燃油增压泵低温工作试验压力值超上限问题故障分析

燃油增压泵低温工作试验压力值超上限问题故障分析

崔云芳 陈智

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西省西安市

710089

摘要 本文针对燃油增压泵低温工作试验压力值超上限问题，基于故障树分析法，对燃油增压泵在值班和额定状态下压力值超上限故障问题进行了故障诊断、原因分析，提出了纠正措施，并通过试验验证了所采取纠正措施的有效性。

关键词燃油增压泵，低温工作试验，压力值超上限，故障分析

1 引言

航空燃油增压泵通常安装在油箱内部，给发动机（或发动机Ⅱ级增压泵）进口提供所需要流量和压力的燃油，或按规定顺序做油箱间燃油传输，以保证飞行器重心变化符合规定要求，在航空领域得到广泛应用，是各类航空飞行器燃油系统的关键部件[1]，其性能直接影响航空飞行器的性能。

2 故障问题描述

试验中的燃油增压泵是对现有燃油增压泵进行改进后的产品，其功能、性能、结构形式与现有燃油增压泵完全一致。其功能是将飞机油箱内燃油抽出并提高压力，输送至发动机，改进后的燃油增压泵在进行鉴定试验-低温工作试验时，值班状态/额定状态下产品输出压力值超上限。具体测试数据见表1。

表1改进后燃油增压泵低温工作试验数据

3故障原因分析

根据离心泵的基本理论[2]，泵的扬程H表征泵本身的性能，与泵内部的工作介质参数无关，泵进出口的压力差（泵增加值）ΔP和扬程H之间的关系为：

                                （1）

式中，ΔP—增压值，kPa

ρ—燃油密度，kg/m3

g—重力加速度，m/s2，取9.8

由公式（1）可知，泵增压值和燃油密度成正比。燃油在常温时密度为780kg/m3，低温（-40℃）时密度为824.2 kg/m3，为燃油常温时密度的1.056倍。

由表1中数据可知，低温时值班状态/额定状态下油泵的增压值远大于常温时的1.056倍，电机转速相对于常温时增大600rpm左右。根据离心泵相似定律可知，在相似的运转工况下，离心泵的扬程之比与其转速的平方成正比[3]。

根据以上分析可知，本次油泵低温时输出压力值超上限的直接原因是电机转速的增大。

改进前的燃油增压泵在设计初，装配的电机驱动芯片为芯片A，为了解决低温工况下，转速减小导致输出压力下降的问题，增加了温度补偿电路。电机转速控制原理为转速设置电路按外部工作状态控制信号确定油泵的工作状态，然后按值班状态/额定状态/加力状态分别输出不同的转速设置电压U1给温度补偿电路，温度补偿电路将转速设置电压U1与温度补偿电压U2进行加法运算后输出转速控制电压U3给电机驱动芯片，电机驱动芯片通过接收到的转速控制电压U3控制电机按设定转速运转，电机转速控制原理框图见图1。在改进过程中使用电机驱动芯片B原位替代电机驱动芯片A后，测试常温及高温性能均正常，低温性能出现压力值超上限问题。基于以上分析，梳理出导致产品该故障的4个底事件如下：

a)转速设置电路输出电压异常；

b)温度补偿电路故障；

c)电机驱动芯片温漂大；

d)电机驱动芯片与温度补偿电路不匹配。

图1电机转速控制原理框图

建立故障树见图2。

图2改进后燃油增压泵低温工作试验压力超上限故障树

3.1 转速设置电路输出电压异常底事件(X1)

排查要求：在低温状态下测试产品转速设置电路输出的转速设置电压U1变化率应小于3%。

排查方法：将电机组合放在温度试验箱中，在-55℃保温2h后测试转速设置电压U1变化情况。

排查结果：转速设置电路的转速设置电压U1在低温下变化率小于3%，测试结果详见表2。

结论：底事件X1转速设置电路输出电压异常可以排除。

表2转速设置电压在低温下变化情况测试结果

3.2 温度补偿电路故障底事件(X2)

