空中發(fā)動機故障判斷與分析

高玉杰

航空發(fā)動機是航空器的動力裝置，為其提供飛行推力，被譽為飛機的心臟。在服役過程中，由于不斷的啟動、關停，以及各種飛行需求，各個部件都承受著復雜的循環(huán)載荷。盡管隨著制造工藝和維護水平的提高，發(fā)動機的可靠性越來越強，但空中停車的情況還是偶有發(fā)生。在60年代，平均每年每臺發(fā)動機失效一次。在今天，平均每臺發(fā)動機每30年失效一次。這意味著很多現(xiàn)在開始職業(yè)生涯的飛行員可能很難機會親歷發(fā)動機失效的情況。圖1給出了2008年國內(nèi)外發(fā)動機空停千時率。

圖1：2008年國內(nèi)空停情況介紹（民航局飛行標準司）

盡管發(fā)動機的可靠性顯著提高，但當發(fā)動機失效后，由于機組處理不當所導致的事故數(shù)量卻沒有明顯變化。這也是我們飛行員需要研究的課題。模擬機訓練極大的提高了飛行員處理特情的能力，但是它無法說明所有故障特征，而且有的故障不易識別（如探測系統(tǒng)出現(xiàn)問題）。這令很多飛行員在決斷的選擇上十分糾結。本文就航班運行中發(fā)動機故障的判斷與處置展開探討。

一、發(fā)動機火警

發(fā)動機火警可以發(fā)生在飛行的任何階段，包括空中和地面。發(fā)動機火警一般發(fā)生在短艙內(nèi)，但在發(fā)動機核心和氣道之外，故而稱之為外部火警。通常由以下原因?qū)е拢?.泄露?？扇家后w遇到高溫發(fā)動機部件被點燃?？扇家后w包括：燃油（自動燃點230℃）；滑油（自動燃點260℃；液壓液體（自動燃點450℃）。2.管道開裂（例如發(fā)動機轉(zhuǎn)動部件開裂）。3.燃燒室開裂（會導致火舌式火焰）。

由于有專門的探測環(huán)路和鈴聲警告，這種故障容易被識別。但是不幸的是，機組人員將看不到，聽不到也聞不到發(fā)動機起火。這使得飛行員失去了其他參照的對照，有時難以做出Z佳決斷。

有時油門收在慢車位，火警信號會消失。這說明是可能是由于高溫氣體吹在火警探測環(huán)路上。例如熱引起管道開裂。發(fā)動機低功率工作時，進氣量減小，火警信號消失。這說明發(fā)動機并未著火。發(fā)動機火警探測是基于放置在發(fā)動機和吊架敏感區(qū)域內(nèi)的溫度傳感器（環(huán)路）工作的。如圖2。不同型號的發(fā)動機特性不同，放置的位置也不同。單側環(huán)路故障也會引起火警警報。這經(jīng)常發(fā)生在剛剛做完維護的發(fā)動機上。準確判斷火警警告指示，可以避免不必要的發(fā)動機空中關車。

圖2：典型火警探測傳感器（環(huán)路）位置

一般情況下，如果確定判斷確實存在火警，需要在時間進行發(fā)動機關停和拔出滅火手柄，這可以迅速切斷發(fā)動機的供油，進氣，點火。無論何時發(fā)生火警，控制飛機狀態(tài)是Z重要的。經(jīng)過證實，即使在離地后立即出現(xiàn)火警，飛機也有足夠的時間爬升到安全高度（公司規(guī)定滅火高度為400英尺以上）。著火的破壞性會時間的流失而增強，長時間的燃燒可導致滅火時間增長甚至滅不了火（如滅火器線路燒斷），后果是毀滅性的。滅火是一個與時間賽跑的過程，需要在控制好飛行狀態(tài)的前提下盡可能快的滅火。滅火后不要嘗試重新啟動發(fā)動機，那可能導致復燃。

