某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車(chē)故障分析與預(yù)防

蔡宇攀

（廣州市交通技師學(xué)院，廣東 廣州 510100）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)動(dòng)力總成的最核心的部件[1]，是飛機(jī)飛行動(dòng)力、機(jī)載器部件工作運(yùn)轉(zhuǎn)的能量源泉，一旦發(fā)生故障，將使飛機(jī)直接失去推力和操縱，是航空領(lǐng)域危險(xiǎn)系數(shù)最高的機(jī)械故障之一。及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象，透過(guò)故障現(xiàn)象盡快弄清故障機(jī)理，對(duì)第一時(shí)間正確有效應(yīng)對(duì)故障，降低故障引發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)具有非常重要而現(xiàn)實(shí)的意義。本文深入剖析了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車(chē)的故障現(xiàn)象，歸納總結(jié)了主要原因，研析了產(chǎn)生故障的機(jī)理，探索了預(yù)防措施。

據(jù)資料表明，某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車(chē)，多發(fā)生在高度大于7 千米的高空環(huán)境中，其中高度在14 千米以上的超高空占停車(chē)總數(shù)的88%左右。引起發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車(chē)的原因很多，歸納起來(lái)，可分為操縱使用不當(dāng)、參數(shù)調(diào)整不當(dāng)和機(jī)械故障三個(gè)方面。

1 操縱使用不當(dāng)引起的空中停車(chē)

1.1 故障現(xiàn)象與原因分析

1.飛行員操縱飛機(jī)在進(jìn)行小半徑轉(zhuǎn)彎或者大機(jī)動(dòng)飛行的同時(shí)，急劇改變發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)引發(fā)空中停車(chē)。根本原因是發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)出現(xiàn)了喘振，喘振發(fā)生后，空氣流不能順暢進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，在供油量不變的情況下，進(jìn)入主燃燒室混合氣的油氣比a 遠(yuǎn)大于1，主燃燒室出現(xiàn)富油熄火。在7 千米以上高空飛行時(shí)，受空氣溫度隨高度升高而逐漸降低的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的進(jìn)口溫度降低，增加比增大，空氣進(jìn)入低壓壓氣機(jī)的沖角減小，但同時(shí)進(jìn)入高壓壓氣機(jī)的沖角增大，導(dǎo)致低壓壓氣機(jī)的喘振裕度增大，高壓壓氣機(jī)的喘振裕度減小。高空小表速飛行時(shí)，由于空氣稀薄，密度顯著降低，同等條件下進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣含氧量明顯下降，使壓氣機(jī)特征曲線向右下方移動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪效率低，從主燃燒室進(jìn)入高壓渦輪的高溫高壓燃?xì)饬髁繙p少，保持相同轉(zhuǎn)速時(shí)，渦輪前燃?xì)鉁囟壬?，使飛機(jī)飛行高度在增大的同時(shí)，壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作裕度迅速減小。飛機(jī)進(jìn)行大機(jī)動(dòng)飛行或者遇到大氣擾流時(shí)，總是帶著迎角和側(cè)滑角，因此氣流斜向流入進(jìn)氣道，在對(duì)稱形進(jìn)氣道內(nèi)出現(xiàn)不對(duì)稱流動(dòng)，在進(jìn)氣道內(nèi)分別形成了高壓區(qū)和低壓區(qū)，氣流在壓力作用下會(huì)從高壓區(qū)向低壓區(qū)串流，進(jìn)氣道的喘振裕度減小，同時(shí)使壓氣機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)不均勻程度加劇，總壓損失增大，壓氣機(jī)喘振裕度減小。因此飛機(jī)高空飛行時(shí)，使本來(lái)就小的壓氣機(jī)喘振裕度變得更小，飛行高度越高，壓氣機(jī)喘振裕度越小，如果此時(shí)改變發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，很容易使發(fā)動(dòng)機(jī)喘振停車(chē)。

