无人机发动机空中停车故障机理研究

无人机发动机空中停车故障机理研究

赵大鹏

甘肃省天水市 741000

[摘要]针对某型航空无人机用小型涡轮直喷发油驱动机空中供油熄火故障现象,分别对涡喷发动机结构本体、发动机整体供油控制系统以及涡喷发动机故障控制管理系统部分进行一次故障排查分析,提出故障解决措施方法,并对其进行故障验证结果分析。改进后的柴油发动机再未再次出现自动熄火时的故障,表明这种解决故障方法有效。

[关键词]涡喷发动机;空中熄火;故障分析:故障定位

引言:

微型双轮涡喷柴油发动机(microturbineengine,mte).其是泛泛指最大推力系数小于100dan的微型涡轮直喷柴油发动机(mt1.其是指具有最大推重性价比高、耗油率低、结构简单、造价低廉、易于安装维护与方便存贮等五大优点的油田。随着太空巡航导弹和太空无人机向高速小型化领域发展,微型高速涡喷喷气发动机已经作为一种可选择的动力装置之一,倍受各国政府关注。某型涡喷无人机以单机一台微型四缸涡喷柴油发动机进气为主要动力,采用飞机背部一条s型弧形进气道,在高速飞行行驶过程中,多次可能出现空中高速停车难的故障,研究工作人员在对所有各种可能此类故障发生原因数据进行全面分析的技术基础下马上将此类故障发生原因准确定位为存在涡喷发动机内部进气不稳,在不需要改变气动机构外形和改变发动机进气特性等的前提下,提出了多项改进技术措施,有效率地避免了此类故障再次发生。

1、无人机发动机停车控制原理

现行汽车无人机驾驶系统使用中的各种二冲程小型汽油涡轮活塞增压发动机,一般都是采用永磁式无触摸接点的永磁电机制动点火控制系统,并在该电机点火控制系统中特别设计了快速停车制动控制电路。正常行驶情况下,当机载无人机停车返航至现场预定好的回收停车空域时,地面站内的无人飞行员和操纵员舵手先随机发出"预备"指令,待机载无人机停车到达靠近预定回收停车场的位置时再随机发出"停车"指令,两条停车指令都有效后,机载无人飞控机构先输出预定停车充电信号,控制盒向停车场的继电器进行吸合,再由停车继电器向预定停车场的控制盒进行输出"+13V ,0V"。因此,在车辆回收处理阶段的正常事故停车车辆应该都是按照人为安全指令正常停车,非人为安全指令的意外事故停车均是人为安全故障指令停车。

2、建立意外停车故障树

由以下图表中可知,飞行过程中的民用发动机停车出现非人为性的指令故障停车,除了由于发动机自身的的故障可能原因外,还极有可能由位于地面航空控制站.接收机、飞控机或民用停车场及继电器等民用航电及航空数据链连接设备等的故障原因导致。结合多年的无人装备研发教学与技术培训工作实践,依据故障分析的基本要求与技术标准参见'4-5),可将驾驶无人机导致发动机空中意外故障停车系统故障类型分为自动控制系统链路保护故障意外停车、飞行人员姿态角度变化较大导致无人发动机紧急飞行保护故障停车和导致发动机自身链路故障意外停车三种故障类型。

2.1控制链路故障停车

如果在错误停车时刻控制地面停车控制站系统显示出现红色的"停车"和"回收"指令均无回报,则可以判断该台无人机可能是因停车控制部件链路出现故障而启动导致错误停车,对应的停车故障控制部件及连接电路主要包括控制地面停车控制站的数字编码控制电路、发射机、控制无人机柜及内部连接器的电缆等,接收机上的电缆总线接口及内部连接电路,飞控机上的电缆总线接口及内部连接电路,停车场及继电器上的电缆总线接口及内部连接电路,无人机柜及整机连接电缆。

2.2发动机自身故障停车

恰当的涡轮压缩传动比和与燃油气缸的混合比以及可靠的燃油点火系统是保证发动机正常运行工作的关键三要素。发动机正常工作控制过程中,一旦某一个系统不稳定或发生故障,导致整个发动机的某个系统工作控制要素不能正常实现,则整个发动机将无法停车。此时,地面站台的显示屏屏幕上将确定不会同时出现两个红色的"停车"和"回收"指令。可能的发生故障的零部件及其它相关处理环节主要包括车辆发动机紧急停车内部控制盒体与电缆的连接口及内部控制电路、发动机停车缸体、发动机化油器.以及发动机停车供油系统管路、储油箱。