排查要求：在低温状态下测试产品温度补偿电路输出的温度补偿电压U2应在低温时增大，高温时减小。

排查方法：将电机组合放在温度试验箱中，分别在-55℃、70℃保温2h后测试温度补偿电压U2变化情况。

排查结果：温度补偿电压U2在低温时增大，高温时减小，测试结果详见表3。

结论：底事件X2温度补偿电路故障可以排除。

表3温度补偿电压在高/低温下变化情况测试结果

3.3电机驱动芯片温漂大底事件(X3)

排查要求：测试电机驱动芯片B温漂应不大于原位替代的电机驱动芯片A。

排查方法：将产品温度补偿电压U2稳定在与常温状态一致，分别测试电机组合装配电机驱动芯片A和电机驱动芯片B在常温、-55℃时转速变化情况。

排查结果：测试结果详见表4，从测试数据分析，电机驱动芯片B温漂小于电机驱动芯片A，电机驱动芯片B温漂特性优于电机驱动芯片A。

表4电机驱动芯片温漂测试结果

结论：底事件X3电机驱动芯片温漂大故障可以排除。

3.4 电机驱动芯片与温度补偿电路不匹配底事件(X4)

排查要求：电机驱动芯片B与温度补偿电路配合导致转速变化量应不大于电机驱动芯片A与温度补偿电路配合导致转速变化量。

排查方法：分别测试电机组合装配电机驱动芯片B和电机驱动芯片A在常温、-55℃时转速变化情况。

排查结果：测试结果详见表5。从测试数据分析，在现有温度补偿电路情况下，相对于装配电机驱动芯片A的产品，装配电机驱动芯片B的产品在低温状态下的转速变化率显著增大且变化趋势相反，表明电机驱动芯片B与温度补偿电路不匹配。

结论：底事件X4电机驱动芯片与温度补偿电路不匹配不可以排除。

表5电机驱动芯片与温度补偿电路匹配性测试结果

通过上述分析，本次的故障定位为电机驱动芯片与温度补偿电路不匹配。

4机理分析

产品的温度补偿电路如图3所示，采用二极管V15作为温度补偿器件。当低温时二极管V15压降增大，温度补偿电压U2增大，导致转速控制电压U3增大，控制电机转速增大。因为电机驱动芯片A温漂大，在低温时电机转速下降幅度大，需要增大温度补偿电压，从而补偿下降的电机转速。电机驱动芯片B温漂小，在低温时电机转速下降幅度小，但温度补偿电压增大幅度不变，使电机转速增大。最终导致产品在低温状态下输出压力值超上限。

图3更改前温度补偿电路

5纠正措施及验证情况

5.1纠正措施

根据机理分析可知，由于电机驱动芯片B温漂系数小，原有温度补偿电路会对电机转速过补偿。故为了解决过补偿问题，将图3中温度补偿二极管V15（型号1N4148）更改为电阻器RMK3216-K-B-472-F-M，更改后原理图见图4。

图4更改后原理图

5.2验证情况

更改后的产品高/低温工作摸底验证试验结果均合格，详见表10。

表6产品更改后高/低温工作试验数据及电机转速

6结论

由于电机驱动芯片B与温度补偿电路不匹配，造成改进后的燃油增压泵产品在低温状态下电机转速升高，导致其低温工作试验输出压力值超上限。通过对温度补偿电路进行改进，控制电机在高低温时的转速变化量，可确保改进后的燃油增压泵产品的高低温工作性能均满足要求，保障了飞机燃油系统的正常工作。

参考文献

[1] Liu Y S，Feng Z Z，Yu K H，et al. Influence of fuel pump failure on the fuel feeding stability of an aircraft fuel system

［C］//7th AIAA ATIO Conf，2nd CEIATInt' l Conf on Innov and Integr- in Aero Sciences，17thLTA Systems Tech Conf followed by 2nd TEOS Forum.2007.

[2]唐佑传. 基于ANSYS的离心泵叶轮数值分析及优化[D]. 安徽理工大学,2017.

[3]杨光,蔡志刚. 基于Excel的离心泵设计方法[J]. 河南科技,2015,(24).