2.高空機(jī)動(dòng)飛行加速推油門(mén)過(guò)快引發(fā)空中停車(chē)。發(fā)動(dòng)機(jī)在加速時(shí)，低壓轉(zhuǎn)子的共同工作線遠(yuǎn)離喘振邊界，高壓轉(zhuǎn)子的共同工作線靠近喘振邊界。加速過(guò)程中，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升快，相當(dāng)于低壓轉(zhuǎn)子出氣更加順暢，氣壓的節(jié)流阻擋作用減弱，這種情況下能有效避免產(chǎn)生喘振。高壓轉(zhuǎn)子因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)加速供油量不隨外界條件變化，飛行高度越高，進(jìn)氣的含氧量就越低，這時(shí)出現(xiàn)了富油現(xiàn)象，渦輪前燃?xì)鉁囟入S之會(huì)越來(lái)越高，此時(shí)高壓轉(zhuǎn)子共同工作線向喘振邊界偏移，容易產(chǎn)生喘振停車(chē)。

3.高空機(jī)動(dòng)飛行時(shí)收油門(mén)減速過(guò)快引發(fā)空中停車(chē)。發(fā)動(dòng)機(jī)減速時(shí)，低壓轉(zhuǎn)子共同工作線靠近喘振邊界，高壓轉(zhuǎn)子共同工作線遠(yuǎn)離喘振邊界。空中小表速飛行時(shí)，轉(zhuǎn)子共同工作線向左上方移動(dòng)[2]；飛機(jī)進(jìn)行大機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的氣流方向突變明顯，喘振邊界向右下方移動(dòng)。所以，在高空小表速大機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，壓氣機(jī)的喘振裕度減小明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作的范圍迅速變小。如果減速時(shí)，收油門(mén)動(dòng)作稍快一些，會(huì)使低壓壓氣機(jī)的共同工作線進(jìn)入喘振區(qū)引發(fā)喘振，高壓壓氣機(jī)受低壓壓氣機(jī)喘振影響，也會(huì)進(jìn)入喘振狀態(tài)，導(dǎo)致空中停車(chē)。

4.飛機(jī)動(dòng)力升限飛行時(shí)動(dòng)作量過(guò)大引發(fā)空中停車(chē)。動(dòng)力升限飛行特點(diǎn)明顯：飛機(jī)迎角大、表速小、高度高。由于飛機(jī)迎角大，進(jìn)氣道處于不對(duì)稱狀態(tài)下工作，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口氣流流場(chǎng)很不均勻，使壓氣機(jī)喘振裕度減小較多；由于表速小、高度高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的共同工作線向左上方移動(dòng)，進(jìn)一步減小壓氣機(jī)喘振裕度，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作的范圍變得很小。如果操縱動(dòng)作量大，則將使壓氣機(jī)的喘振裕度進(jìn)一步減小，極易引起喘振停車(chē)。

1.2 預(yù)防措施

1.防止發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車(chē)，主要措施是詳細(xì)了解各種飛行狀態(tài)的特點(diǎn)，正確使用發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)夏季低空大速度飛行時(shí)，壓氣機(jī)的喘振上限轉(zhuǎn)速是隨著溫度和飛行速度的增大而增大，在飛行中大表速狀態(tài)下要收油門(mén)減速時(shí)，應(yīng)分段收油門(mén)，不能速度太快、動(dòng)作太猛。在條件允許的情況下，收油門(mén)減速與小半徑轉(zhuǎn)彎不要同時(shí)進(jìn)行。

2.要正確掌握接通和斷開(kāi)加力的時(shí)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)加力的接通與斷開(kāi)，都是發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的突變，不要在機(jī)動(dòng)飛行全加力時(shí)猛關(guān)加力；斷開(kāi)加力時(shí)，先收到最大狀態(tài)，停留不少于5 秒后，再收油門(mén)至需要的轉(zhuǎn)速；嚴(yán)格按規(guī)定使用偶遇加速。

3.要防止空中供油中斷，尤其要嚴(yán)格控制零、負(fù)過(guò)載飛行，不能超過(guò)規(guī)定值。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)調(diào)整不當(dāng)引起的空中停車(chē)

