航空發動機臺架試車燃油系統氣塞故障分析

陳慧明 張常東 張 猛

航空發動機臺架試車燃油系統氣塞故障分析

陳慧明 張常東 張 猛

燃油系統氣塞現象發生在燃油系統管路和附件內部，具有相當的隱蔽性，很容易被人們忽視。本文通過對臺架試驗發生的一起因燃油系統管路內部燃油溫度過高造成氣塞，導致發動機停車故障進行分析，確定燃油溫度限定邊界，提出改進措施，提高發動機工作穩定性和安全性。

某型航空活塞發動機的臺架試車，由安裝在試驗臺架上方的燃油箱采用重力供油的方式給發動機供給燃油。發動機臺架試驗燃油從燃油箱中輸出，經四通接頭后分成兩路，每路各流經單向活門/電動燃油泵（與單向活門并聯關系）、燃油濾、電動切斷閥后到發動機自帶的燃油泵進入發動機內燃油系統。臺架試車燃油系統可同時為兩臺發動機供給燃油，系統組成如圖1所示。

故障現象

圖1　燃油系統組成示意圖

2014年8月13日下午，對某型發動機進行試車試驗。14時38分，該發動機地面開車正常工作后，按轉速1200r/min左右進行暖車，暖車過程發動機工作正常。14時50分，暖車結束后推油門提高發動機轉速，發現在此過程中發動機抖動嚴重，同時操縱員發現“警告”燈閃亮，“燃油壓力低”及“燃油流量低”報警，上推油門過程中發動機在達到轉速1900r/min附近后不穩定工作約20s，突然停車。

故障定位

通過讀取發動機參數采集盒停車數據，對故障數據進行分析，故障數據與故障現象基本吻合，發動機停車數據見圖2，發動機參數采集系統采集頻率1s采集5次數據。如圖2中所示，發動機在1200r/min轉暖車結束后推油門桿提高轉速至接近2000r/min工作20s后，在油門桿開合角度不變情況下，燃油流量迅速下降為0，之后發動機熄火停車。從數據可以看出，發動機是由于斷油導致停車。

故障機理分析

進一步對停車數據進行分析，可以看出，在燃油流量急劇下降過程中，發動機自帶燃油泵燃油入口壓力比燃油流量提前約6s下降為0。通過對發動機自帶燃油泵檢查，排除燃油泵故障可能，基本可以認為發動機停車直接原因為燃油管路堵塞導致燃油不能正常進入發動機。

燃油系統管路沿程摩擦阻力：

式中：Δpf為管路沿程摩擦阻力Pa，λ為沿程摩擦阻力系數，d0為計算沿程摩擦阻力的定性管徑m，l管路沿程長度m，V0為計算管路沿程摩擦阻力的定性流速m/s，ρ為介質密度kg/m3。

雷諾數Re計算公式：

2.5 禁用膨大劑 噴施氯吡脲、6-芐氨基腺嘌呤等細胞分裂素不僅影響果實品質，也降低了棗果的耐貯性。可以在冬棗幼果期和二次膨大期合理施肥灌水，保持棗園通風透光，促進果實膨大。

圖2　發動機停車數據

圖3　RH-95/130飽和蒸氣壓與溫度關系曲線

式中：Re為雷諾數，V 為管路流速m/s，d為管路內徑m，ν為介質運動黏度m2/s。

燃油系統所采用導管，其絕對粗糙度ε都在0.0015～0.060mm之內，計算中可作為光滑導管，因此在確定管路沿程摩擦阻力系數λ時，可按雷諾數Re大小來確定，與導管絕對粗糙度無關。

沿程摩擦阻力系數λ的確定：

計算輸入條件：10mm內徑導管長度L1=850mm；

16mm內徑導管長度 L2=710mm；

燃油密度ρ=722.2 kg/m3；

燃油流量 Q=60L/h

運動粘度ν=0.85×10-6m2·s-1

即燃油系統沿程摩擦阻力：

燃油系統局部阻力：

式中：Δp 為局部阻力Pa，V0為計算局部阻力的定性流速m/s，ρ為燃油密度kg/m3，ζ為局部阻力系數。

即燃油系統局部阻力：

油面與發動機入口高度差（Δh=0.7m）產生的供油壓力：

即發動機燃油泵入口壓力為：

航空汽油飽和蒸氣壓計算式：

式中：t為燃油溫度℃，pRid為雷德蒸氣壓。

表1　航空汽油的雷德蒸氣壓 （KPa）

當燃油壓力小于該溫度下燃油的飽和蒸氣壓時，溶解在燃油中的空氣游離出來形成空氣泡，在燃油管路中形成氣塞。數學表達式為：

上述計算得出，臺架試車燃油管路中燃油溫度限制值為49.2℃。

結語

從以上分析，發動機試車故障停車原因：在夏季環境溫度高，氣壓低，發動機地面長時間小功率運行時，地面開車冷卻措施不足，發動機艙內空氣溫度升高，同時燃油系統管路與發動機燃油泵入口連接處采用金屬鋁段過渡，且與發動機排氣管靠近，較多的熱量使燃油溫度大大上升，再加上低氣壓和發動機燃油泵進口的低壓力作用，當燃油管路中的油壓降低至等于或小于該溫度下燃油的飽和蒸氣壓時，溶解在燃油中的空氣游離處理形成空氣泡，與燃油汽化生成的燃油蒸汽在燃油管路中聚集成油氣泡，占據部分工作空間，很快在燃油管路中形成氣塞，造成供油管路堵塞，發動機供油中斷，導致自動停車。

為提高發動機在高溫天氣下地面穩定性，對燃油系統作出了改進：

開啟外部燃油泵，加大發動機燃油泵入口端的燃油壓力，使其大于該溫度下燃油的飽和蒸氣壓；

對處于發動機艙內的燃油管路進行隔熱處理，減少燃油從外部環境吸收的熱量。

采取了以上措施后，后期對發動機進行試車驗證，在相同的試驗條件下，發動機整個試車過程運行平穩，故障消除。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.010