空中发动机故障判断与分析

来源:热处理技术图解手册作者:网络整理

专业分类】机务维修 文章编号】4-2013-0259

空中发动机故障判断与分析

  

  航空发动机是航空器的动力装置,为其提供飞行推力,被誉为飞机的心脏。在服役过程中,由于不断的启动、关停,以及各种飞行需求,各个部件都承受着复杂的循环载荷。尽管随着制造工艺和维护水平的提高,发动机的可靠性越来越强,但空中停车的情况还是偶有发生。在60年代,平均每年每台发动机失效一次。在今天,平均每台发动机每30年失效一次。这意味着很多现在开始职业生涯的飞行员可能很难机会亲历发动机失效的情况。图1给出了2008年国内外发动机空停千时率。

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  图1:2008年国内空停情况介绍(民航局飞行标准司)

  尽管发动机的可靠性显著提高,但当发动机失效后,由于机组处理不当所导致的事故数量却没有明显变化。这也是我们飞行员需要研究的课题。模拟机训练极大的提高了飞行员处理特情的能力,但是它无法说明所有故障特征,而且有的故障不易识别(如探测系统出现问题)。这令很多飞行员在决断的选择上十分纠结。本文就航班运行中发动机故障的判断与处置展开探讨。

  一、发动机火警

  发动机火警可以发生在飞行的任何阶段,包括空中和地面。发动机火警一般发生在短舱内,但在发动机核心和气道之外,故而称之为外部火警。通常由以下原因导致:1.泄露。可燃液体遇到高温发动机部件被点燃。可燃液体包括:燃油(自动燃点230℃);滑油(自动燃点260℃;液压液体(自动燃点450℃)。2.管道开裂(例如发动机转动部件开裂)。3.燃烧室开裂(会导致火舌式火焰)。

  由于有专门的探测环路和铃声警告,这种故障容易被识别。但是不幸的是,机组人员将看不到,听不到也闻不到发动机起火。这使得飞行员失去了其他参照的对照,有时难以做出最佳决断。

  有时油门收在慢车位,火警信号会消失。这说明是可能是由于高温气体吹在火警探测环路上。例如热引起管道开裂。发动机低功率工作时,进气量减小,火警信号消失。这说明发动机并未着火。发动机火警探测是基于放置在发动机和吊架敏感区域内的温度传感器(环路)工作的。如图2。不同型号的发动机特性不同,放置的位置也不同。单侧环路故障也会引起火警警报。这经常发生在刚刚做完维护的发动机上。准确判断火警警告指示,可以避免不必要的发动机空中关车。

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  图2:典型火警探测传感器(环路)位置

  一般情况下,如果确定判断确实存在火警,需要在第一时间进行发动机关停和拔出灭火手柄,这可以迅速切断发动机的供油,进气,点火。无论何时发生火警,控制飞机状态是最重要的。经过证实,即使在离地后立即出现火警,飞机也有足够的时间爬升到安全高度(公司规定灭火高度为400英尺以上)。着火的破坏性会时间的流失而增强,长时间的燃烧可导致灭火时间增长甚至灭不了火(如灭火器线路烧断),后果是毁灭性的。灭火是一个与时间赛跑的过程,需要在控制好飞行状态的前提下尽可能快的灭火。灭火后不要尝试重新启动发动机,那可能导致复燃。

  二、发动机尾管喷火

  这是由于发动机内部燃油积压,在启动或关车时,积压的燃油从尾喷管喷出,然后被点燃。发动机的尾部会形成一道十几米长的火焰,场面十分壮观。由于其发生在设计温度很高(1000-1200℃)的那一部分内,所以对发动机影响不大。但它有可能对飞机本身产生影响(如损坏襟翼)。由于发生区域位于气道内部,通常称之为内部火警。

  这个特情无法在模拟机训练中表达,所以机组可能接触较少。尾管喷火仅发动在地面发动机启动火关车期间。由于驾驶舱没有任何警告,这个特情的判断需要依靠机务人员、乘务员或ATC的报告。由于尾管喷火伴随大量火焰,他们可能会汇报为发动机着火。若驾驶舱没有火警指示,不要按照火警检查单处置。而且灭火剂喷射区域位于发动机整流罩与核心之间,执行火警检查单并释放灭火瓶对该故障没有任何效果。如图3。尾管喷火检查单中的很多程序在其他发动机失效检查单中不存在,准确判断将帮助发动机尽快冷转灭火。

