Study on in-taxiing shutdown of aviation piston engine

陳衛(wèi)華，李勇君，童　瑤

CHEN Wei-hua, LI Yong-jun, TONG Yao

（中國民航飛行學院遂寧分院，遂寧 629000）

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航空活塞發(fā)動機地面滑行停車研究

Study on in-taxiing shutdown of aviation piston engine

陳衛(wèi)華，李勇君，童瑤

CHEN Wei-hua, LI Yong-jun, TONG Yao

（中國民航飛行學院遂寧分院，遂寧 629000）

摘 要：以Lycoming IO-360-L2A航空活塞發(fā)動機為研究對象，結合該發(fā)動機工作原理，通過監(jiān)控其性能參數(shù)的變化，研究其工作狀態(tài)是否異?；虼嬖诠收想[患。然后具體以該發(fā)動機著陸滑行停車故障為例，使用EGView軟件對其工作數(shù)據進行分析，分析該型發(fā)動機著陸滑行停車故障發(fā)生的原因及影響因素，研究了該型發(fā)動機油門操縱特點和燃調結構特點，并提出相應的檢查方案和切實可行的預防措施。研究表明，該成果可以解決該發(fā)著陸滑行停車故障，降低該發(fā)滑行停車故障發(fā)生率，保障飛行安全。

關鍵詞：航空活塞發(fā)動機；狀態(tài)監(jiān)控；燃油調節(jié)器；滑行停車；慢車轉速

0 引言

隨著機隊不斷擴大和飛機機齡的增加，故障發(fā)生的概率也明顯增加，Lycoming IO-360-L2A發(fā)動機累計發(fā)生數(shù)十起飛機著陸滑行階段發(fā)動機停車故障。為此，必須保持警惕并加以研究，采用一些科學的預防措施，將故障苗頭扼殺在早期階段，嚴防發(fā)動機故障在空中發(fā)生，尤其杜絕“空?！边@樣的嚴重事件發(fā)生就變的十分必要[1]。以典型的水平對置型Lycoming IO-360-L2A航空活塞發(fā)動機為研究對象，具體以該發(fā)動機著陸滑行停車故障為例，通過EGView軟件分析并判斷發(fā)動機工程數(shù)據異常情況，以期排除故障[2,3]。

1 發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控

航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控（Engine condition monitoring, ECM）主要環(huán)節(jié)是：G1000系統(tǒng)采集飛行數(shù)據存儲到數(shù)據卡，使用發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控軟件EGView讀取數(shù)據，綜合分析發(fā)動機數(shù)據，同時結合地面試車數(shù)據，機組報告及時控件管理等[4]。

1.1 EGView軟件介紹

EGView（Engine Monitor Graphing&Analysis）是發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控及數(shù)據分析軟件，導入所需要分析的發(fā)動機數(shù)據后，在同一界面實時顯示數(shù)據頁面“Flight Data”（Current Flight Statistics&Current Flight raw Data）和圖形頁面“Flight Chart”，且數(shù)據與圖形一一對應，如汽缸頭溫度（CHT）、排氣溫度（EGT）、燃油流量（FF）、滑油壓力、滑油溫度及發(fā)動機轉速等，如圖1所示。維修人員可以根據需要查看發(fā)動機工作參數(shù)數(shù)據及變化趨勢，科學地指導維修。

圖1　EGView界面-數(shù)據頁面及圖形頁面

1.2 發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

為了實現(xiàn)對航空活塞式Lycoming IO-360-L2A發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖2所示[5]。

1.3 監(jiān)控參數(shù)介紹

圖2為所研究航空活塞發(fā)動機監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控參數(shù)一般分為工況參數(shù)、氣動熱力參數(shù)及機械性能參數(shù)[6]。表征發(fā)動機的工況參數(shù)是發(fā)動機推力，然而推力不能測量，由于Cessna 172R飛機采用定距螺旋槳，根據發(fā)動機工作原理，可以用發(fā)動機轉速表征發(fā)動機工參數(shù)。

氣動熱力參數(shù)主要有排氣溫度EGT、汽缸頭溫度CHT、燃油流量FF等。根據Cessna 172R型飛機飛行員操作手冊和Lycoming發(fā)動機操作手冊限制要求[7]，在正常操作情況下，各個汽缸EGT差值應該在100? F范圍內，汽缸間的EGT差值超過100? F表明需要進行維修。在使用噴射式燃調的發(fā)動機上，CHT讀數(shù)差值達到100?F屬于不正常，在使用汽化器式燃調的發(fā)動機上CHT讀數(shù)差值達到150? F屬于不正常。

