SR20飛機螺旋槳系統工作原理及典型故障分析

王凱 蔣平清

摘要：基于SR20飛機恒速螺旋槳的系統構造，通過對該型飛機螺旋槳、調速器的構造和槳轂潤滑機制的工作原理進行分析，深入闡述了諸如發動機轉速損失、發動機超轉/全功率轉速不足、螺旋槳槳轂油脂過多等典型故障的故障原因及表征現象，提供了螺旋槳系統類似故障的診斷方法及故障排除措施，為該型飛機螺旋槳、調速器的日常維護、故障排除和預防提供了有力依據。

關鍵詞：螺旋槳系統；調速器；工作原理；故障機制；故障表征

Keywords：propeller system；governor；operating principle；failure mechanism；failure symptom

螺旋槳作為飛機發動機功率輸出的重要部件，其功能及重要性不言而喻。SR20飛機作為我分院飛行訓練的主力初教機型，其螺旋槳系統性能的好壞直接影響到SR20機隊運行的可靠性與安全性。筆者基于多年的一線維護實踐經驗，對SR20飛機螺旋槳系統的主要部件（螺旋槳、調速器）的工作原理及螺旋槳槳轂的潤滑機制進行了深入研究和闡述，并對幾起諸如發動機轉速損失、發動機超轉/全功率轉速不足、槳轂潤滑脂過多等典型故障進行了深入剖析，旨在使一線維修人員能夠及時、準確地判斷類似故障的故障原因并及時采取有效的故障排除措施，以降低SR20型飛機的停場率，提高SR20型飛機的安全性能和使用率。

1 SR20飛機螺旋槳系統工作原理簡介

SR20飛機所配備的螺旋槳為三葉、鋁制、恒速、無順槳螺旋槳，鋁制槳葉安裝在鋁制槳轂內，該槳轂內含有一個由活塞、活塞桿和槳葉作動組件組成的槳距變化機構。螺旋槳轉速調整是通過調整與安裝在油門操縱桿上平板型凸輪連接的螺旋槳控制鋼索實現的。該恒速螺旋槳是由發動機轉速感應裝置（調速器）通過改變槳葉角來保持發動機/螺旋槳恒速的。該調速器內置一個由發動機驅動的泵體，該泵體能夠增大供給螺旋槳的發動機滑油壓力。調速器內部的發動機轉速感應裝置控制提供給螺旋槳的滑油供給量，通過供油或回油以保持發動機轉速恒定。

螺旋槳槳葉角的改變是通過一個安裝在螺旋槳槳轂前端的液壓活塞/槳缸組合裝置實現的（如圖1所示）。液壓活塞的直線運動通過變距桿和變距叉傳遞給每個槳葉，位于每個槳葉底座的變距旋鈕與變距叉相連，每個槳葉根部通過保持軸承支撐，保持軸承使槳葉牢牢地固定在槳轂上，同時也能夠使槳葉角改變。具體表現為：作用在槳葉上的離心扭轉力使槳葉角變?。ǖ途啵┻M而使轉速增加，由于離心扭轉力只有當螺旋槳旋轉時存在，在螺旋槳內部安裝了一個機械彈簧以便于在轉速減小時使槳葉向低距運動，當螺旋槳靜止時將槳距降至最小（低距限動位）。當槳葉在低距時起動發動機，起動機的負載將會明顯減小。油壓作用與彈簧和離心扭轉力相反，使槳葉角增大（變大距）以降低發動機轉速，當油壓損失時，螺旋槳會向低距運動，這是由于彈簧和槳葉離心扭轉力不再反作用于油壓，螺旋槳就會減小槳葉角到低距限動位。此種情況下，當油門桿在最前位（起飛和爬升階段）時，螺旋槳轉速為2700RPM，在中間位至全功率的巡航狀態下螺旋槳轉速為2500RPM，在較低功率下螺旋槳轉速為1900RPM。

2 典型故障分析

2.1 發動機轉速損失故障分析

故障案例回顧：2019年12月26日，一架SR20飛機執行本場飛行訓練，機組反映該機地面起飛增速滑跑中，當油門加至2/3處時，發動機轉速有明顯損失，隨即該機中斷起飛。該機滑回后維修人員進行發動機試車檢查，發動機工作正常，無掉轉速、功率損失等異常情況。