二、發(fā)動機尾管噴火

這是由于發(fā)動機內(nèi)部燃油積壓，在啟動或關車時，積壓的燃油從尾噴管噴出，然后被點燃。發(fā)動機的尾部會形成一道十幾米長的火焰，場面十分壯觀。由于其發(fā)生在設計溫度很高（1000-1200℃）的那一部分內(nèi)，所以對發(fā)動機影響不大。但它有可能對飛機本身產(chǎn)生影響（如損壞襟翼）。由于發(fā)生區(qū)域位于氣道內(nèi)部，通常稱之為內(nèi)部火警。

這個特情無法在模擬機訓練中表達，所以機組可能接觸較少。尾管噴火僅發(fā)動在地面發(fā)動機啟動火關車期間。由于駕駛艙沒有任何警告，這個特情的判斷需要依靠機務人員、乘務員或ATC的報告。由于尾管噴火伴隨大量火焰，他們可能會匯報為發(fā)動機著火。若駕駛艙沒有火警指示，不要按照火警檢查單處置。而且滅火劑噴射區(qū)域位于發(fā)動機整流罩與核心之間，執(zhí)行火警檢查單并釋放滅火瓶對該故障沒有任何效果。如圖3。尾管噴火檢查單中的很多程序在其他發(fā)動機失效檢查單中不存在，準確判斷將幫助發(fā)動機盡快冷轉(zhuǎn)滅火。

圖3：滅火劑與噴火區(qū)域分布圖

三、發(fā)動機喘振/失速

當壓氣機轉(zhuǎn)速一定時，由于某種原因壓氣機的空氣流量減少，導致工作葉輪進口處速度在發(fā)動機軸線方向上的分量下降，氣流在葉背處發(fā)生分離。這種發(fā)生在葉背上的現(xiàn)象叫做失速。如果失速葉片過多，會導致壓氣機喘振。

通常意義上，發(fā)動機喘振上說的是壓氣機喘振。喘振是氣流沿壓氣機軸線方向發(fā)生的低頻率，高振幅的震蕩現(xiàn)象。壓氣機喘振根本原因是氣流分離。這種分離是由于壓氣機工作狀態(tài)嚴重偏離了設計工作狀態(tài)所引起的。以下幾種情況會導致發(fā)動機喘振：1.發(fā)動機性能降低（如壓氣機葉片開裂或高度磨損）2.吸入異物（如鳥類）或冰3.引起系統(tǒng)故障4.發(fā)動機控制故障（燃油控制或喘振保護裝置）。

如果在大馬力起飛功率下發(fā)生壓氣機喘振，模擬機訓練中我們聽到的嘭嘭聲不足以說明聲音的巨大。曾經(jīng)經(jīng)歷過此種情況的機組在報告中說，那聲音好像是有人在他旁邊開了一槍。這容易造成機組慌亂，誤認為是輪胎爆破或者是炸彈爆炸。航班中的這類事件顯示出，機組容易對發(fā)動機喘振錯誤判斷導致V1以上中斷起飛，沖出跑道造成飛機損壞，乘客受傷甚至死亡。實際上，那僅僅是一聲巨響而已。

根據(jù)壓氣機的不同故障，發(fā)動機喘振分為以下幾種情況：1.單次可自我恢復。機組人員可能聽到一聲或兩聲巨響，發(fā)動機參數(shù)迅速波動。通常在幾分之一秒之內(nèi)，儀表指示就會恢復正常，難以通過觀察儀表指示來判斷。2.多次可自我恢復。根據(jù)不同原因和條件，喘振會發(fā)生多次，每次間隔2-3秒鐘，然后指示恢復正常。在此期間會伴隨EGT的上升。3.機組處置后喘振停止。機組人員會觀察到發(fā)動機參數(shù)連續(xù)幾次波動。油門桿收回會，參數(shù)指示與油門位置相匹配。單如果重新前推油門到高功率，喘振再次發(fā)生。在此種狀況下，如機組不及時處理，喘振會持續(xù)，直至發(fā)動機失效。4.機組處理后不可恢復。這將會有一次單一的爆破聲。伴隨巨響，發(fā)動機減速到零功率，就像不供油一樣。這通常意味著發(fā)動機嚴重損壞。油門收回慢車后，EGT還將以15℃/秒的速度上升，持續(xù)8秒左右，然后回落；N1，N2指示與油門位置一致；燃油流量在2秒內(nèi)下降到喘振前的25%，在接下來的6秒內(nèi)繼續(xù)降至10%。

