空中发动机故障判断与分析

空中发动机故障判断与分析航空发动机是航空器的动力装置，为其提供飞行推力，被誉为 飞机的心脏。在服役过程中，由于不断的启动、关停，以及各种 飞行需求，各个部件都承受着复杂的循环载荷。尽管随着制造工 艺和维护水平的提高，发动机的可靠性越来越强，但空中停车的 情况还是偶有发生。在60年代，平均每年每台发动机失效一次。 在今天，平均每台发动机每30年失效一次。这意味着很多现在 开始职业生涯的飞行员可能很难机会亲历发动机失效的情况。图 1给出了 2008年国内外发动机空停千时率。2（1胸年所有主要型号发动机国内机队滚动空中停车千时率均低于，大多主要型号国内机队平均滚动空中停车千时率低于该型号世界机队。賞008年主婆型号发动机国内/世界机臥平均滚动空停千时率图1： 2008年国内空停情况介绍（民航局飞行标准司）尽管发动机的可靠性显著提高，但当发动机失效后，由于机 组处理不当所导致的事故数量却没有明显变化。这也是我们飞行 员需要研究的课题。模拟机训练极大的提高了飞行员处理特情的 能力，但是它无法说明所有故障特征，而且有的故障不易识别（如 探测系统出现问题）。这令很多飞行员在决断的选择上十分纠结。 本文就航班运行中发动机故障的判断与处置展开探讨。发动机火警可以发生在飞行的任何阶段，包括空中和地面。 发动机火警一般发生在短舱内，但在发动机核心和气道之外，故 而称之为外部火警。通常由以下原因导致：1泄露。可燃液体遇 到高温发动机部件被点燃。可燃液体包括：燃油（自动燃点 230C）；滑油（自动燃点260C；液压液体（自动燃点450C）。 2管道开裂（例如发动机转动部件开裂）。3燃烧室开裂（会导 致火舌式火焰）。由于有专门的探测环路和铃声警告，这种故障容易被识别。 但是不幸的是，机组人员将看不到，听不到也闻不到发动机起火。 这使得飞行员失去了其他参照的对照，有时难以做出最佳决断。有时油门收在慢车位，火警信号会消失。这说明是可能是由 于高温气体吹在火警探测环路上。例如热引起管道开裂。发动机 低功率工作时，进气量减小，火警信号消失。这说明发动机并未着火。发动机火警探测是基于放置在发动机和吊架敏感区域内的 温度传感器（环路）工作的。如图2。不同型号的发动机特性不 同，放置的位置也不同。单侧环路故障也会引起火警警报。这经 常发生在刚刚做完维护的发动机上。准确判断火警警告指示，可 以避免不必要的发动机空中关车。图2：典型火警探测传感器（环路）位置一般情况下，如果确定判断确实存在火警，需要在第一时间 进行发动机关停和拔出灭火手柄，这可以迅速切断发动机的供 油，进气，点火。无论何时发生火警，控制飞机状态是最重要的。 经过证实，即使在离地后立即出现火警，飞机也有足够的时间爬 升到安全高度（公司规定灭火高度为400英尺以上）。着火的破 坏性会时间的流失而增强，长时间的燃烧可导致灭火时间增长甚 至灭不了火（如灭火器线路烧断），后果是毁灭性的。灭火是一 个与时间赛跑的过程，需要在控制好飞行状态的前提下尽可能快 的灭火。灭火后不要尝试重新启动发动机，那可能导致复燃。二、发动机尾管喷火这是由于发动机内部燃油积压，在启动或关车时，积压的燃 油从尾喷管喷出，然后被点燃。发动机的尾部会形成一道十几米 长的火焰，场面十分壮观。由于其发生在设计温度很高(1000-1200C)的那一部分内，所以对发动机影响不大。但它 有可能对飞机本身产生影响(如损坏襟翼)。由于发生区域位于 气道内部，通常称之为内部火警。这个特情无法在模拟机训练中表达，所以机组可能接触较 少。