機械能力參數(shù)主要振動值、滑油壓力及滑油溫度等。除了對發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)分析之外，還需對發(fā)動機進行滑油分析，包括：滑油品質、滑油溫度、滑油消耗率、滑油磨粒等。

圖2　Lycoming IO-360-L2A狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)示意圖

2 Lycoming IO-360-L2A發(fā)動機典型故障分析

2.1 Lycoming IO-360-L2A地面滑行停車事件描述

某型飛機在機組訓練過程中，在著陸滑行階段發(fā)動機停車，此時溫度約17℃，壓力高度約930mmHg。維修人員對該發(fā)動機進行狀態(tài)檢查，對其外部狀況、操縱系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等項目檢查，發(fā)現(xiàn)燃調慢車活門搖臂與風門軸搖臂之間存在明顯間隙，如圖3所示。

圖3　RSA-5AD1型直噴式燃調

如圖3所示，通過固定慢車活門搖臂，在風門全關位置測量慢車止動釘?shù)奶鴦恿縼砜刂坡嚮铋T搖臂至風門軸搖臂之間的間隙[8]。根據多年的燃調翻修經驗，對慢車混合比調節(jié)機構的總間隙制定了一個限制標準：慢車活門搖臂與風門軸搖臂間隙小于0.20mm，而通過測量該發(fā)動機的燃調間隙為0.78mm，已超過限制標準。

2.2 燃調慢車活門搖臂與風門軸搖臂間隙分析

在著陸滑跑過程中，發(fā)動機工作在慢車狀態(tài)，由于燃調慢車活門搖臂與風門軸搖臂之間存在明顯間隙，不能精確感應外部壓力變化，造成油氣混合比不匹配，從而改變燃油噴射器的調節(jié)特性，造成慢車轉速和慢車貧富油調節(jié)不準確，且慢車轉速不穩(wěn)定。

由于該燃調慢車活門搖臂與風門軸搖臂之間存在過大間隙，會使油門手柄在極限位置存在較大的彈性間隙。該間隙會造成油門桿操作滯后，當快速收油門時容易使發(fā)動機出現(xiàn)轉速過低的情況，極易發(fā)生發(fā)動機自動停車的不正常事件。在快速推油門時，又需先克服間隙然后才能帶動慢車活門向開大供油通道的方向運動，滯后于風門的開度，使發(fā)動機出現(xiàn)瞬時供油不足的情況，造成貧油停車[9]。

2.3 Lycoming IO-360-L2A地面滑行停車影響因素

該型發(fā)動機慢車轉速為700～750RPM；慢車貧富油的檢查是將發(fā)動機拉回到慢車狀態(tài)，待轉速穩(wěn)定后，拉混合比桿，若轉速上升10～50RPM，說明該發(fā)正常；若轉速不變或者下降，說明發(fā)動機貧油；若轉速上升超過50RPM，則說明發(fā)動機富油。

該型發(fā)動機長時間慢車運轉或地面滑行導致該發(fā)最終停車原因分析如圖4所示。

圖4　發(fā)動機滑行停車影響因素

根據Lycoming IO-360-L2A發(fā)動機操縱手冊及維護經驗，影響該型發(fā)動機地面滑行停車主要因素有：混合比過富油或過貧油；發(fā)動機慢車轉速、混合比設置不正確；燃調文氏管污染，文氏管計量的氣壓差不正確；燃調操縱系統(tǒng)間隙過大，無法提供正確的油氣混合比等。此外該發(fā)動機點火系統(tǒng)故障、噴嘴堵塞、進氣系統(tǒng)滲漏、燃調內漏、管路燃油蒸發(fā)等都會造成發(fā)動機停車。

2.4 Lycoming IO-360-L2A地面滑行停車原因分析

通過讀取該發(fā)動機滑行停車時的工作數(shù)據，如圖5所示，使用EGView軟件進行分析，該發(fā)動機在1200RPM及以上各工作參數(shù)（汽缸頭溫度、排氣溫度、燃油流量、發(fā)動機轉速、滑油壓力、滑油溫度等）均在正常參數(shù)范圍內。根據維護手冊及維修經驗，基本可以排除點火系統(tǒng)故障、噴嘴堵塞、進氣系統(tǒng)滲漏、燃調內漏、管路燃油蒸發(fā)、燃調文氏管污染等造成的該發(fā)動機停車。

