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發動機故障原因

發佈日期:106-09-14  |  資料來源:中國商用飛機有限責任公司

航空發動機為飛行提供動力,其重要性無需置疑。從大範圍統計結果來看,民用發動機容易發生損壞的部位集中在以下幾個部位:低壓渦輪軸,由於在結構上必須是細長的結構且需要傳輸很大的扭矩,因此在惡劣條件下容易斷裂;高壓渦輪葉片,處於高溫高壓燃氣的直接衝擊下且轉速很高承受的離心應力很大,風扇處於發動機的最前端,容易被外物打傷,葉片體積大、重量大高速旋轉產生很大的離心力,葉片長度大展弦比大易產生振動。在實際生產中出現的發動機故障我們要高度重視,慎重應對。

發動機起動機的常見故障

1、起動機不工作

在起動機的實際使用中,由於彈簧片的抗磨擦性能不好,使得彈性棘爪上的預載波動,或由於飛機引氣壓力波動,棘爪和棘輪接觸面的磨損增大,使它們的接觸面積變小,離合器長期這樣工作會導致棘爪和棘輪不能正常嚙合,起動機不能帶動發動機正常工作。各個機型分別有各自的起動機工作限制,詳見各機型手冊。

2、關不上起動活門

出現這個故障的原因是由於引氣中的水蒸汽,造成了活門作動機構的鏽蝕或引氣中的雜質,如細沙積累在活門機構中,它們都會增大作動機構作動活門的阻力。而活門的復位靠的是預載彈簧力,如果彈簧力不能克服這個阻力和氣動壓力,則活門將不能完全關閉。操作處置步驟詳見檢查單。

3、起動活門打不開

在寒冷的天氣里,由於飛機引氣系統中的高壓空氣帶有水蒸汽,高壓空氣進入到低溫的起動活門中的作動機構後會凝結、結冰,從而增大了起動活門作動器的工作阻力。高壓引氣所提供動力不能克服活門阻力,所以活門就始終卡在關位。操作處置步驟詳見檢查單。

發動機喘振和失速

發動機喘振,簡單來說就是正反向氣流在發動機內部形成衝撞。詳細一點來說,喘振是發動機的一種不正常的工作狀態,是由壓氣機內的空氣流量和壓氣機轉速偏離設計狀態過多而引發的。壓氣機喘振是氣流沿壓氣機軸線方向發生的低頻率、高振幅的振蕩現象。可導致發動機機件強烈振動乃至嚴重損壞、發動機熱端超溫、性能急劇惡化、熄火停車等故障。壓氣機喘振的根本原因是氣流分離這種分離是由於壓氣機工作故障狀態嚴重偏離了設計工作狀態所引起的。

在QRH檢查單里,發動機ENGINESURGE/STALL(喘振/失速)是同一個檢查單,那什麼是失速呢,兩者主要區別什麼呢?

失速指的是壓氣機旋轉失速,有一個或多個低速氣流區以低於壓氣機轉子轉速沿轉子旋轉方向轉動。當壓氣機轉速一定時,由於某種原因壓氣機的空氣流量減少,從而導致工作葉輪進口處絕對速度在發動機軸線方向上的分量下降,氣流在葉背處發生分離。這種發生在葉背上的現象就叫失速。如果發生失速的葉片過多,就會導致壓氣機喘振。

失速的現象和指示主要有以下3個方面:高頻的機械振動,EGT上升及振動指數升高。

喘振與旋轉失速的區別是什麼呢?喘振時,氣流脈動是沿壓氣機軸喘向的,流場是軸對稱的;而旋轉失速是周向傳播的,不是軸對稱的。

飛行中喘振的現象和指示主要有以下幾個方面:放炮聲;推力急劇下降;壓氣機出口總壓會降低;發動機進口處有明顯的氣流吞吐現象;運轉聲音明顯增大,音調低而沉;燃燒室內的高溫高壓燃氣倒流「吐火」現象;非常強烈的機械振動;EGT上升,N1、N2轉速不穩定;振動指數升高;飛機偏航。

什麼條件會導致喘振發生呢?發動機性能降低,如壓氣機葉片開裂,壓氣機性能衰減等;外部環境,如夏季風切變等;鳥擊、外物被吸入發動機,損害葉片及引起氣流分離(火山灰,冰等);飛機超出設計的飛行包線(壓氣機結冰);壓氣機葉片腐蝕及損壞的發動機部件(渦輪);發動機控制故障,燃油控制或喘振保護裝置;擾流或熱空氣被吸入壓氣機(低速時使用反推);發動機超出設計指標,使發動機加速功率與渦輪功率比率失調(快速的推油門)。

執行檢查單並不複雜,但我們對發動機喘振應該仔細思考。喘振定義是推力震盪切或由進氣擾動或發動機內部氣流擾動引起的超限。值得大家注意的是有些喘振可以聽到,有些聽不到,並不都是有很大聲音。

在模擬機訓練中,在遇到發動機喘振的情況時,學員可能會常犯下列錯誤:失去對飛機狀態的控制;在V1後或抬頭後試圖中斷起飛;關停一個正常的發動機;非正常程序性錯誤。這些不當措施多出現在飛行的起飛,爬升階段,進近或復飛階段。常見的錯誤包括未選擇正確的檢查單或未按照檢查單上的內容完成要求的動作,沒有正確判斷受影響的發動機等。