3讨论与措施

从试验数据分析可以看出,发动机中断供油0.5s以上就会引起发动机停车。如果控制系统响应足够快.能及时调节油门即PWM占空比,弥补因负载增加造成的实际输出电压的下降,就可以保证发动机的正常运行。另一方面,如果油泵电机不采用空心杯电机而采用铁芯稀土电机,由于铁芯稀土电机转子转动惯量比较大,铁芯稀土电机抗载荷冲击能力强,因而铁芯稀土电机转速下降慢,使得油泵输出压力下降小,则可以为控制系统响应调节赢得时间。

燃油泵在正常运转运行过程中,当燃油抽吸泵中燃油的绝对抽吸压力迅速降低或达到一定相对压力时,燃油中所有气体便迅速开始凝聚离析,同时抽吸燃油也会尽可能因加热汽化而迅速产生大量燃油蒸汽,进而加热形成燃油气泡。产生燃油气泡的主要影响因素之一是由于燃油泵头的进口以及管路进气压力的大大降低。而一般引起进口燃油泵道和进口油烟管路过程压力高度降低的损失原因主要有:进口管路的局部沿程涡流压力降低损失、管路内的弯道压力形成的管路涡流压力造成的的局部管路低压溢流区、管路进行油烟抽滤的过程压力降低损失、管路内的吸程高度降低引起的管路压力降低损失。因此它想要真正达到及时减少土壤气蚀的主要目的.我们应尽量适当减小空气吸入时的损失。首先是所使用的液体气泡流动的方向管路局部表面必须具有液体流线形,避免在管路局部某些地方容易出现液体涡流,同时我们应当尽量减少存在液体气泡中的部分含有空气量可以限制液体气泡的正常形成。其次它还可以尽量减小使用吸程高度,设法尽量增加使用管径,尽量可以减小使用管路线的长度,减少使用弯头等金属附件,同时可以提高家用燃油泵的清洁度,减小泵与油滤器的压差。此外,尽量减少大中小流量下载机运行中的时间。因为在同样压力条件下的燃油泵管道进口运行负压与管道流量流速有直接的相互关系,减小油泵运行管道流量即可降低运行流速,可大大降低民用燃油泵进口发生管道汽蚀的最大概率。

发动机空中停车70%-80%发生在飞机由爬升改平飞后4s左右,结合飞行数据及以前的试验验证,可以确定此时发生了汽蚀现象。在爬升过程中,燃油向后油箱移动,使后油箱慢慢充满燃油,当飞行姿态改变时,后油箱的燃油在冲击和惯性的作用下急剧向前油箱运动。快速移动的燃油在三通处形成负压,加之较长的水平管路中燃油在惯性的作用下也向前运动,合并油滤压差,燃油泵进口管路中压力下降较快,因此就会形成汽蚀现象。而汽蚀现象的出现增加了油泵的载荷,引起需求功率的增加,从而引起PWM调制的实际输出电压降低,进而造成燃油泵供油能力急剧下降,严重时造成发动机停车。

因此,该发动机空中非正常停车是由于汽蚀增加了油泵的载荷,引起PWM调制的实际输出电压降低,进而造成燃油泵供油能力急剧下降,形成断油,造成发动机停车。

4结语

汽蚀现象是不可避免的,但可采取措施预防,减小其发生概率,同时增加供油控制系统抗突变载荷的能力。具体措施为:调整油泵安装位置,减小进口油路管路长度;改进三通设计,进行流线型设计,减小压力损失和涡流;在油箱连接管两端增加阻尼结构,既可以防止燃油串动流速过快,也可以避免油箱壁面堵塞连接管;改进油滤,减小压差,提高加油油滤精度,提高油箱清洁度;增加油泵卸荷槽,减小汽蚀的冲击影响;采用铁芯稀土电机更换空心杯电机,增加油泵抗载荷冲击能力;改变油泵电机驱动调制模式,实现恒流调压模式,减小冲击影响。

参考文献

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