經查詢，該機于2019年12月22日完成PhaseIII漸進式檢查工作，并于12月26日參加飛行。隨后使用EGView Engine Monitor Graphing & Analysis軟件讀取發動機數據進行分析。從讀取的發動機數據來看，在當日地面起飛增速滑跑階段，發動機轉速增至最高轉速（2678RPM）之前的2s時間段內，發動機滑油壓力數值與發動機轉速呈反向變化趨勢（即在該2s內，滑油壓力隨轉速增大而降低），在發動機轉速增至最大轉速時滑油壓力降至最低（40psi）；而后發動機轉速由2678RPM降至2438RPM的2s時間段內，發動機滑油壓力數值與發動機轉速亦呈反向變化趨勢（即滑油壓力隨轉速減小而增加），在發動機轉速降至最低（2438RPM）時滑油壓力升至最高（46psi）；隨后發動機轉速與滑油壓力均呈小幅度反向波動狀態（持續時間約2s）并逐漸恢復正常。而在整個變化過程中，發動機排氣溫度、氣缸頭溫度、燃油流量、進氣壓力均指示正常，且發動機工作穩定。如圖2所示。

從上述情況判斷，由于SR20飛機發動機配備的為自動變距恒速螺旋槳，在駕駛艙油門桿由低功率推至全功率轉速的過程中，在接近巡航轉速（調速器調節工作轉速）時，有部分滑油開始供向調速器變距油路。鑒于該飛機是定檢、停放后的首次飛行，從當天發動機數據來看，上述現象出現前，飛行人員在地面試車時未進行全功率轉速的檢查（檢查單無相關要求，SR20 飛機在正常進行推油門至最大轉速前存在一定的轉速掉轉現象，系調速器工作所致），造成調速器供給螺旋槳的壓力滑油（變距油路）中存有氣泡，導致發動機指示滑油壓力出現短暫性降低（間斷、不連續）。且在正常地面進行發動機試車檢查時，在首次推油門至全功率過程中，在調速器介入工作階段（轉速一般在2500RPM左右，油門桿約2/3位），發動機轉速均會有50RPM左右的掉轉（轉速掉轉數值與試車人員推油門速度快慢有關）。再加之飛機運動加速滑跑等外界干擾的影響，當出現發動機轉速瞬時增大至最大轉速（2678RPM）時，調速器調速迅速進行調速工作，因螺旋槳變矩運動遲緩，致使發動機調速器調速過程中轉速波動較大，調速時間較長（持續時間約2s）。

綜上分析，造成此次地面起飛增速滑跑中發動機轉速損失240RPM的原因為調速器變距油路中混有氣體，導致調速器供給螺旋槳的壓力滑油中斷、不連續，導致調速器變距反應遲緩。

2.2 發動機超轉或全功率轉速過低故障分析

螺旋槳超轉是指螺旋槳或發動機超過了設定的最大轉速限制，或發動機（螺旋槳）轉速高于飛行員通過螺旋槳控制桿設定轉速的現象；而全功率轉速過低是指發動機輸出轉速低于飛行操作手冊所規定的全功率轉速值，以至于發動機無法達到全功率輸出的現象。由于飛行時發動機負載較小，為了確保在飛行條件下發動機輸出轉速為2700RPM，在地面靜態調整時，發動機轉速應設置為大約2650RPM。

需要注意的是，調速器鋼索與燃油計量裝置（發動機油門體）鋼索通過不同的連接接頭連接在駕駛艙內的油門桿上，油門體與調速器都是通過油門桿進行操縱，即具有油門-變距聯動機構（如圖3所示）。有時為了達到規定的最大轉速（靜止狀態下）而進行的低距限動釘調整可能會掩蓋發動機的功率問題，由于發動機的計算功率受發動機轉速、進氣壓力、燃油流量等諸多參數的影響，因此在進行螺旋槳低距限動調整工作時，需確保駕駛艙內油門桿在最前位時，發動機油門體和螺旋槳調速器低距限動釘必須同時限動，且油門桿與駕駛艙操縱臺前端有一定間隙，以確保燃油計量裝置的節氣門全開，從而使發動機達到全功率輸出狀態。

當出現發動機超轉（即空中轉速超出2700RPM）或全功率轉速過低（即地面轉速低于2650RPM）時，需要對螺旋槳低距或調速器低距限動進行調整。

螺旋槳低距限動調整程序如下：

1）脫開調速器操縱鋼索并適當退出調速器上的低距限動釘； 2）松開壓緊螺帽的同時用內六角扳手固定低距限動釘，以防止鎖緊螺母松動時低距限動釘轉動；3）向里轉動低距限動釘會增大槳距、減小轉速，向外轉動低距限動釘會減小槳距、增大轉速，轉動低距限動釘1 圈，會造成轉速增加或減少約200 RPM 。

