SR20飞机螺旋桨系统工作原理及典型故障分析
作者：王凯 蒋平清
来源：《航空维修与工程》2021年第04期
摘要：基于SR20飞机恒速螺旋桨的系统构造，通过对该型飞机螺旋桨、调速器的构造和桨毂润滑机制的工作原理进行分析，深入阐述了诸如发动机转速损失、发动机超转/全功率转速不足、螺旋桨桨毂油脂过多等典型故障的故障原因及表征现象，提供了螺旋桨系统类似故障的诊断方法及故障排除措施，为该型飞机螺旋桨、调速器的日常维护、故障排除和预防提供了有力依据。
关键词：螺旋桨系统；调速器；工作原理；故障机制；故障表征
Keywords：propeller system；governor；operating principle；failure mechanism；failure symptom
螺旋桨作为飞机发动机功率输出的重要部件，其功能及重要性不言而喻。SR20飞机作为
我分院飞行训练的主力初教机型，其螺旋桨系统性能的好坏直接影响到SR20机队运行的可靠性与安全性。笔者基于多年的一线维护实践经验，对SR20飞机螺旋桨系统的主要部件（螺旋桨、调速器）的工作原理及螺旋桨桨毂的润滑机制进行了深入研究和阐述，并对几起诸如发动机转速损失、发动机超转/全功率转速不足、桨毂润滑脂过多等典型故障进行了深入剖析，旨在使一线维修人员能够及时、准确地判断类似故障的故障原因并及时采取有效的故障排除措施，以降低SR20型飞机的停场率，提高SR20型飞机的安全性能和使用率。
1 SR20飞机螺旋桨系统工作原理简介
SR20飞机所配备的螺旋桨为三叶、铝制、恒速、无顺桨螺旋桨，铝制桨叶安装在铝制桨毂内，该桨毂内含有一个由活塞、活塞杆和桨叶作动组件组成的桨距变化机构。螺旋桨转速调整是通过调整与安装在油门操纵杆上平板型凸轮连接的螺旋桨控制钢索实现的。该恒速螺旋桨是由发动机转速感应装置（调速器）通过改变桨叶角来保持发动机/螺旋桨恒速的。该调速器内置一个由发动机驱动的泵体，该泵体能够增大供给螺旋桨的发动机滑油压力。调速器内部的发动机转速感应装置控制提供给螺旋桨的滑油供给量，通过供油或回油以保持发动机转速恒定。
螺旋桨桨叶角的改变是通过一个安装在螺旋桨桨毂前端的液压活塞/桨缸组合装置实现的（如图1所示）。液压活塞的直线运动通过变距杆和变距叉传递给每个桨叶，位于每个桨叶底座的变距旋钮与变距叉相连，每个桨叶根部通过保持轴承支撑，保持轴承使桨叶牢牢地固定在桨毂上，同时也能够使桨叶角改变。具体表现为：作用在桨叶上的离心扭转力使桨叶角变小（低距）进而使转速增加，由于离心扭转力只有当螺旋桨旋轉时存在，在螺旋桨内部
安装了一个机械弹簧以便于在转速减小时使桨叶向低距运动，当螺旋桨静止时将桨距降至最小（低距限动位）。当桨叶在低距时起动发动机，起动机的负载将会明显减小。油压作用与弹簧和离心扭转力相反，使桨叶角增大（变大距）以降低发动机转速，当油压损失时，螺旋桨会向低距运动，这是由于弹簧和桨叶离心扭转力不再反作用于油压，螺旋桨就会减小桨叶角到低距限动位。此种情况下，当油门杆在最前位（起飞和爬升阶段）时，螺旋桨转速为2700RPM，在中间位至全功率的巡航状态下螺旋桨转速为2500RPM，在较低功率下螺旋桨转速为1900RPM。
2 典型故障分析
2.1 发动机转速损失故障分析
故障案例回顾：2019年12月26日，一架SR20飞机执行本场飞行训练，机组反映该机地面起飞增速滑跑中，当油门加至2/3处时，发动机转速有明显损失，随即该机中断起飞。该机滑回后维修人员进行发动机试车检查，发动机工作正常，无掉转速、功率损失等异常情况。
经查询，该机于2019年12月22日完成PhaseIII渐进式检查工作，并于12月26日参加飞