尾管喷火仅发动在地面发动机启动火关车期间。由于驾驶舱 没有任何警告，这个特情的判断需要依靠机务人员、乘务员或 ATC的报告。由于尾管喷火伴随大量火焰，他们可能会汇报为 发动机着火。若驾驶舱没有火警指示，不要按照火警检查单处置。 而且灭火剂喷射区域位于发动机整流罩与核心之间，执行火警检 查单并释放灭火瓶对该故障没有任何效果。如图3。尾管喷火检 查单中的很多程序在其他发动机失效检查单中不存在，准确判断 将帮助发动机尽快冷转灭火。灭火剂分布区域尾管喷火区域图3灭火剂与喷火区域分布图三、发动机喘振/失速当压气机转速一定时，由于某种原因压气机的空气流量减 少，导致工作叶轮进口处绝对速度在发动机轴线方向上的分量下 降，气流在叶背处发生分离。这种发生在叶背上的现象叫做失速。 如果失速叶片过多，会导致压气机喘振。通常意义上，发动机喘振上说的是压气机喘振。喘振是气流 沿压气机轴线方向发生的低频率，高振幅的震荡现象。压气机喘 振根本原因是气流分离。这种分离是由于压气机工作状态严重偏 离了设计工作状态所引起的。以下几种情况会导致发动机喘振： 1发动机性能降低（如压气机叶片开裂或高度磨损）2吸入异物 （如鸟类）或冰3引起系统故障4发动机控制故障（燃油控制或 喘振保护装置）。如果在大马力起飞功率下发生压气机喘振，模拟机训练中我 们听到的嘭嘭声不足以说明声音的巨大。曾经经历过此种情况的 机组在报告中说，那声音好像是有人在他旁边开了一枪。这容易 造成机组慌乱，误认为是轮胎爆破或者是炸弹爆炸。航班中的这 类事件显示出，机组容易对发动机喘振错误判断导致V1以上中 断起飞，冲出跑道造成飞机损坏，乘客受伤甚至死亡。实际上， 那仅仅是一声巨响而已。根据压气机的不同故障，发动机喘振分为以下几种情况：1. 单次可自我恢复。机组人员可能听到一声或两声巨响，发动机参 数迅速波动。通常在几分之一秒之内，仪表指示就会恢复正常， 难以通过观察仪表指示来判断。2多次可自我恢复。根据不同原 因和条件，喘振会发生多次，每次间隔2-3秒钟，然后指示恢复 正常。在此期间会伴随EGT的上升。3机组处置后喘振停止。 机组人员会观察到发动机参数连续几次波动。油门杆收回会，参 数指示与油门位置相匹配。单如果重新前推油门到高功率，喘振 再次发生。在此种状况下，如机组不及时处理，喘振会持续，直 至发动机失效。4机组处理后不可恢复。这将会有一次单一的爆 破声。伴随巨响，发动机减速到零功率，就像不供油一样。这通 常意味着发动机严重损坏。油门收回慢车后，EGT还将以15C/ 秒的速度上升，持续8秒左右，然后回落；N1, N2指示与油门 位置一致；燃油流量在2秒内下降到喘振前的25%，在接下来 的6秒内继续降至10%。单次可恢复的喘振导致发动机损坏可能性很小。多次持续喘 振会损坏压气机叶片。造成压气机效率降低，进入燃烧室气体体 积增加，这将导致过量燃油供给。燃烧室冷却区无法保证空气在 到达涡轮前充分冷却，造成EGT超限，涡轮叶片工作在超温状 态。单次不可恢复的喘振说明压气机叶片可能折断，需尽快关断 以避免进一步恶化。四、发动机熄火熄火意味着伴随着发动机的转速和EGT的下降，燃烧室内 的燃烧过程停止。造成发动机熄火的原因多种多样。比如燃油缺 乏，遭遇火山灰，大雨/冰雹/结冰，发动机喘振失速等等。发动 机熄火会导致多个驾驶舱指示异常，比如电气系统和液压系统。 在发动机熄火后的一段时间内，由于失效发仍在风转，转速不会 低于慢车，液压低压灯不会亮;如这时油门处于慢车位，飞机滚 转不明显，机组可能误判为电气系统故障而不是发动机失效。