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  图3 灭火剂与喷火区域分布图

  三、发动机喘振/失速

  当压气机转速一定时,由于某种原因压气机的空气流量减少,导致工作叶轮进口处绝对速度在发动机轴线方向上的分量下降,气流在叶背处发生分离。这种发生在叶背上的现象叫做失速。如果失速叶片过多,会导致压气机喘振。

  通常意义上,发动机喘振上说的是压气机喘振。喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频率,高振幅的震荡现象。压气机喘振根本原因是气流分离。这种分离是由于压气机工作状态严重偏离了设计工作状态所引起的。以下几种情况会导致发动机喘振:1.发动机性能降低(如压气机叶片开裂或高度磨损)2.吸入异物(如鸟类)或冰3.引起系统故障4.发动机控制故障(燃油控制或喘振保护装置)。

  如果在大马力起飞功率下发生压气机喘振,模拟机训练中我们听到的嘭嘭声不足以说明声音的巨大。曾经经历过此种情况的机组在报告中说,那声音好像是有人在他旁边开了一枪。这容易造成机组慌乱,误认为是轮胎爆破或者是炸弹爆炸。航班中的这类事件显示出,机组容易对发动机喘振错误判断导致V1以上中断起飞,冲出跑道造成飞机损坏,乘客受伤甚至死亡。实际上,那仅仅是一声巨响而已。

  根据压气机的不同故障,发动机喘振分为以下几种情况:1.单次可自我恢复。机组人员可能听到一声或两声巨响,发动机参数迅速波动。通常在几分之一秒之内,仪表指示就会恢复正常,难以通过观察仪表指示来判断。2.多次可自我恢复。根据不同原因和条件,喘振会发生多次,每次间隔2-3秒钟,然后指示恢复正常。在此期间会伴随EGT的上升。3.机组处置后喘振停止。机组人员会观察到发动机参数连续几次波动。油门杆收回会,参数指示与油门位置相匹配。单如果重新前推油门到高功率,喘振再次发生。在此种状况下,如机组不及时处理,喘振会持续,直至发动机失效。4.机组处理后不可恢复。这将会有一次单一的爆破声。伴随巨响,发动机减速到零功率,就像不供油一样。这通常意味着发动机严重损坏。油门收回慢车后,EGT还将以15℃/秒的速度上升,持续8秒左右,然后回落;N1,N2指示与油门位置一致;燃油流量在2秒内下降到喘振前的25%,在接下来的6秒内继续降至10%。

  单次可恢复的喘振导致发动机损坏可能性很小。多次持续喘振会损坏压气机叶片。造成压气机效率降低,进入燃烧室气体体积增加,这将导致过量燃油供给。燃烧室冷却区无法保证空气在到达涡轮前充分冷却,造成EGT超限,涡轮叶片工作在超温状态。单次不可恢复的喘振说明压气机叶片可能折断,需尽快关断以避免进一步恶化。

  四、发动机熄火

  熄火意味着伴随着发动机的转速和EGT的下降,燃烧室内的燃烧过程停止。造成发动机熄火的原因多种多样。比如燃油缺乏,遭遇火山灰,大雨/冰雹/结冰,发动机喘振失速等等。发动机熄火会导致多个驾驶舱指示异常,比如电气系统和液压系统。在发动机熄火后的一段时间内,由于失效发仍在风转,转速不会低于慢车,液压低压灯不会亮;如这时油门处于慢车位,飞机滚转不明显,机组可能误判为电气系统故障而不是发动机失效。建议当出现电气系统故障指示时先关注一下发动机参数,毕竟飞机动力才是最重要的。

  大约有10%的熄火发动在起飞阶段。在中低功率设定下,熄火发生最频繁,如巡航和下降。这时很可能是在使用自动驾驶仪飞行。自动驾驶仪将在最大限度的弥补推力不对称后断开(假定接通的是工作发的自动驾驶仪)。这意味着机组需要一个较大的杆力才能控制住飞机状态。如果没有目视参考,如跨洋,夜间,云中飞行,飞机失控的可能性增加。国外已经发生了数次在低功率下发动机熄火,由于机组操作不当导致事故的案例。

  五、发动机严重损坏/分离

  发动机严重损坏意味着硬件已经损坏,发动机无法正常运转。例如轴承故障,异物吸入损坏风扇叶片,转子盘故障等等。判断发动机严重损坏的界限难以界定。发动机生产厂商认为:出现明显破损(如出现大洞或部分缺失)且移动油门杆无反应,可判定为发动机严重损坏。如图4。