單次可恢復的喘振導致發(fā)動機損壞可能性很小。多次持續(xù)喘振會損壞壓氣機葉片。造成壓氣機效率降低，進入燃燒室氣體體積增加，這將導致過量燃油供給。燃燒室冷卻區(qū)無法保證空氣在到達渦輪前充分冷卻，造成EGT超限，渦輪葉片工作在超溫狀態(tài)。單次不可恢復的喘振說明壓氣機葉片可能折斷，需盡快關斷以避免進一步惡化。

四、發(fā)動機熄火

熄火意味著伴隨著發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和EGT的下降，燃燒室內(nèi)的燃燒過程停止。造成發(fā)動機熄火的原因多種多樣。比如燃油缺乏，遭遇火山灰，大雨/冰雹/結冰，發(fā)動機喘振失速等等。發(fā)動機熄火會導致多個駕駛艙指示異常，比如電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。在發(fā)動機熄火后的一段時間內(nèi)，由于失效發(fā)仍在風轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速不會低于慢車，液壓低壓燈不會亮;如這時油門處于慢車位，飛機滾轉(zhuǎn)不明顯，機組可能誤判為電氣系統(tǒng)故障而不是發(fā)動機失效。建議當出現(xiàn)電氣系統(tǒng)故障指示時先關注一下發(fā)動機參數(shù)，畢竟飛機動力才是Z重要的。

大約有10%的熄火發(fā)動在起飛階段。在中低功率設定下，熄火發(fā)生Z頻繁，如巡航和下降。這時很可能是在使用自動駕駛儀飛行。自動駕駛儀將在Z大限度的彌補推力不對稱后斷開（假定接通的是工作發(fā)的自動駕駛儀）。這意味著機組需要一個較大的桿力才能控制住飛機狀態(tài)。如果沒有目視參考，如跨洋，夜間，云中飛行，飛機失控的可能性增加。國外已經(jīng)發(fā)生了數(shù)次在低功率下發(fā)動機熄火，由于機組操作不當導致事故的案例。

五、發(fā)動機嚴重損壞/分離

發(fā)動機嚴重損壞意味著硬件已經(jīng)損壞，發(fā)動機無法正常運轉(zhuǎn)。例如軸承故障，異物吸入損壞風扇葉片，轉(zhuǎn)子盤故障等等。判斷發(fā)動機嚴重損壞的界限難以界定。發(fā)動機生產(chǎn)廠商認為：出現(xiàn)明顯破損（如出現(xiàn)大洞或部分缺失）且移動油門桿無反應，可判定為發(fā)動機嚴重損壞。如圖4。

圖4：發(fā)動機嚴重損壞示意圖

發(fā)動機嚴重損壞會伴隨有其他狀況。如火警（熱引氣泄漏）或喘振?？赡軙幸宦暰揄懀琋1，N2，燃油流量會下降，EGT短時上升，發(fā)動機迅速失去推力。其特點類似于第三部分所說的不可恢復的喘振。

發(fā)動機分離極為罕見。通常發(fā)生在起飛爬升階段或著陸滑跑過程中。受影響一側發(fā)動機主要和次要參數(shù)指示全部消失。在高功率情況下出現(xiàn)時，飛機滾轉(zhuǎn)明顯。盡快抵舵壓盤控制飛機狀態(tài)，改平坡度。拔出受影響發(fā)動機的滅火手柄，這將Z快速的關閉翼梁燃油活門防止大規(guī)模燃油泄漏。

