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(xué)院遂寧分院，遂寧 629000）

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航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(xué)院遂寧分院，遂寧 629000）

摘 要：以Lycoming IO-360-L2A航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合該發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)著陸滑行停車故障為例，使用EGView軟件對(duì)其工作數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析該型發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)油門操縱特點(diǎn)和燃調(diào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并提出相應(yīng)的檢查方案和切實(shí)可行的預(yù)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(guān)鍵詞：航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)；狀態(tài)監(jiān)控；燃油調(diào)節(jié)器；滑行停車；慢車轉(zhuǎn)速

0 引言

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

1 發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控

航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)卡，使用發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控軟件EGView讀取數(shù)據(jù)，綜合分析發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合地面試車數(shù)據(jù)，機(jī)組報(bào)告及時(shí)控件管理等[4]。

1.1 EGView軟件介紹

EGView（Engine Monitor Graphing&Analysis）是發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析軟件，導(dǎo)入所需要分析的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)后，在同一界面實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)頁面“Flight Data”（Current Flight Statistics&Current Flight raw Data）和圖形頁面“Flight Chart”，且數(shù)據(jù)與圖形一一對(duì)應(yīng)，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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等，如圖1所示。維修人員可以根據(jù)需要查看發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì)，科學(xué)地指導(dǎo)維修。

圖1　EGView界面-數(shù)據(jù)頁面及圖形頁面

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)航空活塞式Lycoming IO-360-L2A發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控參數(shù)一般分為工況參數(shù)、氣動(dòng)熱力參數(shù)及機(jī)械性能參數(shù)[6]。表征發(fā)動(dòng)機(jī)的工況參數(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)推力，然而推力不能測(cè)量，由于Cessna 172R飛機(jī)采用定距螺旋槳，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理，可以用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表征發(fā)動(dòng)機(jī)工參數(shù)。

氣動(dòng)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(jù)Cessna 172R型飛機(jī)飛行員操作手冊(cè)和Lycoming發(fā)動(dòng)機(jī)操作手冊(cè)限制要求[7]，在正常操作情況下，各個(gè)汽缸EGT差值應(yīng)該在100? F范圍內(nèi)，汽缸間的EGT差值超過100? F表明需要進(jìn)行維修。在使用噴射式燃調(diào)的發(fā)動(dòng)機(jī)上，CHT讀數(shù)差值達(dá)到100?F屬于不正常，在使用汽化器式燃調(diào)的發(fā)動(dòng)機(jī)上CHT讀數(shù)差值達(dá)到150? F屬于不正常。

機(jī)械能力參數(shù)主要振動(dòng)值、滑油壓力及滑油溫度等。除了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)分析之外，還需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行滑油分析，包括：滑油品質(zhì)、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(dòng)機(jī)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(jī)在機(jī)組訓(xùn)練過程中，在著陸滑行階段發(fā)動(dòng)機(jī)停車，此時(shí)溫度約17℃，壓力高度約930mmHg。維修人員對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)檢查，對(duì)其外部狀況、操縱系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等項(xiàng)目檢查，發(fā)現(xiàn)燃調(diào)慢車活門搖臂與風(fēng)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(diào)

如圖3所示，通過固定慢車活門搖臂，在風(fēng)門全關(guān)位置測(cè)量慢車止動(dòng)釘?shù)奶鴦?dòng)量來控制慢車活門搖臂至風(fēng)門軸搖臂之間的間隙[8]。根據(jù)多年的燃調(diào)翻修經(jīng)驗(yàn)，對(duì)慢車混合比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的總間隙制定了一個(gè)限制標(biāo)準(zhǔn)：慢車活門搖臂與風(fēng)門軸搖臂間隙小于0.20mm，而通過測(cè)量該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃調(diào)間隙為0.78mm，已超過限制標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 燃調(diào)慢車活門搖臂與風(fēng)門軸搖臂間隙分析

在著陸滑跑過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在慢車狀態(tài)，由于燃調(diào)慢車活門搖臂與風(fēng)門軸搖臂之間存在明顯間隙，不能精確感應(yīng)外部壓力變化，造成油氣混合比不匹配，從而改變?nèi)加蛧娚淦鞯恼{(diào)節(jié)特性，造成慢車轉(zhuǎn)速和慢車貧富油調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確，且慢車轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。

由于該燃調(diào)慢車活門搖臂與風(fēng)門軸搖臂之間存在過大間隙，會(huì)使油門手柄在極限位置存在較大的彈性間隙。該間隙會(huì)造成油門桿操作滯后，當(dāng)快速收油門時(shí)容易使發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速過低的情況，極易發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停車的不正常事件。在快速推油門時(shí)，又需先克服間隙然后才能帶動(dòng)慢車活門向開大供油通道的方向運(yùn)動(dòng)，滯后于風(fēng)門的開度，使發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)瞬時(shí)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(dòng)機(jī)慢車轉(zhuǎn)速為700～750RPM；慢車貧富油的檢查是將發(fā)動(dòng)機(jī)拉回到慢車狀態(tài)，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，拉混合比桿，若轉(zhuǎn)速上升10～50RPM，說明該發(fā)正常；若轉(zhuǎn)速不變或者下降，說明發(fā)動(dòng)機(jī)貧油；若轉(zhuǎn)速上升超過50RPM，則說明發(fā)動(dòng)機(jī)富油。

該型發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間慢車運(yùn)轉(zhuǎn)或地面滑行導(dǎo)致該發(fā)最終停車原因分析如圖4所示。

