飛機渦扇發動機排氣系統故障及其維護保養

摘要：排氣系統是飛機發動機的一個非常重要的部分，發動機排氣系統噴管是提供飛機推理的重要來源。本文以飛機渦扇發動機排氣系統為例，分析其排氣系統功能和特點，針對性的研究了其進排氣系統常見故障及維護保養，總結其維護保養政策。

關鍵詞：排氣系統;渦扇發動機;故障維護

前言

飛機渦輪風扇發動機，又稱內外涵發動機。它由兩個同心圓筒的內涵道和外涵道組成，在內涵道中裝有渦輪噴氣發動機的部件——壓氣機，燃燒室和渦輪，在外涵道中裝有由內涵轉子帶動的風扇。渦輪風扇發動機的風扇可由單獨的渦輪驅動（如三轉子發動機），也可是低壓渦輪驅動的低壓壓氣機的第 1 級（如雙轉子發動機）。空氣流經風扇后分成兩路，一路是內涵氣流，空氣繼續經壓氣機壓縮，在燃燒室和燃油混合燃燒，燃氣經渦輪和噴管膨脹，燃氣高速從尾噴口排出，產生推力;另一路是外涵氣流，流經風扇后的空氣直接通過管道排到機外（短外涵）或者一直流到尾噴口同內涵氣流分別或混合排出（長外涵），而產生部分推力。發動機的推力是內、外涵道氣流反作用力的總和。

發動機排氣系統可對發動機功能運行產生影響，為確保其工作可靠，運行良好，了解它們如何工作以及可能發生故障并進行故障排除，對于全面了解飛機渦扇發動機的系統至關重要。

1 渦扇發動機排氣系統概述

渦扇發動機排氣系統主要為噴管，其主要作用[1]是：使從渦輪（或加力燃燒室）流出的燃氣，在噴管中繼續膨脹，燃氣中的一部分熱焓轉變為動能，以很大的速度沿一定的方向噴出，增大出口動量，使發動機產生反作用推力;其次是通過反推力裝置改變噴氣方向，將向后排出的噴氣折轉向斜前方排出，產生反推力，以迅速降低飛機落地后的滑跑速度，縮短飛機的滑跑距離;第三是采用消音噴管降低發動機的排氣噪聲;最后是通過調節噴管的臨界面積來改變發動機的工作狀態。

目前，大型民航機的飛行速度大多為高亞音速，所以其動力裝置都采用固定收斂形的亞音速噴管。亞音速噴管由排氣管（中介管）和噴口組成。排氣管包括殼體、后整流錐和支板三個部分。排氣管安裝在渦輪的后面，其作用是為燃氣提供一個擴張的流動通道并使燃氣減速，以減少摩擦損失。后整流錐把環形的燃氣通路逐漸過渡成圓形的，以減少渦流損失。支板是迫使方向偏斜的氣流變為軸向流動，以減少流動損失。噴口是收斂形的管道，使燃氣加速，以獲得較大的推力。因此，在排氣管內燃氣減速增壓，在噴口內燃氣加速降壓。

渦扇發動機的排氣有兩股氣流：低溫的外涵空氣流和高溫的內涵燃氣流，其排氣方式主要有分開排氣和混合排氣兩種。在低涵道比發動機中，兩股氣流由混合器摻混，混合器能使外涵的空氣流入渦輪排氣流之中，保證兩股氣流充分混合。在高涵道比發動機中，兩股氣流通常分別排出，也可以將兩股氣流結合到一個公用的即整體式噴管組件之中。這種噴管使氣流在噴入大氣之前先部分地混合。

2 排氣系統常見故障

飛機發動機潛在的排氣故障包括：當有消聲器或熱交換器泄漏時，廢氣逸入客艙，可能通過客艙熱系統。

同時起到這兩種作用的熱交換器和消聲器的部件出現了材料故障，導致廢氣直接泄漏到客艙或通過客艙熱系統。

由于消聲器和熱交換器上的擋板、錐或擴散器松動，部分或完全阻塞了排氣出口氣流，造成發動機部分或全部功率損失。如果消聲器內部部件松動并在隨后的飛行中四處移動，這種情況可能會間歇性地發生。

在排氣系統部件存在或被破壞的任何區域，都可能發生對周圍結構的沖擊加熱或燃燒，并可能導致結構失效或起火。對于渦輪增壓發動機來說，燃燒尤其重要，因為它們在較高的廢氣溫度和壓力下工作。

以下是一些潛在的排氣系統故障[2]跡象：

外部表面的排氣系統泄漏跡象包括平坦的灰色、灰白色或淺灰色粉末或煤煙外觀。排氣系統和飛機結構惡化的跡象包括翹曲、變形、變薄、坍塌、凹陷、開裂、撕裂、分離、結垢、焊縫分離、變色、腐蝕、金屬點蝕或燒毀。