六、發(fā)動機極限

發(fā)動機極限分為發(fā)動機超轉(zhuǎn)和EGT超限。

發(fā)動機超轉(zhuǎn)時，一方面渦輪葉片離心力過大，渦輪葉片容易失效；同時，發(fā)動機處于超壓狀態(tài)，超出了發(fā)動機強度，直接威脅發(fā)動機安全。

目前高涵道渦扇發(fā)動機，無論是渦輪部件還是風扇，都有包容環(huán)外罩，能保護葉片斷裂后，防止葉片飛出打壞飛機部件。所以，若因使用或發(fā)動機故障引起的 風扇轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)，將使用風扇轉(zhuǎn)子負荷過重，轉(zhuǎn)子容易斷裂，進而使低壓渦輪失去負荷，進一步加劇N1超轉(zhuǎn)。低壓渦輪或風扇轉(zhuǎn)子一旦飛出，后果將是毀滅性的。此時適當收小油門，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

EGT是影響渦輪安全工作的Z主要參數(shù)。EGT紅線是可以偶爾超過而發(fā)動機不會故障的紅線。

由于發(fā)動機的熱能慣性，EGT在起飛滑跑馬上要離地或剛剛離地時達到峰值。Z大允許的EGT(紅線）和起飛中的EGT峰值之間的差值(TO/GA推力）叫做EGT裕度。實際飛行中，空氣中的沙塵等會隨氣流進入發(fā)動機，沉積到進氣道，壓氣機葉片，和發(fā)動機機匣等表面，引起積污。到一定程度時，將引起氣流分離加劇，壓氣機增壓效率降低。如要維持發(fā)動機產(chǎn)生的推力不變，則需要更多的燃油供給，導致EGT升高，裕度變小。如CFM56發(fā)動機，若壓氣機效率下降1%，EGT上升10℃，燃油消耗率上升0.6%。因此，EGT裕度也是監(jiān)控發(fā)動機性能衰退的參數(shù)。如圖5。

圖5：發(fā)動機性能衰退

發(fā)動機會在沒有故障的情況下超出EGT紅線，這時發(fā)動機繼續(xù)產(chǎn)生推力。因此如果機組注意到EGT在起飛滑跑中稍稍超出紅線，且較為穩(wěn)定，可繼續(xù)起飛，將飛機建立在初始爬升航徑上再執(zhí)行程序。落地后在飛行記錄本中報告，這說明發(fā)動機需要及時維護。

EGT突然異常變化說明發(fā)動機故障。EGT高可能意味著：1.發(fā)動機喘振/失速2.尾管噴火3.發(fā)動機熄火。需要及時按照檢查單處置。

七、發(fā)動機鎖死

這里要提到一個誤區(qū)。高壓渦輪和高壓壓氣機相連，低壓渦輪和低壓壓氣機相連。保持架把軸承之間均勻隔開，以避免相互碰撞摩擦。高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸和低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸并沒有機械聯(lián)系，只有氣動聯(lián)系。高壓渦輪旋轉(zhuǎn)帶動高壓壓氣機葉片旋轉(zhuǎn)，吸入空氣。由于空氣沖擊，低壓壓氣機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，帶動低壓渦輪。所以發(fā)動機軸承之間不會由于滑油泄露等故障造成發(fā)動機鎖死。

可能引起該故障的原因分別為：1.蓖齒式封嚴上下蓖齒接觸。這是由于發(fā)動機溫度升高，導致內(nèi)部零部件膨脹，使蓖齒封嚴和蓖齒相接觸，導致轉(zhuǎn)子鎖死。2.壓氣機或渦輪中轉(zhuǎn)子和靜子相對鎖死。通常發(fā)生在發(fā)動機嚴重損壞空中關車后，飛機快速俯沖，由于沖壓空氣持續(xù)沖擊風扇，前，后葉片保持器損壞，轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生位置移動，與靜子葉片（導向器）卡在一起。這意味渦輪和壓氣機大多數(shù)葉片被毀。這不是一個瞬間的過程：打破相對固定的靜子和轉(zhuǎn)子部件需要極大的能量。

