飛機渦扇發(fā)動機排氣系統(tǒng)故障及其維護保養(yǎng)

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

關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng);渦扇發(fā)動機;故障維護

前言

飛機渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，又稱內(nèi)外涵發(fā)動機。它由兩個同心圓筒的內(nèi)涵道和外涵道組成，在內(nèi)涵道中裝有渦輪噴氣發(fā)動機的部件——壓氣機，燃燒室和渦輪，在外涵道中裝有由內(nèi)涵轉(zhuǎn)子帶動的風(fēng)扇。渦輪風(fēng)扇發(fā)動機的風(fēng)扇可由單獨的渦輪驅(qū)動（如三轉(zhuǎn)子發(fā)動機），也可是低壓渦輪驅(qū)動的低壓壓氣機的第 1 級（如雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機）。空氣流經(jīng)風(fēng)扇后分成兩路，一路是內(nèi)涵氣流，空氣繼續(xù)經(jīng)壓氣機壓縮，在燃燒室和燃油混合燃燒，燃氣經(jīng)渦輪和噴管膨脹，燃氣高速從尾噴口排出，產(chǎn)生推力;另一路是外涵氣流，流經(jīng)風(fēng)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(nèi)涵氣流分別或混合排出（長外涵），而產(chǎn)生部分推力。發(fā)動機的推力是內(nèi)、外涵道氣流反作用力的總和。

發(fā)動機排氣系統(tǒng)可對發(fā)動機功能運行產(chǎn)生影響，為確保其工作可靠，運行良好，了解它們?nèi)绾喂ぷ饕约翱赡馨l(fā)生故障并進行故障排除，對于全面了解飛機渦扇發(fā)動機的系統(tǒng)至關(guān)重要。

1 渦扇發(fā)動機排氣系統(tǒng)概述

渦扇發(fā)動機排氣系統(tǒng)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(xù)膨脹，燃氣中的一部分熱焓轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽院艽蟮乃俣妊匾欢ǖ姆较驀姵觯龃蟪隹趧恿浚拱l(fā)動機產(chǎn)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(zhuǎn)向斜前方排出，產(chǎn)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(fā)動機的排氣噪聲;最后是通過調(diào)節(jié)噴管的臨界面積來改變發(fā)動機的工作狀態(tài)。

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(huán)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?yōu)檩S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(nèi)燃氣減速增壓，在噴口內(nèi)燃氣加速降壓。

渦扇發(fā)動機的排氣有兩股氣流：低溫的外涵空氣流和高溫的內(nèi)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(fā)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(fā)動機中，兩股氣流通常分別排出，也可以將兩股氣流結(jié)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(tǒng)常見故障

飛機發(fā)動機潛在的排氣故障包括：當(dāng)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(tǒng)。

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

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(fā)動機部分或全部功率損失。如果消聲器內(nèi)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(fā)生。

在排氣系統(tǒng)部件存在或被破壞的任何區(qū)域，都可能發(fā)生對周圍結(jié)構(gòu)的沖擊加熱或燃燒，并可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效或起火。對于渦輪增壓發(fā)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(tǒng)故障[2]跡象：

外部表面的排氣系統(tǒng)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(tǒng)和飛機結(jié)構(gòu)惡化的跡象包括翹曲、變形、變薄、坍塌、凹陷、開裂、撕裂、分離、結(jié)垢、焊縫分離、變色、腐蝕、金屬點蝕或燒毀。

排氣系統(tǒng)泄漏的跡象可能會出現(xiàn)在外部接頭、伸縮接頭、活絡(luò)接頭、卡箍或聯(lián)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(xiàn)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(tǒng)中發(fā)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(qū)域。

3 排氣系統(tǒng)的維護保養(yǎng)

為了防止排氣系統(tǒng)故障及不良運行狀況的發(fā)生，要求所有的檢查和過程都要按照排氣系統(tǒng)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(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時，也應(yīng)按照規(guī)定進行修理。此外，為了確保安全，應(yīng)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(tǒng)進行徹底的飛行前和隨后的重復(fù)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(tǒng)部件。

對飛機的排氣系統(tǒng)進行壓力測試。

部分拆卸排氣系統(tǒng)部件，以便更好地檢查和檢查。

使用內(nèi)窺鏡進行內(nèi)部檢查。

檢查渦輪增壓器系統(tǒng)部件。

在寒冷天氣運行前對飛機排氣系統(tǒng)進行全面檢查。

檢查任何排氣系統(tǒng)測量組件的安裝。

避免使用不銹鋼來修復(fù)碳鋼系統(tǒng)，因為它會導(dǎo)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(xiàn)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(zhì)上講，通過早期檢測迅速修復(fù)或先發(fā)制人的故障不會讓駕駛艙內(nèi)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(fēng)險。盡管如此，當(dāng)?shù)孛婀收显陲w行過程中首次出現(xiàn)時，它會造成干擾，所以這仍然是一個問題。有兩大類系統(tǒng)故障不會導(dǎo)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(fù)的經(jīng)常性故障。

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

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(guī)監(jiān)測，這些跡象表明故障開始出現(xiàn)。飛機正在產(chǎn)生故障的早期跡象，這一事實將其歸入基于狀態(tài)的監(jiān)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(yù)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(yù)測一架完全可以使用的飛機的某個部件未來會出現(xiàn)什么故障。PdM通過監(jiān)測正常運行設(shè)備上的系統(tǒng)參數(shù)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(yù)先確立的“領(lǐng)先指標”。尋找每一個領(lǐng)先指標本身就是一項相當(dāng)大的科學(xué)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(fā)制人地進行修復(fù)。然而，當(dāng)飛機系統(tǒng)確實發(fā)生故障時，采用軟件工具可以在短時間內(nèi)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(fēng)險就越低。

5 結(jié)論

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

參考文獻：

[1]黃宇生，倪偉，全飛飛，舒毅.論新型渦扇發(fā)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(fā)動機應(yīng)急工作狀態(tài)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(fā)動機健康管理系統(tǒng)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(qū)，職稱：工程師，學(xué)歷：大學(xué)本科，研究方向：飛機渦扇發(fā)動機排氣系統(tǒng)故障及其維護保養(yǎng)。