建 议当出现电气系统故障指示时先关注一下发动机参数，毕竟飞机 动力才是最重要的。大约有10%的熄火发动在起飞阶段。在中低功率设定下， 熄火发生最频繁，如巡航和下降。这时很可能是在使用自动驾驶 仪飞行。自动驾驶仪将在最大限度的弥补推力不对称后断开（假 定接通的是工作发的自动驾驶仪）。这意味着机组需要一个较大 的杆力才能控制住飞机状态。如果没有目视参考，如跨洋，夜间,云中飞行，飞机失控的可能性增加。国外已经发生了数次在低功 率下发动机熄火，由于机组操作不当导致事故的案例。五、发动机严重损坏份离发动机严重损坏意味着硬件已经损坏，发动机无法正常运 转。例如轴承故障，异物吸入损坏风扇叶片，转子盘故障等等。 判断发动机严重损坏的界限难以界定。发动机生产厂商认为：出 现明显破损（如出现大洞或部分缺失）且移动油门杆无反应，可 判定为发动机严重损坏。如图4。图4：发动机严重损坏示意图发动机严重损坏会伴随有其他状况。如火警（热引气泄漏） 或喘振。可能会有一声巨响，N1, N2,燃油流量会下降，EGT 短时上升，发动机迅速失去推力。其特点类似于第三部分所说的 不可恢复的喘振。发动机分离极为罕见。通常发生在起飞爬升阶段或着陆滑跑 过程中。受影响一侧发动机主要和次要参数指示全部消失。在高 功率情况下出现时，飞机滚转明显。尽快抵舵压盘控制飞机状态， 改平坡度。拔出受影响发动机的灭火手柄，这将最快速的关闭翼 梁燃油活门防止大规模燃油泄漏。六、发动机极限发动机极限分为发动机超转和EGT超限。发动机超转时，一方面涡轮叶片离心力过大，涡轮叶片容易 失效；同时，发动机处于超压状态，超出了发动机强度，直接威 胁发动机安全。目前高涵道涡扇发动机，无论是涡轮部件还是风扇，都有包 容环外罩，能保护叶片断裂后，防止叶片飞出打坏飞机部件。所 以，若因使用或发动机故障引起的风扇转子超转，将使用风扇转 子负荷过重，转子容易断裂，进而使低压涡轮失去负荷，进一步 加剧N1超转。低压涡轮或风扇转子一旦飞出，后果将是毁灭性 的。此时适当收小油门，使转速稳定。EGT是影响涡轮安全工作的最主要参数。EGT红线是唯一 可以偶尔超过而发动机不会故障的红线。由于发动机的热能惯性，EGT在起飞滑跑马上要离地或刚 刚离地时达到峰值。最大允许的EGT（红线）和起飞中的EGT 峰值之间的差值（TO/GA推力）叫做EGT裕度。实际飞行中， 空气中的沙尘等会随气流进入发动机，沉积到进气道，压气机叶 片，和发动机机匣等表面，引起积污。到一定程度时，将引起气 流分离加剧，压气机增压效率降低。如要维持发动机产生的推力 不变，则需要更多的燃油供给，导致EGT升高，裕度变小。如 CFM56发动机，若压气机效率下降1%，EGT上升10C，燃油 消耗率上升0.6%。因此，EGT裕度也是监控发动机性能衰退的 参数。如图51空气总温图5：发动机性能衰退发动机会在没有故障的情况下超出EGT红线，这时发动机 继续产生推力。因此如果机组注意到EGT在起飞滑跑中稍稍超 出红线，且较为稳定，可继续起飞，将飞机建立在初始爬升航径 上再执行程序。落地后在飞行记录本中报告，这说明发动机需要 及时维护。EGT突然异常变化说明发动机故障。EGT高可能意味着： 1发动机喘振/失速2尾管喷火3发动机熄火。需要及时按照检 查单处置。七、发动机锁死这里要提到一个误区。高压涡轮和高压压气机相连，低压涡 轮和低压压气机相连。保持架把轴承之间均匀隔开，以避免相互 碰撞摩擦。高压转子转轴和低压转子转轴并没有机械联系，只有 气动联系。高压涡轮旋转带动高压压气机叶片旋转，吸入空气。 