某型航空發動機空中停車故障分析與預防

蔡宇攀

（廣州市交通技師學院，廣東 廣州 510100）

航空發動機是飛機動力總成的最核心的部件[1]，是飛機飛行動力、機載器部件工作運轉的能量源泉，一旦發生故障，將使飛機直接失去推力和操縱，是航空領域危險系數最高的機械故障之一。及時發現故障現象，透過故障現象盡快弄清故障機理，對第一時間正確有效應對故障，降低故障引發的安全風險具有非常重要而現實的意義。本文深入剖析了某型航空發動機空中停車的故障現象，歸納總結了主要原因，研析了產生故障的機理，探索了預防措施。

據資料表明，某型航空發動機空中停車，多發生在高度大于7 千米的高空環境中，其中高度在14 千米以上的超高空占停車總數的88%左右。引起發動機空中停車的原因很多，歸納起來，可分為操縱使用不當、參數調整不當和機械故障三個方面。

1 操縱使用不當引起的空中停車

1.1 故障現象與原因分析

1.飛行員操縱飛機在進行小半徑轉彎或者大機動飛行的同時，急劇改變發動機工作狀態引發空中停車。根本原因是發動機工作狀態發生劇烈變化，導致發動機壓氣機出現了喘振，喘振發生后，空氣流不能順暢進入發動機燃燒室，在供油量不變的情況下，進入主燃燒室混合氣的油氣比a 遠大于1，主燃燒室出現富油熄火。在7 千米以上高空飛行時，受空氣溫度隨高度升高而逐漸降低的影響，發動機壓氣機的進口溫度降低，增加比增大，空氣進入低壓壓氣機的沖角減小，但同時進入高壓壓氣機的沖角增大，導致低壓壓氣機的喘振裕度增大，高壓壓氣機的喘振裕度減小。高空小表速飛行時，由于空氣稀薄，密度顯著降低，同等條件下進入發動機的空氣含氧量明顯下降，使壓氣機特征曲線向右下方移動。發動機高壓渦輪效率低，從主燃燒室進入高壓渦輪的高溫高壓燃氣流量減少，保持相同轉速時，渦輪前燃氣溫度升高，使飛機飛行高度在增大的同時，壓氣機的穩定工作裕度迅速減小。飛機進行大機動飛行或者遇到大氣擾流時，總是帶著迎角和側滑角，因此氣流斜向流入進氣道，在對稱形進氣道內出現不對稱流動，在進氣道內分別形成了高壓區和低壓區，氣流在壓力作用下會從高壓區向低壓區串流，進氣道的喘振裕度減小，同時使壓氣機進口流場不均勻程度加劇，總壓損失增大，壓氣機喘振裕度減小。因此飛機高空飛行時，使本來就小的壓氣機喘振裕度變得更小，飛行高度越高，壓氣機喘振裕度越小，如果此時改變發動機工作狀態，很容易使發動機喘振停車。

2.高空機動飛行加速推油門過快引發空中停車。發動機在加速時，低壓轉子的共同工作線遠離喘振邊界，高壓轉子的共同工作線靠近喘振邊界。加速過程中，高壓轉子轉速上升快，相當于低壓轉子出氣更加順暢，氣壓的節流阻擋作用減弱，這種情況下能有效避免產生喘振。高壓轉子因為發動機加速供油量不隨外界條件變化，飛行高度越高，進氣的含氧量就越低，這時出現了富油現象，渦輪前燃氣溫度隨之會越來越高，此時高壓轉子共同工作線向喘振邊界偏移，容易產生喘振停車。

3.高空機動飛行時收油門減速過快引發空中停車。發動機減速時，低壓轉子共同工作線靠近喘振邊界，高壓轉子共同工作線遠離喘振邊界。空中小表速飛行時，轉子共同工作線向左上方移動[2]；飛機進行大機動飛行時，發動機進口的氣流方向突變明顯，喘振邊界向右下方移動。所以，在高空小表速大機動飛行時，壓氣機的喘振裕度減小明顯，發動機穩定工作的范圍迅速變小。如果減速時，收油門動作稍快一些，會使低壓壓氣機的共同工作線進入喘振區引發喘振，高壓壓氣機受低壓壓氣機喘振影響，也會進入喘振狀態，導致空中停車。

