民用航空發動機點火系統故障檢測設計研究

馬安祥　白國娟　李艷宏　冀浩

摘要：點火系統作為開環控制系統，其故障檢測難度較大，鑒于此，在深入分析點火失敗的具體原因及其與點火系統故障的關系后，提出了基于邏輯推斷方法的點火系統故障機載檢測方案。該方案的有效實施顯著提高了點火系統故障檢測的精細程度，縮短了排故時間，提升了民用航空發動機的運營經濟性和可靠性。

關鍵詞：航空發動機；點火系統；故障檢測

中圖分類號：V233.3? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）09-0038-03

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.011

0? ? 引言

民用航空發動機在試車及運營階段均可能發生發動機點火失敗故障，點火成功與否直接影響發動機的試車任務或者運營安全性及可靠度。點火失敗故障是一個發動機整機級故障，導致該故障的原因眾多，燃油系統、點火系統、電源、發動機本體等均可能是潛在故障單元，其中點火系統故障是一個發生頻率較高的原因，尤其是投入使用時間較長的發動機。點火系統通常被作為MEL（最低設備清單）中的項目，及時準確了解每套點火系統的狀態，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[1-2]。

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

1? ? 點火系統介紹

發動機點火系統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，高壓電傳輸到點火電嘴后，擊穿空氣產生電火花。民用航空發動機通常有兩套相同的點火系統，并根據點火模式的不同，選擇采用單套或雙套系統執行點火功能。

點火系統常出現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[3]。

2? ? 點火系統故障檢測設計初步分析

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

針對點火系統故障檢測的難點，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，實現點火系統功能狀態的監控，即在點火系統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生電火花，但考慮到點火電嘴處在發動機燃燒室，環境嚴苛，這種途徑實現的可能性很??；（2）通過邏輯推理診斷，既然點火系統故障是發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故障之間的具體關系，在此基礎上形成檢測推理邏輯，同樣可實現點火系統故障的檢測。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的檢測設計。

3? ? 點火系統故障檢測設計

3.1? ? 點火原理

發動機點火需要多個部件系統配合完成，主要包括點火系統、燃油系統及發動機本體，如圖5所示，不同發動機的設計方案不完全相同，本文僅以一種常見的設計方案為例開展研究。在發動機點火過程中，燃油系統負責向燃油噴嘴提供適當流量和壓力的燃油，點火系統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，發動機轉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，轉速繼續提高到設計值時，燃油系統開始供油，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[4]。點火成功后發動機轉速繼續提高到設計值時，關閉點火激勵器。在某些特殊場景下，比如在高原環境起動、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，由兩套點火系統同時執行點火。

3.2? ? 點火失敗故障樹分析

全面分析在實際環境中可能導致點火失敗的原因，主要包括如下四類[5-6]：

（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或燃油系統內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子卡滯導致轉速下降等。該類故障原因發生的概率較小。

根據上述分析，并綜合考慮故障原因的故障率及發動機機載檢測能力，繪制出如圖6所示的發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：點火系統故障和非點火系統故障，其中非點火系統故障是指除點火系統故障外會導致點火失敗的故障的統稱，包含EEC點火電源無供電、飛機/試車臺無供油、發動機本體故障、燃油系統故障、EEC內點火繼電器無法閉合。

3.3? ? 點火系統故障機載檢測方案

前述分析已經明確了點火失敗故障的具體原因，既然點火系統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故障檢測邏輯，即當EEC判斷發動機出現點火失敗后，如果出現了非點火系統故障，則系統判斷點火失敗是由該原因導致，而不是點火系統故障；如果除點火系統故障外的其他原因均未出現，則系統判斷當前通道所用的點火系統故障。將上述檢測邏輯落實到EEC中，利用原有發動機對點火失敗和非點火系統故障的檢測能力，無須加裝其他硬件或進行設計改動，即可實現點火系統的故障檢測。

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

4? ? 結語

民用航空產品對故障檢測顆粒度要求越來越精細，實現點火系統故障檢測對提升運營經濟性和安全性具有重要意義。本文論述了點火系統的原理、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故障檢測方案，對其他類似開環控制系統的故障檢測同樣具有借鑒意義。

[參考文獻]

[1] 李奕新，譚航，楊水銀.航空發動機電點火系統現狀與發展趨勢[J].燃氣渦輪試驗與研究，2015，28（6）：49-54.

[2] 張琦.渦扇發動機起動故障診斷方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.

[3] 李宏光.航空點火器故障機理及測試方法研究[D].天津：中國民航大學，2015.

[4] 任剛強.航空發動機點火系統故障診斷方法研究[D].天津：中國民航大學，2012.

[5] 王永華，孫濤，張赟，等.某型航空發動機起動系統故障研究[J].燃氣輪機技術，2021，34（4）：42-46.

[6] 唐智勇.渦扇發動機起動故障診斷及定位技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2016.

收稿日期：2023-02-06

作者簡介：馬安祥（1989—），男，山東棗莊人，工程師，主要從事民用航空發動機測試性及故障診斷設計工作。