由于空气冲击，低压压气机转子旋转，带动低压涡轮。所以发动 机轴承之间不会由于滑油泄露等故障造成发动机锁死。可能引起该故障的原因分别为：1.蓖齿式封严上下蓖齿接 触。这是由于发动机温度升高，导致内部零部件膨胀，使蓖齿封 严和蓖齿相接触，导致转子锁死。2压气机或涡轮中转子和静子 相对锁死。通常发生在发动机严重损坏空中关车后，飞机快速俯 冲，由于冲压空气持续冲击风扇，前，后叶片保持器损坏，转子 叶片发生位置移动，与静子叶片（导向器）卡在一起。这意味涡 轮和压气机大多数叶片被毁。这不是一个瞬间的过程：打破相对 固定的静子和转子部件需要极大的能量。发动机锁死会导致发动机震动，零转速，轻度飞机偏航并可 能有异常噪音（风扇转子损坏）。在正常工作的发动机一侧，由 于燃油自动补偿系统，燃油流量会有一定程度增加。如果没有别 的故障指示，不需要机组进行处置。在航班运行中会遇到的发动机故障不限于以上所述，但有些故障极少发生或是与其他系统有较大关联，这里不赘述。F面是一个图表，它给出了各种故障下有可能出现的状况。r发动机分离蠢火營火尾喷启m动中推轅 空反开声OXO OXO火氏危险Q Q警告讯号可见火焰00000X0振动X0X0XX0000000Xft EG 7XX00X0X0N 1斐化XX00XXXX忖2变化XX00XXXX懒糾流量 变化X000X00X帶油指示X000X0签渝露横环明显XX0X烟雾.异味0000极有可能发生0=可能炭生注：左白字段表示发生的可能性不衣在航班运行中，对于故障的处置分三步走。第一步：操控。 使飞机处于正常飞行的安全包线内。第二部：判断/处置。发现 辨别故障，执行相关检查单。第三部：决断。评估航空器当前安 全形势，通知ATC，报告机组意图。在任何情况下，控制飞机状态都是第一位的。发动机已获得 极端条件下取证，为飞行员在重大发动机故障执行相关程序前， 稳定飞机提供了足够的反应时间。例如测试发动机鸟类吸入。根 据FAR 33部要求，起飞推力下的发动机必须要能够承受3.65KG 的飞鸟撞击而不会熄火，也必须能够承受同时吸入几只小鸟（大 约1KG）,而推力丧失不超过25%。同样，发动机必须能够在 N1, N2, N3 （如有）在红线上时运行5分钟。即使在火警状态 下，在执行相关程序前先稳定飞机航迹虽然会导致发动机受损 更严重，但发动机已取证，火警维持几分钟的情况下不会影响到 飞机安全。在飞行关键阶段千万不要仓促关断发动机。如果可能， 保持发动机的继续工作。航班运行经历表明，当机组发现某些发 动机参数（EGT，震动指数等）偏离了正常范围，经常决定要预 防性的关闭发动机。如果仪表分析不足够，机组应该平稳移动推 力手柄并检查发动机参数是否异常变化，尽量保持发动机运转， 除非程序指令关车。参考尽量多的发动机指数将帮助机组更全面 的了解故障。准确的判断/处置是最困难也是最关键的一部，它直接影响 着航空器的安全和机组的决断。这也是本文所讨论的内容。准确 的识别发动机故障及判断其可能后果是保证安全的关键。全动模 拟机是训练的收效工具，但无法准确反应全部故障。这就要求机 组在航班运行中，对自己所飞机型各个系统有深入的了解，对故 障的表征和诱发原因做到心中有数，对飞机的当前状况有一个清 晰的情景意识。航空公司可考虑在不同的训练阶段，采用逐级深 入的方式，使用生产厂商或行业内部提供的各种文件，从原理上帮助机组深入了解发动机系统。这将加深机组对于检查单和操作 手册程序的理解，提高航班生产安全系数。由于本文较多的参考了一些外文资料，如与公司标准飞行操 作手册有不一致之处，请以手册为准。