4.飛機動力升限飛行時動作量過大引發空中停車。動力升限飛行特點明顯：飛機迎角大、表速小、高度高。由于飛機迎角大，進氣道處于不對稱狀態下工作，發動機進口氣流流場很不均勻，使壓氣機喘振裕度減小較多；由于表速小、高度高，發動機轉子的共同工作線向左上方移動，進一步減小壓氣機喘振裕度，此時發動機穩定工作的范圍變得很小。如果操縱動作量大，則將使壓氣機的喘振裕度進一步減小，極易引起喘振停車。

1.2 預防措施

1.防止發動機空中停車，主要措施是詳細了解各種飛行狀態的特點，正確使用發動機。當夏季低空大速度飛行時，壓氣機的喘振上限轉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下要收油門減速時，應分段收油門，不能速度太快、動作太猛。在條件允許的情況下，收油門減速與小半徑轉彎不要同時進行。

2.要正確掌握接通和斷開加力的時機。發動機加力的接通與斷開，都是發動機工作狀態的突變，不要在機動飛行全加力時猛關加力；斷開加力時，先收到最大狀態，停留不少于5 秒后，再收油門至需要的轉速；嚴格按規定使用偶遇加速。

3.要防止空中供油中斷，尤其要嚴格控制零、負過載飛行，不能超過規定值。

2 發動機參數調整不當引起的空中停車

2.1 故障現象與原因分析

1.加速副油道油壓調整不當引起推油門加速時出現空中停車，主要原因是加速副油道油壓偏高。依據發動機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左邊，在克服活門右邊的彈簧力后，活門右移，打開隨動活塞左側的進油路和中間的回油路，限制隨動活塞左移速度，避免供油量過多；同時，關閉活塞右側通低壓腔的油路，從定壓活門后來的油液經層板節流器進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，增大活門彈簧力，又使活門左移，逐漸關小隨動活塞進、回油路的開度，以控制隨動活塞左移速度。若慢車副油道油壓偏高，必將使加速供油量增加過快，加速時間變短，燃燒室內過分富油，造成發動機熄火停車。

2.發動機控制高空限制器活門開度的P2"調整不當引發空中停車。高空飛行時，加力燃燒室燃氣壓力低，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，這些都使穩定燃燒范圍大幅度縮小。如果P2"調整不當，造成加力燃燒室燃燒不穩定，極易產生推力脈動甚至熄火。加力燃燒室熄火后，渦輪后的壓力發生突降，落壓比激增導致渦輪功突然加大，渦輪帶動低壓轉子轉速N1 突然增大，引起喘振停車。加力燃燒室熄火后，N1 突增，發動機轉速調節器調小供油量，易引起主燃燒室余氣系統貧油熄火停車。

3.加力供油速度和噴口收放速度不協調引發空中停車。主要在接通加力過程中，通過低壓轉子轉速N1、高壓轉子轉速N2 和渦輪功的突增、急降，使壓氣機喘振裕度大幅度減小引發喘振。加力燃燒室的余氣系數過貧或過富，超出穩定燃燒范圍引起熄火，進而導致主燃燒室也出現富油熄火。在高空接通加力過程中，如果加力供油速度與噴口收放速度不協調，更容易引起空中停車，因為高空飛行時，加力燃燒室、主燃燒室的穩定燃燒范圍小，壓氣機喘振裕度更小。

2.2 預防措施

1.新發動機或新燃油泵裝機后，啟封或者磨合運轉不徹底，也可能會造成推油門加速時停車，所以在裝機后第一次試車時，應從慢車N1 為33%到99%推收油門不少于8 至10 次；空中試飛時，應在高度5-10千米范圍內，以發動機額定狀態工作過不少于30 分鐘。

2.為保證噴口收放速度與加力供油速度協調，一般情況下規定地面接通加力的瞬間（5 秒鐘內），低壓壓氣機轉子轉速不超過106.5%，渦輪后溫度急降在20至60℃之間，高壓轉子轉速允許有急降現象。