2.1 故障現(xiàn)象與原因分析

1.加速副油道油壓調(diào)整不當(dāng)引起推油門(mén)加速時(shí)出現(xiàn)空中停車(chē)，主要原因是加速副油道油壓偏高。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)升壓限制器工作原理可知，副油道油壓作用于升壓限制器活門(mén)左邊，在克服活門(mén)右邊的彈簧力后，活門(mén)右移，打開(kāi)隨動(dòng)活塞左側(cè)的進(jìn)油路和中間的回油路，限制隨動(dòng)活塞左移速度，避免供油量過(guò)多；同時(shí)，關(guān)閉活塞右側(cè)通低壓腔的油路，從定壓活門(mén)后來(lái)的油液經(jīng)層板節(jié)流器進(jìn)入升壓限制器活塞后，不能流回低壓腔，活塞右腔油壓增大，使活塞逐漸左移，增大活門(mén)彈簧力，又使活門(mén)左移，逐漸關(guān)小隨動(dòng)活塞進(jìn)、回油路的開(kāi)度，以控制隨動(dòng)活塞左移速度。若慢車(chē)副油道油壓偏高，必將使加速供油量增加過(guò)快，加速時(shí)間變短，燃燒室內(nèi)過(guò)分富油，造成發(fā)動(dòng)機(jī)熄火停車(chē)。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)控制高空限制器活門(mén)開(kāi)度的P2"調(diào)整不當(dāng)引發(fā)空中停車(chē)。高空飛行時(shí)，加力燃燒室燃?xì)鈮毫Φ?，燃燒條件差，空氣流量小，加力供油量也小，加力噴嘴前的油壓降低，燃油霧化變差，這些都使穩(wěn)定燃燒范圍大幅度縮小。如果P2"調(diào)整不當(dāng)，造成加力燃燒室燃燒不穩(wěn)定，極易產(chǎn)生推力脈動(dòng)甚至熄火。加力燃燒室熄火后，渦輪后的壓力發(fā)生突降，落壓比激增導(dǎo)致渦輪功突然加大，渦輪帶動(dòng)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1 突然增大，引起喘振停車(chē)。加力燃燒室熄火后，N1 突增，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)小供油量，易引起主燃燒室余氣系統(tǒng)貧油熄火停車(chē)。

3.加力供油速度和噴口收放速度不協(xié)調(diào)引發(fā)空中停車(chē)。主要在接通加力過(guò)程中，通過(guò)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2 和渦輪功的突增、急降，使壓氣機(jī)喘振裕度大幅度減小引發(fā)喘振。加力燃燒室的余氣系數(shù)過(guò)貧或過(guò)富，超出穩(wěn)定燃燒范圍引起熄火，進(jìn)而導(dǎo)致主燃燒室也出現(xiàn)富油熄火。在高空接通加力過(guò)程中，如果加力供油速度與噴口收放速度不協(xié)調(diào)，更容易引起空中停車(chē)，因?yàn)楦呖诊w行時(shí)，加力燃燒室、主燃燒室的穩(wěn)定燃燒范圍小，壓氣機(jī)喘振裕度更小。

2.2 預(yù)防措施

1.新發(fā)動(dòng)機(jī)或新燃油泵裝機(jī)后，啟封或者磨合運(yùn)轉(zhuǎn)不徹底，也可能會(huì)造成推油門(mén)加速時(shí)停車(chē)，所以在裝機(jī)后第一次試車(chē)時(shí)，應(yīng)從慢車(chē)N1 為33%到99%推收油門(mén)不少于8 至10 次；空中試飛時(shí)，應(yīng)在高度5-10千米范圍內(nèi)，以發(fā)動(dòng)機(jī)額定狀態(tài)工作過(guò)不少于30 分鐘。

2.為保證噴口收放速度與加力供油速度協(xié)調(diào)，一般情況下規(guī)定地面接通加力的瞬間（5 秒鐘內(nèi)），低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不超過(guò)106.5%，渦輪后溫度急降在20至60℃之間，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速允許有急降現(xiàn)象。