圖5　發(fā)動機地面滑行停車數(shù)據

繼續(xù)分析上圖5該發(fā)動機慢車工作情況，可以發(fā)現(xiàn)該其慢車轉速從739RPM到最后停車歷時約22秒，其中從739RPM下降到383RPM歷時約16秒；從383轉/分至0秒約6秒。表明該發(fā)動機的燃調慢車活門搖臂與風門軸搖臂間隙對該發(fā)動機慢車轉速影響嚴重，已超過300RPM，在重度用力收油門時，發(fā)動機轉速掉至500 RPM以下甚至更多，造成該發(fā)動機停車。通過對該發(fā)動機地面試車，發(fā)現(xiàn)其慢車狀態(tài)富油，結合機組報告，判斷此次發(fā)動機停車與以下三個因素有關：機組人員在發(fā)動機慢車狀態(tài)油門手柄操縱太緊；該發(fā)貧富油調節(jié)機構存在較大間隙；慢車狀態(tài)比較富油。

2.5 Lycoming IO-360-L2A地面滑行停車故障成因研究

當該發(fā)動機油門桿收至慢車狀態(tài)立即松手，發(fā)動機慢車轉速會恢復到約740RPM；繼續(xù)用力收油門桿時，油門鋼索將拉動風門軸和慢車活門從慢車轉速位置向更低的轉速位置運動，發(fā)動機轉速降低到約383RPM并繼續(xù)降低，此時燃調節(jié)氣門開度進一步關小，進氣量減小，發(fā)動機功率減小，而慢車供油量恒定，最終導致該發(fā)動機慢車小轉速富油停車。

2.6 Lycoming IO-360-L2A地面滑行停車預防措施

首先應避免發(fā)動機長時間在富油狀態(tài)下工作，即慢車轉速下工作時間不宜過長。在滑行期間為防止積碳和積鉛，設置發(fā)動機混合比在貧油狀態(tài)。

在維護工作中，將燃調的風門軸襯套和銷釘列為必換件，以減小其與配合孔之間的間隙，從而減小燃調慢車活門搖臂與風門軸搖臂間隙，確保其在規(guī)定范圍內。

飛行前，應將混合比調整到規(guī)定范圍內，避免因貧、富油設置不當而停車。

飛行中，避免小功率或無功率的富油混合氣快速下降。在大功率工作期間，需要多余的燃油來冷卻發(fā)動機，應該富油一些。

在巡航功率狀態(tài)，適當調貧油至排氣溫度峰值，有助于油氣混合氣完全燃燒，大多數(shù)的鉛將揮發(fā)并排出，進而最大限度地減少滑油中鉛油泥的形成。

發(fā)動機停車時充分冷機并按照規(guī)定燒電嘴，減少電嘴掛油、積碳、積鉛，防止電嘴污染。

在溫度變化比較大的氣候條件下，慢車轉速稍大一些，這樣既可以減少電嘴污染；又加快燃油流動速度，提高燃油導管的冷卻速率，防止氣塞。

飛行人員按規(guī)定設置慢車轉速、調節(jié)貧富油及正確使用冷暖機。由于該型發(fā)動機燃調組件為精密計量部件，飛行人員應柔和操縱油門，后拉油門時關注發(fā)動機轉速，不能過低。

3 結論

通過采用EGView軟件對Lycoming IO-360-L2A發(fā)動機工作數(shù)據進行分析及地面試車，查明該型發(fā)動機著陸滑行停車故障原因是該發(fā)動機慢車小轉速富油停車，主要影響因素飛行人員在發(fā)動機慢車狀態(tài)油門手柄操縱太緊；慢車狀態(tài)比較富油；貧富油調節(jié)機構存在較大間隙。

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控制技術

作者簡介：陳衛(wèi)華（1985 -），男，安徽臨泉人，工程師，碩士，研究方向為活塞式發(fā)動機維護及適航管理及計算流體力學（CFD）。

基金項目：中國民航飛行學院科研項目：通用航空小型活塞式飛機發(fā)動機防空中停車研究（J2013-79）

收稿日期：2015-11-13

中圖分類號：V234

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0024-03