行。随后使用EGView Engine Monitor Graphing & Analysis软件读取发动机数据进行分析。从读取的发动机数据来看，在当日地面起飞增速滑跑阶段，发动机转速增至最高转速（2678RPM）之前的2s时间段内，发动机滑油压力数值与发动机转速呈反向变化趋势（即在该2s内，滑油压力随转速增大而降低），在发动机转速增至最大转速时滑油压力降至最低（40psi）；而后发动机转速由2678RPM降至2438RPM的2s时间段内，发动机滑油压力数值与发动机转速亦呈反向变化趋势（即滑油压力随转速减小而增加），在发动机转速降至最低（2438RPM）时滑油压力升至最高（46psi）；随后发动机转速与滑油压力均呈小幅度反向波动状态（持续时间约2s）并逐渐恢复正常。而在整个变化过程中，发动机排气温度、气缸头温度、燃油流量、进气压力均指示正常，且发动机工作稳定。如图2所示。
从上述情况判断，由于SR20飞机发动机配备的为自动变距恒速螺旋桨，在驾驶舱油门杆由低功率推至全功率转速的过程中，在接近巡航转速（调速器调节工作转速）时，有部分滑油开始供向调速器变距油路。鉴于该飞机是定检、停放后的首次飞行，从当天发动机数据来看，上述现象出现前，飞行人员在地面试车时未进行全功率转速的检查（检查单无相关要求，SR20 飞机在正常进行推油门至最大转速前存在一定的转速掉转现象，系调速器工作所致），造成调速器供给螺旋桨的压力滑油（变距油路）中存有气泡，导致发动机指示滑油压
力出现短暂性降低（间断、不连续）。且在正常地面进行发动机试车检查时，在首次推油门至全功率过程中，在调速器介入工作阶段（转速一般在2500RPM左右，油门杆约2/3位），发动机转速均会有50RPM左右的掉转（转速掉转数值与试车人员推油门速度快慢有关）。再加之飞机运动加速滑跑等外界干扰的影响，当出现发动机转速瞬时增大至最大转速（2678RPM）时，调速器调速迅速进行调速工作，因螺旋桨变矩运动迟缓，致使发动机调速器调速过程中转速波动较大，调速时间较长（持续时间约2s）。
综上分析，造成此次地面起飞增速滑跑中发动机转速损失240RPM的原因为调速器变距油路中混有气体，导致调速器供给螺旋桨的压力滑油中断、不连续，导致调速器变距反应迟缓。
2.2 发动机超转或全功率转速过低故障分析
螺旋桨超转是指螺旋桨或发动机超过了设定的最大转速限制，或发动机（螺旋桨）转速高于飞行员通过螺旋桨控制杆设定转速的现象；而全功率转速过低是指发动机输出转速低于飞行操作手册所规定的全功率转速值，以至于发动机无法达到全功率输出的现象。由于飞行时发动机负载较小，为了确保在飞行条件下发动机输出转速为2700RPM，在地面静态调整时，发动机转速应设置为大约2650RPM。
发动机调速器 需要注意的是，调速器钢索与燃油计量装置（发动机油门体）钢索通过不同的连接接头连接在驾驶舱内的油门杆上，油门体与调速器都是通过油门杆进行操纵，即具有油门-变距联动机构（如图3所示）。有时为了达到规定的最大转速（静止状态下）而进行的低距限动钉调整可能会掩盖发动机的功率问题，由于发动机的计算功率受发动机转速、进气压力、燃油流量等诸多参数的影响，因此在进行螺旋桨低距限动调整工作时，需确保驾驶舱内油门杆在最前位时，发动机油门体和螺旋桨调速器低距限动钉必须同时限动，且油门杆与驾驶舱操纵台前端有一定间隙，以确保燃油计量装置的节气门全开，从而使发动机达到全功率输出状态。
当出现发动机超转（即空中转速超出2700RPM）或全功率转速过低（即地面转速低于2650RPM）时，需要对螺旋桨低距或调速器低距限动进行调整。
螺旋桨低距限动调整程序如下：
