最常见的涡轮发动机启动故障有哪些？

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作者：乔普·丁格曼斯

涡轮发动机在航空领域应用广泛。它们形式多样，尺寸各异：涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机和涡轮风扇发动机等。

虽然它们各有不同的特点和用途，但同时也有很多相似之处。那么，最常见的涡轮发动机启动故障有哪些？作为飞行员，你又该如何识别这些故障呢？

在现代飞机上，我们再也看不到像老式活塞式飞机那样地勤人员用手拉动螺旋桨来启动发动机了，这是一件好事！但在涡轮发动机启动过程中可能会出现各种各样的故障和让飞行员头疼的问题。

我们在这里不会深入探讨每台发动机的机械原理（请参考另一篇文章），不过我们还是先来看看涡轮发动机的基本功能，然后再看看如今启动它们的不同方法和启动中的故障。

涡轮发动机如何工作？

首先，让我们回到基础：快速回顾一下涡轮发动机的基本功能。这样我们才能了解启动过程中可能出现的问题。主要有四个阶段。

1. 进气

2. 压缩

3. 燃烧

4. 排气

空气进入发动机进气道。进气道的主要作用是为压气机提供连续、平稳的空气供应。然后，压气机尽可能地压缩这些空气，直到它与燃料混合并被点燃。点燃后压力会急剧增加。

这种高压导致具有大量动能的燃气快速流过涡轮，涡轮可以吸收燃气中的能量并将其转化为旋转能量。

这种旋转会反馈到压气机，因为它与至少一级涡轮相连。在直升机中，另一级涡轮（动力涡轮）驱动主旋翼。

涡轮发动机是如何启动的？

有几种方式！我们来看看：

涡轮发动机采用的是所谓的连续燃烧，而不是活塞发动机那样的间歇燃烧。

这意味着一旦点火，发动机内部就会持续燃烧，这与活塞发动机内部的冲程循环过程不同。

涡轮发动机是自维持的，也就是说，一旦启动，它就能自行运转，无需额外的火花。虽然这听起来很不错，但我们首先得让它启动起来！

目标是使压气机达到足够的转速，从而向燃烧室输送足够的压缩空气，进而驱动涡轮，最终驱动压气机运转。为了实现这一目标，我们需要克服压气机的惯性以及发动机内部的所有摩擦力。

根据飞机型号和发动机的不同，当飞行员将发动机模式开关从“关车”切换到“慢车”时，压气机就会由启动系统开始加速，此时尚未供油或点火。然后，一旦压气机达到所需转速，才会供油并点火。

初始燃油供应和点火会导致排气温度（EGT）在 20 秒内急剧上升。这种急剧上升是由燃烧室内过量的燃油引起的。

不过，一旦被点燃，燃气会流经涡轮并驱动压气机，从而减轻启动机的负荷，这也会提高压气机的转速（对于常规喷气发动机，通常称为 N2，这与直升机不同）。请查看下图，它展示了N2和EGT的典型过程：

有几种方法可以达到这个自维持点，但如果没有启动机，我们就无法达到这个目标，而启动机有多种形式，让我们来看看。

涡轮发动机可以通过哪些方式启动？

首先是电动启动机，它利用机载电瓶或外部地面电源电力来启动涡轮。这类启动机有两种形式：直接驱动式启动机（通常用于辅助动力装置 [APU] 等小型发动机）和启动发电机。

然后是液压启动机，它本质上是利用齿轮式液压马达和液压油来提供初始的能量爆发。

接下来是空气涡轮启动机，它利用一股高度压缩的气流通过压气机或燃气发生器涡轮，从而加速压气机的运转。通常，这股气流来自地面气源、APU 引气或已工作发动机引气。

最后是燃气涡轮启动机，它的形状多种多样，但军用飞行员可能会认出这是爆炸式火药启动机。它们的原理一样，都是利用燃烧过程中释放的动能来启动压气机和涡轮。

所有这些装置的目标都是一样的：让压气机达到足够的转速，从而实现自维持运转。大多数现代飞机和直升机都配备了全权限数字发动机控制系统（FADEC），使这一过程自动化，也更加安全。

然而，在使涡轮发动机达到自维持状态的过程中，仍然有很多可能出错的地方。让我们看看最常见的故障。

什么是热启动？

当然，我们在列举启动失败原因时，不能不提臭名昭著的热启动。热启动究竟是什么？它又是如何发生的？

热启动是指发动机排气温度（或涡轮进口温度，取决于发动机制造商）超过限制的情况。

最明显的症状是排气温度（EGT）“比平时”上升得更快。问题在于，EGT 最初可能按预期那样上升，然后突然迅速升高，在某些情况下难以及时发现。

流经发动机的气流不仅是涡轮/压气机的驱动力，它还起到冷却作用。

如果在供油和点火时，启动机没有将压气机加速到足够高的转速，则燃烧室（以及涡轮和排气管）的温度可能会升高到足以熔化某些金属的程度。

阻止这种急剧上升的唯一方法是及时切断燃油供应。等待指示或讨论该怎么做只会导致发动机无法使用。

听起来很糟糕，不是吗？这通常是由启动机功率不足、电源或 APU 的电流过低、油门未正确设置为慢车位，或任何其他导致启动时 N2 速度过低的因素引起的。

什么是启动悬挂？

还有一种不太常见的故障是启动悬挂，这种故障同样会损坏发动机。启动悬挂是指发动机转速无法正常加速到慢车转速，而是停滞或“悬挂”在某个较低值的情况。

通常情况下，排气温度会高于正常值，因为空气流量不足导致燃烧效率低下。

这种低效燃烧为燃气发生器涡轮提供的动力不足，因此不利于提高压气机的转速。如果启动机在认为完成启动任务后断开，则发动机转速仍无法达到正常的慢车转速。

在这种情况下，由于动力不足，飞行员将无法从慢车状态转为飞行状态。排气温度通常不会像热启动时那样超限，尽管仍然有可能发生。

什么是湿启动？

湿启动是指燃油被泵入燃烧室，但未能充分点燃，导致燃烧效率低下的情况。其表现为排气温度不会上升，发动机转速低于正常慢车所需的转速，稳定在起动机所能提供的最大转速。

湿启动时最大的威胁是过量的燃油突然点燃，在燃烧室中产生微型爆炸，这可能会损坏发动机和涡轮。

一些湿启动的标准操作程序是仅冷转发动机而不点火，以清除发动机内积油，然后再尝试重新启动。

什么是排气管或尾喷管起火？

尾喷管（或排气管）起火是由于燃烧室内的燃油相对于空气过多造成的，也就是富油。燃油过多的混合气通常会延迟点火，但一旦点火，其燃烧往往比正常情况更剧烈，并可能在燃烧室内部及后部造成问题。

除了排气温度升高之外，从驾驶舱内很难察觉到这种情况。通常情况下，地面人员会最先发现，他们会看到排气管甚至发动机进气口冒出火焰或烟雾。

由于发动机材料的设计能够承受极高的温度，排气管起火通常不会造成重大损害，但也不是完全不可能。

如果发生这种情况，发现后的正确做法是关断燃油阀，中止启动，并在不点火的情况下冷转发动机以清除积油。

结论

涡轮发动机多种多样，但它们大多基于相同的原理。使其能够自维持运转至关重要，而在达到这一阶段之前，各种问题都可能出现。

热启动问题被认为是最需要及时发现的，因为如果不及时处理，可能会导致发动机完全无法使用。

来源：The Most Common Turbine Engine Starting Failures. By Jop Dingemans. Pilots Who Ask Why, April 03 2022. 略有修改，非原文配图及视频来源于网络。

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