排氣系統泄漏的跡象可能會出現在外部接頭、伸縮接頭、活絡接頭、卡箍或聯軸器上。

不正確的安裝，包括排氣管、球接頭和/或連接的不對中，可能出現異常磨損或扭曲、斷裂、松動或缺少緊固件、夾具、墊圈或密封件。

飛機在排氣系統中發生過回火或未燃燒的燃料可能會造成損壞，如擋板和裂紋的焊接失效，特別是在廢氣可能泄漏到客艙空氣熱交換器的區域。

3 排氣系統的維護保養

為了防止排氣系統故障及不良運行狀況的發生，要求所有的檢查和過程都要按照排氣系統和飛機制造商的建議進行。此外，定期檢查是必須的：每年的，漸進的，100小時的檢查。當發現缺陷時，也應按照規定進行修理。此外，為了確保安全，應每天進行飛行前檢查。

最后，建議按照以下檢查程序[3]：

對排氣系統進行徹底的飛行前和隨后的重復檢查。

對噴管進行目視檢查時，需要檢查噴管有無裂紋、變形等損傷。

對飛機進行日常目視檢查。

徹底檢查排氣系統部件。

對飛機的排氣系統進行壓力測試。

部分拆卸排氣系統部件，以便更好地檢查和檢查。

使用內窺鏡進行內部檢查。

檢查渦輪增壓器系統部件。

在寒冷天氣運行前對飛機排氣系統進行全面檢查。

檢查任何排氣系統測量組件的安裝。

避免使用不銹鋼來修復碳鋼系統，因為它會導致嚴重的局部腐蝕。

4 維護保護政策

每個人都希望減少飛機故障出現的總時間以提高運營效率，同時確保飛機飛行過程中安全。從本質上講，通過早期檢測迅速修復或先發制人的故障不會讓駕駛艙內的飛行員分心。請注意，嚴重到足以使飛機停飛的故障不是本文的主題，因為停飛的飛機顯然不會造成飛行安全風險。盡管如此，當地面故障在飛行過程中首次出現時，它會造成干擾，所以這仍然是一個問題。有兩大類系統故障不會導致飛機停飛：一類是飛機仍能飛行的故障，另一類是無法修復的經常性故障。

理想情況下，我們希望防止故障在駕駛艙內被發現。要做到這一點，就必須預見到失敗的來臨，并在它發生之前采取行動。這就要求我們發現健康狀況惡化的跡象，并將其與負責任的部分聯系起來。有一些工具和方法可以應用于這種任務。

基于條件的維護（“CBM”）致力于檢測處于故障過程中的組件。一般來說，這些跡象是低水平的錯誤信息模式和對溫度、壓力、振動特性等不利趨勢的常規監測，這些跡象表明故障開始出現。飛機正在產生故障的早期跡象，這一事實將其歸入基于狀態的監控（Condition-Based Monitoring）的范疇，盡管駕駛艙尚未意識到這一點。

另一方面，預測性維護（“PdM”）則力爭更進一步。它試圖在沒有任何故障跡象的情況下，預測一架完全可以使用的飛機的某個部件未來會出現什么故障。PdM通過監測正常運行設備上的系統參數流來檢測未來的故障。它正在尋找通過對特定失敗進行嚴格分析而預先確立的“領先指標”。尋找每一個領先指標本身就是一項相當大的科學努力。

總之，CBM和PdM的目標是在駕駛艙注意到任何效果之前先發制人地進行修復。然而，當飛機系統確實發生故障時，采用軟件工具可以在短時間內找到原因，從而將其對駕駛艙的影響降到最低。故障影響駕駛艙的時間越短，飛行安全的風險就越低。

5 結論

發動機工作時，會吸入大量空氣，排出高溫、高速燃氣，并產生很大噪聲。為避免人員受傷和設備損壞，在飛機前、后都規定了危險區域，其大小隨發動機的大小、位置、推力和風速的不同而不同。進入排氣危險區，會被吹跑，并且高溫排氣也會造成傷害。危險區域的范圍大小與發動機的功率狀態有關，功率越大，范圍就越大。本文以渦扇發動機排氣系統為例，主要分析了其常見故障和維護保養。

參考文獻：

[1]黃宇生，倪偉，全飛飛，舒毅.論新型渦扇發動機維修中的人為因素故障[J].裝備機械，2019（01）：50-53.

[2]田浩，楊武奎，馮琳.某型發動機應急工作狀態排溫突升故障的分析與排除[J].航空維修與工程，2018（02）：77-78.

[3]王偉生，肖金彪.航空發動機健康管理系統及其標準分析[J].航空動力，2019（01）：68-70.

作者簡介：李征，出生：1981，性別：男，漢族，籍貫：北京市順義區，職稱：工程師，學歷：大學本科，研究方向：飛機渦扇發動機排氣系統故障及其維護保養。