1）脱开调速器操纵钢索并适当退出调速器上的低距限动钉； 2）松开压紧螺帽的同时用内六角扳手固定低距限动钉，以防止锁紧螺母松动时低距限动钉转动；3）向里转动低距限动钉会增大桨距、减小转速，向外转动低距限动钉会减小桨距、增大转速，转动低距限动钉1 圈，会造成转速增加或减少约200 RPM 。
调速器低距限动钉调整程序如下：
1）起动发动机并暖机，在油门杆放置在最前端时，确保转速表读数为2650 RPM；2）如果发动机转速表读数不在2650 RPM，关闭发动机，在调速器上调整低距/高转速限动钉；3）拧松调整螺钉锁紧螺母，顺时针转动螺钉减小发动机转速，逆时针转动螺钉增大发动机转速（转动调整螺钉1圈会增大或减小发动机转速约25～30 RPM；4）拧紧调整螺钉锁紧螺母。
2.3 螺旋桨桨毂油脂过多故障分析
2019-2020年期间，我分院送往螺旋桨翻修厂家的螺旋桨在分解检查时发现，多副螺旋
桨均存在桨毂充满润滑脂、桨叶轴承油脂变质硬化、变矩活塞与桨毂之间积存大量润滑脂、桨毂中存在较多轻质不明油液的情况。经分析认为，润滑脂进入桨毂的主要原因是桨叶轴承区域润滑脂硬化和桨毂内润滑脂黏稠度过高，导致每次执行螺旋桨桨毂润滑工作注入新鲜润滑脂时，新鲜润滑脂由于受到阻碍作用，无法正常从对侧排油孔排出（旧油脂），转而进入阻碍相对较小的桨毂区域。由于桨叶轴承区域内的硬化润滑脂无法正常排出，随着时间积累，进入桨毂内的润滑脂日益增多，进而导致在整个螺旋桨翻修周期内桨毂内的润滑脂过量，甚至出现因油脂过多将桨毂堵塞憋出的现象。
所以，外场通过注油润滑不能完全替换掉轴承中的旧油脂，只能通过补油使桨叶轴承始终充满润滑脂。
根据手册中的描述，若桨毂中进入大量润滑脂，有可能会引起螺旋桨变矩迟缓，甚至油脂进入变矩活塞与桨毂之间区域直接影响螺旋桨变矩，也可能会造成振动值超标、发动机异常掉转或超转等故障现象。
其间维修人员在进行螺旋桨润滑时所使用的润滑脂均为Aeroshell 6号潤滑脂，在离心力作用及高温环境下容易发生油脂分离，造成桨叶轴承处润滑脂硬化。2020年1月，Hartzell公
司发布HC-SL-61-366，正式通知用户换用NYCO GN 3058润滑脂。NYCO GN 3058是一种新型的锂复合合成润滑脂，在Hartzell的测试中，该型油脂是所有被测油脂中分离油量最少的，除了表现出最高的稳定性，NYCO GN 3058润滑脂还具有更好的耐磨性、耐腐蚀性和耐水性能。相比现用黏土基Aeroshell 6号润滑脂，抗油脂分离性能更好，不易硬化，若换用NYCO GN 3058会有效减少油脂分离问题并能减少螺旋桨过度润滑问题。随即维修人员对润滑脂进行了更换，以评估测试换用新型润滑脂对桨毂润滑情况的影响。结果表明，自更换NYCO GN 3058润滑脂后，桨毂油脂过多的故障现象不复存在。
3 维护建议
基于前文中对SR20型飞机螺旋桨系统的工作原理、调速器的变距原理、螺旋桨桨毂润滑机理的介绍，以及对发生的几起典型故障的阐述，针对SR20飞机螺旋桨系统的日常维护及检查提出以下建议，以切实提高SR20型飞机动力系统的可靠性。
1）在完成SR20飞机阶段检查工作时，在进行SR20飞机地面试车时，发动机暖机至滑油温度达到绿区，从低功率到全功率反复推拉油门杆3 次以上，并执行两次巡航功率检查，使螺旋桨自动变距，以消除螺旋桨调速器变距油路中的气泡；
2）在地面调整发动机全功率转速时，必须严格按照前述所要求的先检查/调整螺旋桨低距、后调整调速器低距限动，以避免掩盖发动机功率的其他问题；
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