3.機務人員要嚴格落實飛機維護規程，定期開展噴口收放檢查測量，及時消除隱患。

3 發動機機械故障引起的空中停車

3.1 停車現象與原因分析

1.中央傳動裝置損壞引起空中停車。中央傳動裝置的從動圓錐齒輪在飛行中疲勞損壞，不能帶動主燃油泵、轉速傳感器等附件工作，燃油不能正常供往發動機，致使發動機主燃燒室貧油熄火。故障特征是：低壓轉子轉速N1 指示10%左右，高壓轉子轉速N2 指零，發動機排氣溫度表、滑油壓力表指零，發電機故障信號燈亮，且空中開車不成功。

2.轉子抱軸引起空中停車。發動機的前中介軸承或后中介軸承因潤滑不良而損壞，發動機抱軸，壓氣機和渦輪由雙轉子變成單轉子。當低壓轉子轉速N1 大于85%，發動機喘振停車，空中開車不成功。

3.壓氣機葉片折斷引起空中停車。飛行中因意外撞鳥或進氣道結冰，打傷發動機一級葉片，或一級葉片氣流攻角增大接近臨界攻角，發生顫振，使一級壓氣機葉片發生折斷，折斷部分打傷后幾級葉片，使壓氣機喘振裕度減小出現喘振。嚴重時，會卡死低壓轉子，造成發動機空中停車。如果第二、三、四級低壓壓氣機葉片折斷，壓氣機的喘振裕度會銳減，在外界因素干擾下，極易喘振停車。

4.渦輪裝置損壞引發空中停車。高壓渦輪葉片折斷，渦輪轉子平衡性變差，發動機振動值超標，高壓壓氣機轉子轉速擺動量超過2%，發動機工作極不穩定。另外，高壓渦輪葉片折斷后，還會引起高壓轉子轉速下降，高低壓壓氣機和渦輪的轉速差增大。此時高壓壓氣機對低壓壓氣機的節流作用增強，低壓壓氣機的喘振裕度變小，也易造成低壓壓氣機喘振停車。如果低壓渦輪導向器葉片燒蝕變形，在一般情況下，使低壓渦輪功減小，低壓轉子轉速N1 下降，為保持N1 不變，轉速調節器會增大發動機的供油量，使渦輪前燃氣溫度升高，一方面使高壓壓氣機的喘振裕度再次減小，另一方面將進一步燒壞渦輪。如果燒蝕變形嚴重，渦輪導流葉片和低壓渦輪轉子會發生嚴重摩擦，進而導致發動機停車。

5.燃油調節系統故障引起空中停車。主要是燃油調節系統的各調節元件不能根據飛行狀態和發動機工作狀態的需要自動調節發動機的供油量，造成主燃燒室超出穩定燃燒范圍而熄火停車。最常見的是燃油系統等差活門出現卡滯，活門運動摩擦力增大。當收油門到自始轉速以下位置時，由于油門開關前后油壓差急劇增大[3]，等差活門兩端的油壓差亦隨之增大，仍能推動活門左移，打開通往調節活塞左室進油路和中室的回油路，以減小油泵的供油量。當油泵供油量下降后，作用在等差活門兩端的油壓差力逐漸下降，等差活門在彈簧力的作用下使活門右移，關閉通往調節活塞的進、回油路，以保持此時的供油量不再繼續下降。但由于等差活門已被卡滯在打開位置，彈簧力不能克服摩擦力和油壓差力，活門不能右移，調節活塞左室和中室的油門不能關閉，此時油泵的供油量繼續下降，致使發動機貧油熄火停車。

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

3.2 預防措施

1.做好日常維護保養，嚴格執行《飛機維護規程》規定，保持燃油系統的清潔，防止雨水、雜質等進入系統，引起燃油系統的活門等運動機件銹蝕或卡滯；嚴格執行質量檢驗制度，把好放飛關。

2.加強對油門操縱系統的檢查維護，防止操縱系統連接部件松脫造成操縱失靈。

3.地面試車時注意觀察發動機的參數變化，遇有不符合規定值時，認真診斷修復。

4.正確調整起動性能和加減速性能，確保符合相關規定。

海恩法則警示我們，只要及時斬斷任何一條安全隱患鏈條，都完全能夠避免事故的發生。一臺航空發動機有成千上萬個零部件，在使用過程中不可避免地會出現磨損老化，甚至疲勞斷裂失效，這是一個從量變到質變的過程，只要我們在日常維修工作中注意觀察，善于發現微小變化，及時處置，定能防患于未然，保證飛行安全的萬無一失。