3.機(jī)務(wù)人員要嚴(yán)格落實(shí)飛機(jī)維護(hù)規(guī)程，定期開(kāi)展噴口收放檢查測(cè)量，及時(shí)消除隱患。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障引起的空中停車(chē)

3.1 停車(chē)現(xiàn)象與原因分析

1.中央傳動(dòng)裝置損壞引起空中停車(chē)。中央傳動(dòng)裝置的從動(dòng)圓錐齒輪在飛行中疲勞損壞，不能帶動(dòng)主燃油泵、轉(zhuǎn)速傳感器等附件工作，燃油不能正常供往發(fā)動(dòng)機(jī)，致使發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室貧油熄火。故障特征是：低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1 指示10%左右，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2 指零，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度表、滑油壓力表指零，發(fā)電機(jī)故障信號(hào)燈亮，且空中開(kāi)車(chē)不成功。

2.轉(zhuǎn)子抱軸引起空中停車(chē)。發(fā)動(dòng)機(jī)的前中介軸承或后中介軸承因潤(rùn)滑不良而損壞，發(fā)動(dòng)機(jī)抱軸，壓氣機(jī)和渦輪由雙轉(zhuǎn)子變成單轉(zhuǎn)子。當(dāng)?shù)蛪恨D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1 大于85%，發(fā)動(dòng)機(jī)喘振停車(chē)，空中開(kāi)車(chē)不成功。

3.壓氣機(jī)葉片折斷引起空中停車(chē)。飛行中因意外撞鳥(niǎo)或進(jìn)氣道結(jié)冰，打傷發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)葉片，或一級(jí)葉片氣流攻角增大接近臨界攻角，發(fā)生顫振，使一級(jí)壓氣機(jī)葉片發(fā)生折斷，折斷部分打傷后幾級(jí)葉片，使壓氣機(jī)喘振裕度減小出現(xiàn)喘振。嚴(yán)重時(shí)，會(huì)卡死低壓轉(zhuǎn)子，造成發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車(chē)。如果第二、三、四級(jí)低壓壓氣機(jī)葉片折斷，壓氣機(jī)的喘振裕度會(huì)銳減，在外界因素干擾下，極易喘振停車(chē)。

4.渦輪裝置損壞引發(fā)空中停車(chē)。高壓渦輪葉片折斷，渦輪轉(zhuǎn)子平衡性變差，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值超標(biāo)，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速擺動(dòng)量超過(guò)2%，發(fā)動(dòng)機(jī)工作極不穩(wěn)定。另外，高壓渦輪葉片折斷后，還會(huì)引起高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，高低壓壓氣機(jī)和渦輪的轉(zhuǎn)速差增大。此時(shí)高壓壓氣機(jī)對(duì)低壓壓氣機(jī)的節(jié)流作用增強(qiáng)，低壓壓氣機(jī)的喘振裕度變小，也易造成低壓壓氣機(jī)喘振停車(chē)。如果低壓渦輪導(dǎo)向器葉片燒蝕變形，在一般情況下，使低壓渦輪功減小，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1 下降，為保持N1 不變，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器會(huì)增大發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量，使渦輪前燃?xì)鉁囟壬?，一方面使高壓壓氣機(jī)的喘振裕度再次減小，另一方面將進(jìn)一步燒壞渦輪。如果燒蝕變形嚴(yán)重，渦輪導(dǎo)流葉片和低壓渦輪轉(zhuǎn)子會(huì)發(fā)生嚴(yán)重摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)。

