飞机涡扇发动机排气系统故障及其维护保养

摘要：排气系统是飞机发动机的一个非常重要的部分，发动机排气系统喷管是提供飞机推理的重要来源。本文以飞机涡扇发动机排气系统为例，分析其排气系统功能和特点，针对性的研究了其进排气系统常见故障及维护保养，总结其维护保养政策。

关键词：排气系统;涡扇发动机;故障维护

前言

飞机涡轮风扇发动机，又称内外涵发动机。它由两个同心圆筒的内涵道和外涵道组成，在内涵道中装有涡轮喷气发动机的部件——压气机，燃烧室和涡轮，在外涵道中装有由内涵转子带动的风扇。涡轮风扇发动机的风扇可由单独的涡轮驱动（如三转子发动机），也可是低压涡轮驱动的低压压气机的第 1 级（如双转子发动机）。空气流经风扇后分成两路，一路是内涵气流，空气继续经压气机压缩，在燃烧室和燃油混合燃烧，燃气经涡轮和喷管膨胀，燃气高速从尾喷口排出，产生推力;另一路是外涵氣流，流经风扇后的空气直接通过管道排到机外（短外涵）或者一直流到尾喷口同内涵气流分别或混合排出（长外涵），而产生部分推力。发动机的推力是内、外涵道气流反作用力的总和。

发动机排气系统可对发动机功能运行产生影响，为确保其工作可靠，运行良好，了解它们如何工作以及可能发生故障并进行故障排除，对于全面了解飞机涡扇发动机的系统至关重要。

1 涡扇发动机排气系统概述

涡扇发动机排气系统主要为喷管，其主要作用[1]是：使从涡轮（或加力燃烧室）流出的燃气，在喷管中继续膨胀，燃气中的一部分热焓转变为动能，以很大的速度沿一定的方向喷出，增大出口动量，使发动机产生反作用推力;其次是通过反推力装置改变喷气方向，将向后排出的喷气折转向斜前方排出，产生反推力，以迅速降低飞机落地后的滑跑速度，缩短飞机的滑跑距离;第三是采用消音喷管降低发动机的排气噪声;最后是通过调节喷管的临界面积来改变发动机的工作状态。

目前，大型民航机的飞行速度大多为高亚音速，所以其动力装置都采用固定收敛形的亚音速喷管。亚音速喷管由排气管（中介管）和喷口组成。排气管包括壳体、后整流锥和支板三个部分。排气管安装在涡轮的后面，其作用是为燃气提供一个扩张的流动通道并使燃气减速，以减少摩擦损失。后整流锥把环形的燃气通路逐渐过渡成圆形的，以减少涡流损失。支板是迫使方向偏斜的气流变为轴向流动，以减少流动损失。喷口是收敛形的管道，使燃气加速，以获得较大的推力。因此，在排气管内燃气减速增压，在喷口内燃气加速降压。

涡扇发动机的排气有两股气流：低温的外涵空气流和高温的内涵燃气流，其排气方式主要有分开排气和混合排气两种。在低涵道比发动机中，两股气流由混合器掺混，混合器能使外涵的空气流入涡轮排气流之中，保证两股气流充分混合。在高涵道比发动机中，两股气流通常分别排出，也可以将两股气流结合到一个公用的即整体式喷管组件之中。这种喷管使气流在喷入大气之前先部分地混合。

2 排气系统常见故障

飞机发动机潜在的排气故障包括：当有消声器或热交换器泄漏时，废气逸入客舱，可能通过客舱热系统。

同时起到这两种作用的热交换器和消声器的部件出现了材料故障，导致废气直接泄漏到客舱或通过客舱热系统。

由于消声器和热交换器上的挡板、锥或扩散器松动，部分或完全阻塞了排气出口气流，造成发动机部分或全部功率损失。如果消声器内部部件松动并在随后的飞行中四处移动，这种情况可能会间歇性地发生。

在排气系统部件存在或被破坏的任何区域，都可能发生对周围结构的冲击加热或燃烧，并可能导致结构失效或起火。对于涡轮增压发动机来说，燃烧尤其重要，因为它们在较高的废气温度和压力下工作。

以下是一些潜在的排气系统故障[2]迹象：

外部表面的排气系统泄漏迹象包括平坦的灰色、灰白色或浅灰色粉末或煤烟外观。排气系统和飞机结构恶化的迹象包括翘曲、变形、变薄、坍塌、凹陷、开裂、撕裂、分离、结垢、焊缝分离、变色、腐蚀、金属点蚀或烧毁。

