航空发动机台架试车燃油系统气塞故障分析

陈慧明 张常东 张 猛

航空发动机台架试车燃油系统气塞故障分析

陈慧明 张常东 张 猛

燃油系统气塞现象发生在燃油系统管路和附件内部，具有相当的隐蔽性，很容易被人们忽视。本文通过对台架试验发生的一起因燃油系统管路内部燃油温度过高造成气塞，导致发动机停车故障进行分析，确定燃油温度限定边界，提出改进措施，提高发动机工作稳定性和安全性。

某型航空活塞发动机的台架试车，由安装在试验台架上方的燃油箱采用重力供油的方式给发动机供给燃油。发动机台架试验燃油从燃油箱中输出，经四通接头后分成两路，每路各流经单向活门/电动燃油泵（与单向活门并联关系）、燃油滤、电动切断阀后到发动机自带的燃油泵进入发动机内燃油系统。台架试车燃油系统可同时为两台发动机供给燃油，系统组成如图1所示。

故障现象

图1　燃油系统组成示意图

2014年8月13日下午，对某型发动机进行试车试验。14时38分，该发动机地面开车正常工作后，按转速1200r/min左右进行暖车，暖车过程发动机工作正常。14时50分，暖车结束后推油门提高发动机转速，发现在此过程中发动机抖动严重，同时操纵员发现“警告”灯闪亮，“燃油压力低”及“燃油流量低”报警，上推油门过程中发动机在达到转速1900r/min附近后不稳定工作约20s，突然停车。

故障定位

通过读取发动机参数采集盒停车数据，对故障数据进行分析，故障数据与故障现象基本吻合，发动机停车数据见图2，发动机参数采集系统采集频率1s采集5次数据。如图2中所示，发动机在1200r/min转暖车结束后推油门杆提高转速至接近2000r/min工作20s后，在油门杆开合角度不变情况下，燃油流量迅速下降为0，之后发动机熄火停车。从数据可以看出，发动机是由于断油导致停车。

故障机理分析

进一步对停车数据进行分析，可以看出，在燃油流量急剧下降过程中，发动机自带燃油泵燃油入口压力比燃油流量提前约6s下降为0。通过对发动机自带燃油泵检查，排除燃油泵故障可能，基本可以认为发动机停车直接原因为燃油管路堵塞导致燃油不能正常进入发动机。

燃油系统管路沿程摩擦阻力：

式中：Δpf为管路沿程摩擦阻力Pa，λ为沿程摩擦阻力系数，d0为计算沿程摩擦阻力的定性管径m，l管路沿程长度m，V0为计算管路沿程摩擦阻力的定性流速m/s，ρ为介质密度kg/m3。

雷诺数Re计算公式：

2.5 禁用膨大剂 喷施氯吡脲、6-苄氨基腺嘌呤等细胞分裂素不仅影响果实品质，也降低了枣果的耐贮性。可以在冬枣幼果期和二次膨大期合理施肥灌水，保持枣园通风透光，促进果实膨大。

图2　发动机停车数据

图3　RH-95/130饱和蒸气压与温度关系曲线

式中：Re为雷诺数，V 为管路流速m/s，d为管路内径m，ν为介质运动黏度m2/s。

燃油系统所采用导管，其绝对粗糙度ε都在0.0015～0.060mm之内，计算中可作为光滑导管，因此在确定管路沿程摩擦阻力系数λ时，可按雷诺数Re大小来确定，与导管绝对粗糙度无关。

沿程摩擦阻力系数λ的确定：

计算输入条件：10mm内径导管长度L1=850mm；

16mm内径导管长度 L2=710mm；

燃油密度ρ=722.2 kg/m3；

燃油流量 Q=60L/h

运动粘度ν=0.85×10-6m2·s-1

即燃油系统沿程摩擦阻力：

燃油系统局部阻力：

式中：Δp 为局部阻力Pa，V0为计算局部阻力的定性流速m/s，ρ为燃油密度kg/m3，ζ为局部阻力系数。

即燃油系统局部阻力：

油面与发动机入口高度差（Δh=0.7m）产生的供油压力：

即发动机燃油泵入口压力为：

航空汽油饱和蒸气压计算式：

式中：t为燃油温度℃，pRid为雷德蒸气压。

表1　航空汽油的雷德蒸气压 （KPa）

当燃油压力小于该温度下燃油的饱和蒸气压时，溶解在燃油中的空气游离出来形成空气泡，在燃油管路中形成气塞。数学表达式为：

上述计算得出，台架试车燃油管路中燃油温度限制值为49.2℃。

结语

从以上分析，发动机试车故障停车原因：在夏季环境温度高，气压低，发动机地面长时间小功率运行时，地面开车冷却措施不足，发动机舱内空气温度升高，同时燃油系统管路与发动机燃油泵入口连接处采用金属铝段过渡，且与发动机排气管靠近，较多的热量使燃油温度大大上升，再加上低气压和发动机燃油泵进口的低压力作用，当燃油管路中的油压降低至等于或小于该温度下燃油的饱和蒸气压时，溶解在燃油中的空气游离处理形成空气泡，与燃油汽化生成的燃油蒸汽在燃油管路中聚集成油气泡，占据部分工作空间，很快在燃油管路中形成气塞，造成供油管路堵塞，发动机供油中断，导致自动停车。

为提高发动机在高温天气下地面稳定性，对燃油系统作出了改进：

开启外部燃油泵，加大发动机燃油泵入口端的燃油压力，使其大于该温度下燃油的饱和蒸气压；

对处于发动机舱内的燃油管路进行隔热处理，减少燃油从外部环境吸收的热量。

采取了以上措施后，后期对发动机进行试车验证，在相同的试验条件下，发动机整个试车过程运行平稳，故障消除。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.010