調速器低距限動釘調整程序如下：

1）起動發動機并暖機，在油門桿放置在最前端時，確保轉速表讀數為2650 RPM；2）如果發動機轉速表讀數不在2650 RPM，關閉發動機，在調速器上調整低距/高轉速限動釘；3）擰松調整螺釘鎖緊螺母，順時針轉動螺釘減小發動機轉速，逆時針轉動螺釘增大發動機轉速（轉動調整螺釘1圈會增大或減小發動機轉速約25～30 RPM；4）擰緊調整螺釘鎖緊螺母。

2.3 螺旋槳槳轂油脂過多故障分析

2019-2020年期間，我分院送往螺旋槳翻修廠家的螺旋槳在分解檢查時發現，多副螺旋槳均存在槳轂充滿潤滑脂、槳葉軸承油脂變質硬化、變矩活塞與槳轂之間積存大量潤滑脂、槳轂中存在較多輕質不明油液的情況。經分析認為，潤滑脂進入槳轂的主要原因是槳葉軸承區域潤滑脂硬化和槳轂內潤滑脂黏稠度過高，導致每次執行螺旋槳槳轂潤滑工作注入新鮮潤滑脂時，新鮮潤滑脂由于受到阻礙作用，無法正常從對側排油孔排出（舊油脂），轉而進入阻礙相對較小的槳轂區域。由于槳葉軸承區域內的硬化潤滑脂無法正常排出，隨著時間積累，進入槳轂內的潤滑脂日益增多，進而導致在整個螺旋槳翻修周期內槳轂內的潤滑脂過量，甚至出現因油脂過多將槳轂堵塞憋出的現象。

所以，外場通過注油潤滑不能完全替換掉軸承中的舊油脂，只能通過補油使槳葉軸承始終充滿潤滑脂。

根據手冊中的描述，若槳轂中進入大量潤滑脂，有可能會引起螺旋槳變矩遲緩，甚至油脂進入變矩活塞與槳轂之間區域直接影響螺旋槳變矩，也可能會造成振動值超標、發動機異常掉轉或超轉等故障現象。

其間維修人員在進行螺旋槳潤滑時所使用的潤滑脂均為Aeroshell 6號潤滑脂，在離心力作用及高溫環境下容易發生油脂分離，造成槳葉軸承處潤滑脂硬化。2020年1月，Hartzell公司發布HC-SL-61-366，正式通知用戶換用NYCO GN 3058潤滑脂。NYCO GN 3058是一種新型的鋰復合合成潤滑脂，在Hartzell的測試中，該型油脂是所有被測油脂中分離油量最少的，除了表現出最高的穩定性，NYCO GN 3058潤滑脂還具有更好的耐磨性、耐腐蝕性和耐水性能。相比現用黏土基Aeroshell 6號潤滑脂，抗油脂分離性能更好，不易硬化，若換用NYCO GN 3058會有效減少油脂分離問題并能減少螺旋槳過度潤滑問題。隨即維修人員對潤滑脂進行了更換，以評估測試換用新型潤滑脂對槳轂潤滑情況的影響。結果表明，自更換NYCO GN 3058潤滑脂后，槳轂油脂過多的故障現象不復存在。

3 維護建議

基于前文中對SR20型飛機螺旋槳系統的工作原理、調速器的變距原理、螺旋槳槳轂潤滑機理的介紹，以及對發生的幾起典型故障的闡述，針對SR20飛機螺旋槳系統的日常維護及檢查提出以下建議，以切實提高SR20型飛機動力系統的可靠性。

1）在完成SR20飛機階段檢查工作時，在進行SR20飛機地面試車時，發動機暖機至滑油溫度達到綠區，從低功率到全功率反復推拉油門桿3 次以上，并執行兩次巡航功率檢查，使螺旋槳自動變距，以消除螺旋槳調速器變距油路中的氣泡；

2）在地面調整發動機全功率轉速時，必須嚴格按照前述所要求的先檢查/調整螺旋槳低距、后調整調速器低距限動，以避免掩蓋發動機功率的其他問題；

3）外場維修人員執行螺旋槳注油潤滑時，首先用保險絲疏通對側排油孔，并采用僅拆該槳葉對面的堵塞、不拆其他槳葉堵塞的方式進行注油潤滑，如果注入手冊中要求的最大限量后對側油孔仍沒有潤滑脂排出，則將該機螺旋槳送翻修廠家進行槳轂潤滑脂清洗，且在潤滑時需核對槳轂所粘貼的潤滑脂牌號標簽，不能將不同牌號的潤滑脂進行混用。若發生混用，需立即將該螺旋槳拆下送翻修廠家進行清洗。

參考文獻

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作者簡介

王凱，工程師，從事航空器維修工作；

蔣平清，高級工程師，從事航空維修管理工作。