排气系统泄漏的迹象可能会出现在外部接头、伸缩接头、活络接头、卡箍或联轴器上。

不正确的安装，包括排气管、球接头和/或连接的不对中，可能出现异常磨损或扭曲、断裂、松动或缺少紧固件、夹具、垫圈或密封件。

飞机在排气系统中发生过回火或未燃烧的燃料可能会造成损坏，如挡板和裂纹的焊接失效，特别是在废气可能泄漏到客舱空气热交换器的区域。

3 排气系统的维护保养

为了防止排气系统故障及不良运行状况的发生，要求所有的检查和过程都要按照排气系统和飞机制造商的建议进行。此外，定期检查是必须的：每年的，渐进的，100小时的检查。当发现缺陷时，也应按照规定进行修理。此外，为了确保安全，应每天进行飞行前检查。

最后，建议按照以下检查程序[3]：

对排气系统进行彻底的飞行前和随后的重复检查。

对喷管进行目视检查时，需要检查喷管有无裂纹、变形等损伤。

对飞机进行日常目视检查。

彻底检查排气系统部件。

对飞机的排气系统进行压力测试。

部分拆卸排气系统部件，以便更好地检查和检查。

使用内窥镜进行内部检查。

检查涡轮增压器系统部件。

在寒冷天气运行前对飞机排气系统进行全面检查。

检查任何排气系统测量组件的安装。

避免使用不锈钢来修复碳钢系统，因为它会导致严重的局部腐蚀。

4 维护保护政策

每个人都希望减少飞机故障出现的总时间以提高运营效率，同时确保飞机飞行过程中安全。从本质上讲，通过早期检测迅速修复或先发制人的故障不会让驾驶舱内的飞行员分心。请注意，严重到足以使飞机停飞的故障不是本文的主题，因为停飞的飞机显然不会造成飞行安全风险。尽管如此，当地面故障在飞行过程中首次出现时，它会造成干扰，所以这仍然是一个问题。有两大类系统故障不会导致飞机停飞：一类是飞机仍能飞行的故障，另一类是无法修复的经常性故障。

理想情况下，我们希望防止故障在驾驶舱内被发现。要做到这一点，就必须预见到失败的来临，并在它发生之前采取行动。这就要求我们发现健康状况恶化的迹象，并将其与负责任的部分联系起来。有一些工具和方法可以应用于这种任务。

基于条件的维护（“CBM”）致力于检测处于故障过程中的组件。一般来说，这些迹象是低水平的错误信息模式和对温度、压力、振动特性等不利趋势的常规监测，这些迹象表明故障开始出现。飞机正在产生故障的早期迹象，这一事实将其归入基于状态的监控（Condition-Based Monitoring）的范畴，尽管驾驶舱尚未意识到这一点。

另一方面，预测性维护（“PdM”）则力争更进一步。它试图在没有任何故障迹象的情况下，预测一架完全可以使用的飞机的某个部件未来会出现什么故障。PdM通过监测正常运行设备上的系统参数流来检测未来的故障。它正在寻找通过对特定失败进行严格分析而预先确立的“领先指标”。寻找每一个领先指标本身就是一项相当大的科学努力。

总之，CBM和PdM的目标是在驾驶舱注意到任何效果之前先发制人地进行修复。然而，当飞机系统确实发生故障时，采用软件工具可以在短时间内找到原因，从而将其对驾驶舱的影响降到最低。故障影響驾驶舱的时间越短，飞行安全的风险就越低。

5 结论

发动机工作时，会吸入大量空气，排出高温、高速燃气，并产生很大噪声。为避免人员受伤和设备损坏，在飞机前、后都规定了危险区域，其大小随发动机的大小、位置、推力和风速的不同而不同。进入排气危险区，会被吹跑，并且高温排气也会造成伤害。危险区域的范围大小与发动机的功率状态有关，功率越大，范围就越大。本文以涡扇发动机排气系统为例，主要分析了其常见故障和维护保养。

参考文献：

[1]黄宇生，倪伟，全飞飞，舒毅.论新型涡扇发动机维修中的人为因素故障[J].装备机械，2019（01）：50-53.

[2]田浩，杨武奎，冯琳.某型发动机应急工作状态排温突升故障的分析与排除[J].航空维修与工程，2018（02）：77-78.

[3]王偉生，肖金彪.航空发动机健康管理系统及其标准分析[J].航空动力，2019（01）：68-70.

作者简介：李征，出生：1981，性别：男，汉族，籍贯：北京市顺义区，职称：工程师，学历：大学本科，研究方向：飞机涡扇发动机排气系统故障及其维护保养。