5.燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障引起空中停車(chē)。主要是燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各調(diào)節(jié)元件不能根據(jù)飛行狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的需要自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量，造成主燃燒室超出穩(wěn)定燃燒范圍而熄火停車(chē)。最常見(jiàn)的是燃油系統(tǒng)等差活門(mén)出現(xiàn)卡滯，活門(mén)運(yùn)動(dòng)摩擦力增大。當(dāng)收油門(mén)到自始轉(zhuǎn)速以下位置時(shí)，由于油門(mén)開(kāi)關(guān)前后油壓差急劇增大[3]，等差活門(mén)兩端的油壓差亦隨之增大，仍能推動(dòng)活門(mén)左移，打開(kāi)通往調(diào)節(jié)活塞左室進(jìn)油路和中室的回油路，以減小油泵的供油量。當(dāng)油泵供油量下降后，作用在等差活門(mén)兩端的油壓差力逐漸下降，等差活門(mén)在彈簧力的作用下使活門(mén)右移，關(guān)閉通往調(diào)節(jié)活塞的進(jìn)、回油路，以保持此時(shí)的供油量不再繼續(xù)下降。但由于等差活門(mén)已被卡滯在打開(kāi)位置，彈簧力不能克服摩擦力和油壓差力，活門(mén)不能右移，調(diào)節(jié)活塞左室和中室的油門(mén)不能關(guān)閉，此時(shí)油泵的供油量繼續(xù)下降，致使發(fā)動(dòng)機(jī)貧油熄火停車(chē)。

6.加力系統(tǒng)故障引起空中停車(chē)。（1）加力輸油圈斷裂、加力燃油不能霧化燃燒，接不通加力，但此時(shí)噴口已經(jīng)放大，使得加力燃燒室內(nèi)溫度下降，渦輪后壓力降低，低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速N1 突增，引起低壓壓氣機(jī)喘振停車(chē)。（2）渦輪后P4 導(dǎo)管斷裂，落壓比調(diào)節(jié)器薄膜上的壓差增大，落壓比調(diào)節(jié)器調(diào)大加力供油量，加力燃燒室溫度增高，P4 增大，渦輪增壓比減小，高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小，為保持轉(zhuǎn)速N1 不變，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)大供油量，渦輪前溫度增高，易燒壞渦輪而引發(fā)停車(chē)。（3）噴口操縱系統(tǒng)故障，斷加力時(shí)，噴口收的過(guò)慢，仍處于較大直徑位置，渦輪后壓強(qiáng)降低，渦輪落壓比增大，使低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為了保持低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1 不變，減小供油量，從而使渦輪前溫度降低，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2 隨之降低，N1、N2 轉(zhuǎn)速差增大，高壓壓氣機(jī)對(duì)低壓壓氣機(jī)的節(jié)流作用增強(qiáng)，使低壓壓氣機(jī)喘振停車(chē)[4]。

3.2 預(yù)防措施

1.做好日常維護(hù)保養(yǎng)，嚴(yán)格執(zhí)行《飛機(jī)維護(hù)規(guī)程》規(guī)定，保持燃油系統(tǒng)的清潔，防止雨水、雜質(zhì)等進(jìn)入系統(tǒng)，引起燃油系統(tǒng)的活門(mén)等運(yùn)動(dòng)機(jī)件銹蝕或卡滯；嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量檢驗(yàn)制度，把好放飛關(guān)。

2.加強(qiáng)對(duì)油門(mén)操縱系統(tǒng)的檢查維護(hù)，防止操縱系統(tǒng)連接部件松脫造成操縱失靈。

3.地面試車(chē)時(shí)注意觀察發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)變化，遇有不符合規(guī)定值時(shí)，認(rèn)真診斷修復(fù)。

4.正確調(diào)整起動(dòng)性能和加減速性能，確保符合相關(guān)規(guī)定。

海恩法則警示我們，只要及時(shí)斬?cái)嗳魏我粭l安全隱患鏈條，都完全能夠避免事故的發(fā)生。一臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)有成千上萬(wàn)個(gè)零部件，在使用過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)磨損老化，甚至疲勞斷裂失效，這是一個(gè)從量變到質(zhì)變的過(guò)程，只要我們?cè)谌粘＞S修工作中注意觀察，善于發(fā)現(xiàn)微小變化，及時(shí)處置，定能防患于未然，保證飛行安全的萬(wàn)無(wú)一失。