时螺丝刀的型号，同时要求该螺丝刀为微型螺丝刀，适用各种精密仪器、设备的修理、维护，可有效防止调节螺钉向里拧紧时因拧紧力过大造成螺纹损坏；

2）完善《真空电子束焊接通用规范》，修改要求为“在零件焊接前，应用金相砂纸（不允许使用其它砂纸或砂布）对零件焊接表面进行抛光处理，然后用毛刷、酒精对零件进行清洗，确保焊接处无污物和氧化层，清洗后应在1小时内完成焊接，否则应采取保护措施或重新清理，防止焊接零件发生氧化”。

4 试验验证

4.1  电磁阀试验

落实线圈断路、衔铁卡滞或损坏、螺钉螺纹损伤改进措施的RDF-29电磁阀按试验规范工作100小时，产品工作正常。试验后对电磁阀进行外观检查、电气检查、功能性能检查，产品未发现异常。

4.2  主燃油泵调节器试验

落实执行活门及RDF-29电磁阀改进措施的主燃油泵调节器进行200小时寿命试验，产品工作正常。试验后对主燃油泵调节器进行分解检查，产品未发现异常。

4.3  随发动机考核试验

落实改进措施的主燃油泵调节器随发动机完成500小时长试考核，产品工作正常。长试后对主燃油泵调节器进行分解检查，产品未发现异常。

5 结论

围绕主燃油泵调节器参数限制器故障导致发动机超温超转故障的问题，通过工作原理及故障树分析，得出主燃油泵调节器参数限制器故障引起发动机超温超转的原因可能为：外场调整P34调整钉时可能导致执行活门衬套异常受力，引起执行活门组件卡滞；RDF-29电磁阀线圈断路；RDF-29电磁阀衔铁卡滞或损坏；RDF-29电磁阀螺钉螺纹损伤。进而提出结构设计改进、增加防紧措施、提高RDF-29电磁阀产品质量等改进措施，以消除主燃油泵调节器参数限制器故障，从而达到防止发动机发生超温超转故障的目的。经试验验证，改进措施有效、合理。

目前，该研究成果已广泛应用于系列发动机上，发动机同类故障发生概率大幅度减小。

参考文献：

[1]王磊.航空发动机燃调系统故障诊断.上海交通大学工学硕士专业学位论文,2012.

[2]张玉龙,郑莹,熊华,麻立晶.发动机燃油电磁阀短路原因分析[J].失效分析与预防,2015(3):177-180.

[3]蔡伟,郑贤林,张志利,等.液压电磁阀故障机理分析与瞬态特性仿真[J].仪器仪表学报,2011,32(12):2726-2733.

[4]李建国.某潜器沉浮系统电磁阀故障分析[J].舰船科学技术,2012,34(10):106-108.

基金项目：国家自然科学基金（61890925）

作者简介：周萌（1987—），女，工程师，硕士，主要从事航空发动机控制系统设计研究。