發動機喘振改善措施

在解決改善壓縮器失速發生的情況,通常在引擎之設計上會採用三種方法:空氣分流閥(Air Bleed Valves)、可變傾角定子葉片(Variable Angle Stator Blades),或簡稱可變定子葉片、以及多軸式壓縮器(Multiple-spool Compressor),分別說明如下:

一、空氣分流閥

由於壓縮器失速的發生,有部份是導因於後級壓縮段累積大量氣流所造成的,當壓縮器不是以適當轉速運作時,尤其在高空中,前級壓縮葉片即可能無法吸入足量空氣加以壓縮,造成壓縮器的壓縮比不足,和後級壓縮段趨向阻塞的情況發生。因此,通常在設計壓縮器時,為發生以上狀況,而造成失速,均會在壓縮比和引擎效率兩者之間尋求一平衡點,亦即藉減少或損失少許的的機械效率,來換取較佳的操作穩定性,使在某一特定空氣流量情況下,利用減低壓縮比來減輕引擎的負載,以使壓縮器發生衝激的可能性減至最低。故會在壓縮器的中間段設計幾個空氣分流閥,以釋出部份氣流來調整壓縮比,維持適當的空氣流量關係,避免失速。這些空氣分流閥可依轉速、壓縮器入口溫度和壓力、以及壓縮比的大小來自動調整至開或關的位置,以防止空氣累積在後部的高壓壓縮段,並使壓縮器免於因阻塞而失速

一般空氣分流閥最常使用於引擎起動階段,和防止高空壓縮器失速之上。在低推力、低轉速操作情況時,空氣分流閥會打開,以釋放部份壓縮空氣來達到預期功能。而在高推力、高轉速操作時,空氣分流閥即自動關閉,讓引擎持續正常運作。

二、可變定子葉片

在較大型之渦輪噴射及渦輪扇引擎中,若使用一具高壓縮比之單軸壓縮器時,其氣流的控制即成為設計上一個必須考量的問題。通常會在第一級壓縮採用可變進氣導片,再加上前幾級的可變定子葉片,以避免壓縮器失速。當壓縮器的轉速減慢下來時,這些定子葉片會逐漸地關閉起來,以使其後方的轉子葉片維持在一個可接受的氣流角度,不致達到失速程度。同時,這些可變定子葉片可藉控油系統來自動地控制調整其角度大小,而調整的主要因素是壓縮器的進氣溫度及引擎轉速。

基本上,可變定子葉片的主要功能計有:

(1)提供一個足以控制壓縮器前幾級葉片之間維持在最適當(趨近設計值)的流動方向或角度,

(2)減低前級壓縮葉片的失速可能性,以及後級壓縮葉片的風車效應所造成的阻塞現象,及

(3)可預防或改進各級壓縮可能出現的壓縮效應所帶來的不利影響。

三、多軸式壓縮器

理論上,一般單軸壓縮器或許可依實際需求來增減壓縮級數之組合,以產生任何所需的壓縮比,若此一情況成立的話,在某特定壓縮器轉速情況下,最後一級的壓縮葉片將會顯得非常沒有效率,而第一級壓縮葉片則會因超載而有造成失速或衝激的可能。如前所述,此種情況雖可藉由打開空氣分流閥來加以改善,但釋放過多壓縮空氣,無非是一種浪費而會降低引擎之壓縮效率。因此,為增加壓縮器部份油門操作和起動時的適用性﹑穩定性及維持正常的壓縮效率,通常會將壓縮器的主體,分開成為兩個獨立的系統。基本上,高壓壓縮器比低壓壓縮器具有較短的葉片,故重量比較輕。由於在持續壓縮的過程中,空氣的溫度會逐漸升高,使高壓壓縮器的溫度要比低壓壓縮器來得高,而讓其可容許具有較高的葉尖速度,故當壓縮空氣的溫度增高時,音速也隨之增大所致。

當後部的高壓壓縮器的轉速由控油系來控制的同時,前部的低壓壓縮器則由低壓渦輪帶動,並自動地以自由速度運轉以確保最佳的氣流量通過壓縮器。另外,低、高壓壓縮器兩者在必要時可採用部份油門的操作方式,來個別調整其轉速,以便在最小的空氣分流需求下,防止壓縮器衝激的發生。由於自由運轉的低壓壓縮器負責主導壓縮器的匹配,並確實使高壓壓縮器不致因阻塞而造成失速,故高/低壓壓縮器兩者的確是互為相輔相成的關係。若再配以其與高/低壓渦輪之間的氣流匹配,更可在不降低引擎效率的情況下來提昇壓縮比。同時,此種雙軸式壓縮器在起動時僅須先驅動後部之高壓段,故整個壓縮器中僅有較輕的高壓部份來參與搖車起動,因此在開車時所需的扭矩會大為減小,此乃其另一優點。

結論

本總隊各型直升機經常在高危險天候環境下執行任務,在面對嚴峻的操作環境下,飛機發動機異常的潛在癥候就必須非常的瞭解,以預防突發狀況產生時,能有效並且正確處置及故障排除,避免飛安事件發生。

摘錄來源:壹讀-容易混淆的發動機故障,你都知道嗎?

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