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  图4:发动机严重损坏示意图

  发动机严重损坏会伴随有其他状况。如火警(热引气泄漏)或喘振。可能会有一声巨响,N1,N2,燃油流量会下降,EGT短时上升,发动机迅速失去推力。其特点类似于第三部分所说的不可恢复的喘振。

  发动机分离极为罕见。通常发生在起飞爬升阶段或着陆滑跑过程中。受影响一侧发动机主要和次要参数指示全部消失。在高功率情况下出现时,飞机滚转明显。尽快抵舵压盘控制飞机状态,改平坡度。拔出受影响发动机的灭火手柄,这将最快速的关闭翼梁燃油活门防止大规模燃油泄漏。

  六、发动机极限

  发动机极限分为发动机超转和EGT超限。

  发动机超转时,一方面涡轮叶片离心力过大,涡轮叶片容易失效;同时,发动机处于超压状态,超出了发动机强度,直接威胁发动机安全。

  目前高涵道涡扇发动机,无论是涡轮部件还是风扇,都有包容环外罩,能保护叶片断裂后,防止叶片飞出打坏飞机部件。所以,若因使用或发动机故障引起的风扇转子超转,将使用风扇转子负荷过重,转子容易断裂,进而使低压涡轮失去负荷,进一步加剧N1超转。低压涡轮或风扇转子一旦飞出,后果将是毁灭性的。此时适当收小油门,使转速稳定。

  EGT是影响涡轮安全工作的最主要参数。EGT红线是唯一可以偶尔超过而发动机不会故障的红线。

  由于发动机的热能惯性,EGT在起飞滑跑马上要离地或刚刚离地时达到峰值。最大允许的EGT(红线)和起飞中的EGT峰值之间的差值(TO/GA推力)叫做EGT裕度。实际飞行中,空气中的沙尘等会随气流进入发动机,沉积到进气道,压气机叶片,和发动机机匣等表面,引起积污。到一定程度时,将引起气流分离加剧,压气机增压效率降低。如要维持发动机产生的推力不变,则需要更多的燃油供给,导致EGT升高,裕度变小。如CFM56发动机,若压气机效率下降1%,EGT上升10℃,燃油消耗率上升0.6%。因此,EGT裕度也是监控发动机性能衰退的参数。如图5

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  图5:发动机性能衰退

  发动机会在没有故障的情况下超出EGT红线,这时发动机继续产生推力。因此如果机组注意到EGT在起飞滑跑中稍稍超出红线,且较为稳定,可继续起飞,将飞机建立在初始爬升航径上再执行程序。落地后在飞行记录本中报告,这说明发动机需要及时维护。

  EGT突然异常变化说明发动机故障。EGT高可能意味着:1.发动机喘振/失速2.尾管喷火3.发动机熄火。需要及时按照检查单处置。

  七、发动机锁死

  这里要提到一个误区。高压涡轮和高压压气机相连,低压涡轮和低压压气机相连。保持架把轴承之间均匀隔开,以避免相互碰撞摩擦。高压转子转轴和低压转子转轴并没有机械联系,只有气动联系。高压涡轮旋转带动高压压气机叶片旋转,吸入空气。由于空气冲击,低压压气机转子旋转,带动低压涡轮。所以发动机轴承之间不会由于滑油泄露等故障造成发动机锁死。

  可能引起该故障的原因分别为:1.蓖齿式封严上下蓖齿接触。这是由于发动机温度升高,导致内部零部件膨胀,使蓖齿封严和蓖齿相接触,导致转子锁死。2.压气机或涡轮中转子和静子相对锁死。通常发生在发动机严重损坏空中关车后,飞机快速俯冲,由于冲压空气持续冲击风扇,前,后叶片保持器损坏,转子叶片发生位置移动,与静子叶片(导向器)卡在一起。这意味涡轮和压气机大多数叶片被毁。这不是一个瞬间的过程:打破相对固定的静子和转子部件需要极大的能量。

  发动机锁死会导致发动机震动,零转速,轻度飞机偏航并可能有异常噪音(风扇转子损坏)。在正常工作的发动机一侧,由于燃油自动补偿系统,燃油流量会有一定程度增加。如果没有别的故障指示,不需要机组进行处置。

  在航班运行中会遇到的发动机故障不限于以上所述,但有些故障极少发生或是与其他系统有较大关联,这里不一一赘述。

  下面是一个图表,它给出了各种故障下有可能出现的状况。

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