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)滑行停車影響因素

根據(jù)Lycoming IO-360-L2A發(fā)動(dòng)機(jī)操縱手冊(cè)及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，影響該型發(fā)動(dòng)機(jī)地面滑行停車主要因素有：混合比過富油或過貧油；發(fā)動(dòng)機(jī)慢車轉(zhuǎn)速、混合比設(shè)置不正確；燃調(diào)文氏管污染，文氏管計(jì)量的氣壓差不正確；燃調(diào)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(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)故障、噴嘴堵塞、進(jìn)氣系統(tǒng)滲漏、燃調(diào)內(nèi)漏、管路燃油蒸發(fā)等都會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)滑行停車時(shí)的工作數(shù)據(jù)，如圖5所示，使用EGView軟件進(jìn)行分析，該發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、滑油壓力、滑油溫度等）均在正常參數(shù)范圍內(nèi)。根據(jù)維護(hù)手冊(cè)及維修經(jīng)驗(yàn)，基本可以排除點(diǎn)火系統(tǒng)故障、噴嘴堵塞、進(jìn)氣系統(tǒng)滲漏、燃調(diào)內(nèi)漏、管路燃油蒸發(fā)、燃調(diào)文氏管污染等造成的該發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

圖5　發(fā)動(dòng)機(jī)地面滑行停車數(shù)據(jù)

繼續(xù)分析上圖5該發(fā)動(dòng)機(jī)慢車工作情況，可以發(fā)現(xiàn)該其慢車轉(zhuǎn)速從739RPM到最后停車歷時(shí)約22秒，其中從739RPM下降到383RPM歷時(shí)約16秒；從383轉(zhuǎn)/分至0秒約6秒。表明該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃調(diào)慢車活門搖臂與風(fēng)門軸搖臂間隙對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)慢車轉(zhuǎn)速影響嚴(yán)重，已超過300RPM，在重度用力收油門時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速掉至500 RPM以下甚至更多，造成該發(fā)動(dòng)機(jī)停車。通過對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車，發(fā)現(xiàn)其慢車狀態(tài)富油，結(jié)合機(jī)組報(bào)告，判斷此次發(fā)動(dòng)機(jī)停車與以下三個(gè)因素有關(guān)：機(jī)組人員在發(fā)動(dòng)機(jī)慢車狀態(tài)油門手柄操縱太緊；該發(fā)貧富油調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)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(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)油門桿收至慢車狀態(tài)立即松手，發(fā)動(dòng)機(jī)慢車轉(zhuǎn)速會(huì)恢復(fù)到約740RPM；繼續(xù)用力收油門桿時(shí)，油門鋼索將拉動(dòng)風(fēng)門軸和慢車活門從慢車轉(zhuǎn)速位置向更低的轉(zhuǎn)速位置運(yùn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低到約383RPM并繼續(xù)降低，此時(shí)燃調(diào)節(jié)氣門開度進(jìn)一步關(guān)小，進(jìn)氣量減小，發(fā)動(dòng)機(jī)功率減小，而慢車供油量恒定，最終導(dǎo)致該發(fā)動(dòng)機(jī)慢車小轉(zhuǎn)速富油停車。

2.6 Lycoming IO-360-L2A地面滑行停車預(yù)防措施

首先應(yīng)避免發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間在富油狀態(tài)下工作，即慢車轉(zhuǎn)速下工作時(shí)間不宜過長。在滑行期間為防止積碳和積鉛，設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)混合比在貧油狀態(tài)。

在維護(hù)工作中，將燃調(diào)的風(fēng)門軸襯套和銷釘列為必?fù)Q件，以減小其與配合孔之間的間隙，從而減小燃調(diào)慢車活門搖臂與風(fēng)門軸搖臂間隙，確保其在規(guī)定范圍內(nèi)。

飛行前，應(yīng)將混合比調(diào)整到規(guī)定范圍內(nèi)，避免因貧、富油設(shè)置不當(dāng)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(dòng)機(jī)，應(yīng)該富油一些。

在巡航功率狀態(tài)，適當(dāng)調(diào)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(jìn)而最大限度地減少滑油中鉛油泥的形成。

發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)充分冷機(jī)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(zhuǎn)速稍大一些，這樣既可以減少電嘴污染；又加快燃油流動(dòng)速度，提高燃油導(dǎo)管的冷卻速率，防止氣塞。

飛行人員按規(guī)定設(shè)置慢車轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)貧富油及正確使用冷暖機(jī)。由于該型發(fā)動(dòng)機(jī)燃調(diào)組件為精密計(jì)量部件，飛行人員應(yīng)柔和操縱油門，后拉油門時(shí)關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，不能過低。

3 結(jié)論

通過采用EGView軟件對(duì)Lycoming IO-360-L2A發(fā)動(dòng)機(jī)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及地面試車，查明該型發(fā)動(dòng)機(jī)著陸滑行停車故障原因是該發(fā)動(dòng)機(jī)慢車小轉(zhuǎn)速富油停車，主要影響因素飛行人員在發(fā)動(dòng)機(jī)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)存在較大間隙。

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控制技術(shù)

作者簡(jiǎn)介：陳衛(wèi)華（1985 -），男，安徽臨泉人，工程師，碩士，研究方向?yàn)榛钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)及適航管理及計(jì)算流體力學(xué)（CFD）。

基金項(xiàng)目：中國民航飛行學(xué)院科研項(xiàng)目：通用航空小型活塞式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)防空中停車研究（J2013-79）

收稿日期：2015-11-13

中圖分類號(hào)：V234

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0024-03