發(fā)動機鎖死會導致發(fā)動機震動，零轉(zhuǎn)速，輕度飛機偏航并可能有異常噪音（風扇轉(zhuǎn)子損壞）。在正常工作的發(fā)動機一側，由于燃油自動補償系統(tǒng)，燃油流量會有一定程度增加。如果沒有別的故障指示，不需要機組進行處置。

在航班運行中會遇到的發(fā)動機故障不限于以上所述，但有些故障極少發(fā)生或是與其他系統(tǒng)有較大關聯(lián)，這里不一一贅述。

下面是一個圖表，它給出了各種故障下有可能出現(xiàn)的狀況。

在航班運行中，對于故障的處置分三步走。步：操控。使飛機處于正常飛行的安全包線內(nèi)。第二部：判斷/處置。發(fā)現(xiàn)辨別故障，執(zhí)行相關檢查單。第三部：決斷。評估航空器當前安全形勢，通知ATC，報告機組意圖。

在任何情況下，控制飛機狀態(tài)都是位的。發(fā)動機已獲得極端條件下取證，為飛行員在重大發(fā)動機故障執(zhí)行相關程序前，穩(wěn)定飛機提供了足夠的反應時間。例如測試發(fā)動機鳥類吸入。根據(jù)FAR 33部要求，起飛推力下的發(fā)動機必須要能夠承受3.65KG的飛鳥撞擊而不會熄火，也必須能夠承受同時吸入幾只小鳥（大約1KG)，而推力喪失不超過25%。同樣，發(fā)動機必須能夠在N1，N2，N3（如有）在紅線上時運行5分鐘。即使在火警狀態(tài)下，在執(zhí)行相關程序前先穩(wěn)定飛機航跡.雖然會導致發(fā)動機受損更嚴重，但發(fā)動機已取證，火警維持幾分鐘的情況下不會影響到飛機安全。在飛行關鍵階段千萬不要倉促關斷發(fā)動機。如果可能，保持發(fā)動機的繼續(xù)工作。航班運行經(jīng)歷表明，當機組發(fā)現(xiàn)某些發(fā)動機參數(shù)（EGT，震動指數(shù)等）偏離了正常范圍，經(jīng)常決定要預防性的關閉發(fā)動機。如果儀表分析不足夠，機組應該平穩(wěn)移動推力手柄并檢查發(fā)動機參數(shù)是否異常變化，盡量保持發(fā)動機運轉(zhuǎn)，除非程序指令關車。參考盡量多的發(fā)動機指數(shù)將幫助機組更全面的了解故障。

準確的判斷/處置是Z困難也是Z關鍵的一部，它直接影響?航空器的安全和機組的決斷。這也是本文所討論的內(nèi)容。準確的識別發(fā)動機故障及判斷其可能后果是保證安全的關鍵。全動模擬機是訓練的收效工具，但無法準確反應全部故障。這就要求機組在航班運行中，對自己所飛機型各個系統(tǒng)有深入的了解，對故障的表征和誘發(fā)原因做到心中有數(shù)，對飛機的當前狀況有一個清晰的情景意識。航空公司可考慮在不同的訓練階段，采用逐級深入的方式，使用生產(chǎn)廠商或行業(yè)內(nèi)部提供的各種文件，從原理上幫助機組深入了解發(fā)動機系統(tǒng)。這將加深機組對于檢查單和操作手冊程序的理解，提高航班生產(chǎn)安全系數(shù)。

由于本文較多的參考了一些外文資料，如與公司標準飛行操作手冊有不一致之處，請以手冊為準。

（來源：民航資源網(wǎng)）