民用航空发动机点火系统故障检测设计研究

引言

民用航空发动机在试车及运营阶段均可能发生发动机点火失败故障,点火成功与否直接影响发动机的试车任务或者运营安全性及可靠度。点火失败故障是一个发动机整机级故障,导致该故障的原因众多,燃油系统、点火系统、电源、发动机本体等均可能是潜在故障单元,其中点火系统故障是一个发生频率较高的原因,尤其是投入使用时间较长的发动机。点火系统通常被作为ME1(最低设备清单)中的项目,及时准确了解每套点火系统的状态,对于支撑签派放行,或者支撑维修以恢复起动性能,均有重要意义。

我国传统的检测方法并不能直接检测出点火系统的故障,仅能检测出发动机点火失败故障,然后由维修人员人工逐个检查可能导致点火失败的原因,进而判断点火系统是否故障,较国外民用航空发动机可以直接检测出点火系统故障,还有明显的提升空间。如图1所示,某型民用飞机左发检测到左点火系统故障后显示"IGN1(IGN1)IsFAI1ED"。

1点火系统介绍

发动机点火系统的功能是提供油气燃烧所必要的电火花,主要由点火激励器、点火电缆和点火电嘴组成,如图2所示,由EEC控制点火激励器提供高压电,高压电传输到点火电嘴后,击穿空气产生电火花。民用航空发动机通常有两套相同的点火系统,并根据点火模式的不同,选择采用单套或双套系统执行点火功能。

点火系统常出现的故障包括点火激励器故障、点火激励器与点火电缆连接处烧蚀或污染、点火电嘴与点火电缆连接处腐蚀或损伤、点火电嘴烧蚀(图3)等,上述故障均有可能导致点火电嘴无法提供预期的电火花,进而造成点火失败。

2点火系统故障检测设计初步分析

系统控制方式分为开环控制和闭环控制,如图4所示,开环控制无反馈信息,闭环控制有反馈信息。通过分析点火系统的组成及原理可以得出,点火系统的控制属于开环控制。开环控制系统由于缺少信息反馈,其功能发生故障时,实现故障检测的难度较大。

针对点火系统故障检测的难点,深入分析后存在如下两种解决途径:(1)通过增加专用信息采集装置,实现点火系统功能状态的监控,即在点火系统工作时通过某种信息采集装置辨别点火电嘴是否按预期产生电火花,但考虑到点火电嘴处在发动机燃烧室,环境严苛,这种途径实现的可能性很小:(2)通过逻辑推理诊断,既然点火系统故障是发动机点火失败的充分非必要条件,那么通过分析点火失败和点火系统故障之间的具体关系,在此基础上形成检测推理逻辑,同样可实现点火系统故障的检测。第二种途径相对第一种,可行性更高,因此采用第二种途径开展后续的检测设计。

3点火系统故障检测设计

3.1点火原理

发动机点火需要多个部件系统配合完成,主要包括点火系统、燃油系统及发动机本体,如图5所示,不同发动机的设计方案不完全相同,本文仅以一种常见的设计方案为例开展研究。在发动机点火过程中,燃油系统负责向燃油喷嘴提供适当流量和压力的燃油,点火系统负责提供点燃油气的电火花。

以地面正常起动为例,简略介绍发动机起动点火的过程。打开起动空气阀后,进入地面正常起动过程,发动机转速逐步提高到一定阈值后,EEC判断各前置条件满足,输出指令起动一路点火激励器,点火电嘴释放电火花,转速继续提高到设计值时,燃油系统开始供油,一段时间后,EEC对比点火后EGT超过点火前EGT一定阈值时,则判断点火成功,否则判断点火失败。点火成功后发动机转速继续提高到设计值时,关闭点火激励器。在某些特殊场景下,比如在高原环境起动、空中点火或地面点火失败后,会同时接通两路点火激励器电源,由两套点火系统同时执行点火。

3.2点火失败故障树分析

全面分析在实际环境中可能导致点火失败的原因,主要包括如下四类:

(1)外部输入类故障,即飞机或试车台无法提供点火过程所需的电源或燃油。

(2)点火功能故障,即EEC、点火激励器、点火电缆、点火电嘴等故障导致无法提供点火用的电火花。

(3)燃油控制功能故障,即EEC或燃油系统内各组成单元故障导致无法提供点火过程所需的特定流量和压力的燃油。

(4)发动机本体故障,主要指点火过程中压气机、燃烧室、涡轮等部件故障导致的点火失败,如燃油喷嘴无法正常喷油或者转子卡滞导致转速下降等。该类故障原因发生的概率较小。

根据上述分析,并综合考虑故障原因的故障率及发动机机载检测能力,绘制出如图6所示的发动机点火失败的故障树。为了方便分析,将故障树中导致点火失败的原因分为两类:点火系统故障和非点火系统故障,其中非点火系统故障是指除点火系统故障外会导致点火失败的故障的统称,包含EEC点火电源无供电、飞机/试车台无供油、发动机本体故障、燃油系统故障、EEC内点火继电器无法闭合。

3.3点火系统故障机载检测方案

前述分析已经明确了点火失败故障的具体原因,既然点火系统故障是点火失败故障的充分非必要条件,则可以利用逻辑推断法制定出点火系统故障检测逻辑,即当EEC判断发动机出现点火失败后,如果出现了非点火系统故障,则系统判断点火失败是由该原因导致,而不是点火系统故障:如果除点火系统故障外的其他原因均未出现,则系统判断当前通道所用的点火系统故障。将上述检测逻辑落实到EEC中,利用原有发动机对点火失败和非点火系统故障的检测能力,无须加装其他硬件或进行设计改动,即可实现点火系统的故障检测。

图6 发动机点火失败故障树

实践证明,在保障非点火系统故障检测准确性的基础上,该方法可以有效检测出点火系统故障,具备较强的工程实践意义。

4结语

民用航空产品对故障检测颗粒度要求越来越精细,实现点火系统故障检测对提升运营经济性和安全性具有重要意义。本文论述了点火系统的原理、常见故障及故障检测的难点,提出一种可行性较高的点火系统故障检测方案,对其他类似开环控制系统的故障检测同样具有借鉴意义。