CFM56-5B发动机起动系统常见故障分析

CFM56-5B发动机起动系统常见故障分析

学生：余佳琦指导教师：魏武国

摘要

航空发动机是飞机的心脏，CFM56系列发动机时CFM公司已研制成功并投入使用的新一代发动机。CFM56-5B发动机采用的是空气涡轮起动机，主要包括空气涡轮起动机以及起动关断活门。空气涡轮起动机属于无压气机的涡轮起动机，具有输出扭矩大、重量轻、结构简单、工作可靠、使用方便等各种优点。目前民用航空发动机大多采用空气涡轮起动机。本文主要讲述了A320飞机上CFM56-5B发动机的起动系统组成以及工作原理，起动系统的几种主要运行方式，起动系统的主要部件的功能以及工作原理。并对部件进行FMEA分析，将可能出现的故障模式进行分析，给出排除故障的方法。在故障发生时，通过FMEA可以迅速确定故障原因，采取措施消除故障或隐患。

关键词：CFM56-5B发动机，起动系统，FMEA分析

The Common Faults Analysis of The Starting System of CFM56-5B

Engine

Abstract

Aviation engine is the heart of the aircraft ,the series of CFM56 engine as a new generation of engines which is successfully developed by CFM International and have been put into operation for several years.The starting system CFM56-5B use is air turbine system,it mainly includes air turbine starter and starter shut off valve.Air turbine starter has no compressor,with the advantages of large output torque,light weight ,simple structure,reliable operation,easy to maintenance and so on.At present,air turbine starter is used in most of civil aviation engine.This article mainly represents the composition and working principle of the starting system of CFM56-5B engine which applied in A320 aircraft,the main operation modes of the system,and the functions and working principle of the components of the system. It also make FEMA analysis to the components ,and analyses the failure it may take place ,gives the methods for the trouble shooting.When the faults occur,through the FEMA we can assign the reason for the faults,and take steps to eliminate the faults or risk.

Key Words: CFM56-5B,starting system,FMEA analysis

目录

前言 (1)

第1章 CFM56-5B发动机简介 (2)

1.1 CFM56-5B发动机的背景 (2)

1.2 CFM56-5B发动机的工作原理 (2)

1.3 CFM56-5B发动机的结构 (3)

第2章起动系统 (7)

2.1 概述 (7)

2.1.1 起动基本概念 (7)

2.1.2 CFM56-5B发动机起动系统介绍 (7)

2.1.3 空气起动机和活门系统 (9)

2.2 起动过程 (13)

2.2.1 自动启动 (13)

2.2.2 手动起动 (14)

第3章故障模式分析 (15)

3.1 FMEA分析方法 (15)

3.2 故障原因分析 (15)

3.2.1 空气起动机故障模式分析 (16)

3.2.2 起动关断活门故障模式分析 (20)

3.3 其他原因导致的起动失效 (20)

3.3.1 辅助动力装置 (21)

3.3.2 工作环境 (21)

第4章常见故障分析 (22)

4.1 发动机起动时活门打不开 (22)

4.1.1 故障影响 (22)

4.1.2 故障原因 (22)

4.1.3 故障排除方法 (23)

4.1.4 排故流程图 (23)

4.2 发动机起动完成后活门无法关闭 (25)

4.2.1 故障影响 (25)

4.2.2 故障原因 (25)

4.2.3 故障排除方法 (26)

4.2.4 排故流程图 (26)

4.3 发动机点火前起动慢 (28)

4.3.1 故障影响 (28)

4.3.2 故障原因 (28)

4.3.3 故障排除方法 (29)

4.3.4 排故流程图 (29)

总结 (31)

参考文献 (33)

致谢 (34)

前言

CFM56-5B发动机是当前应用比较广泛的发动机之一，特别是在A320系列飞机上。CFM56-5B是涡轮风扇发动机，起飞推力从21600-32000磅不等用于适应推力需求。低压压气机有1级风扇和4级低压压气机，9级高压压气机，全重2381KG，2.14M长，1.97M。作为航空发动机，最重要的便是安全性和可靠性，但无论任何发动机都会有发生故障的时候，CFM56-5B发动机也不例外。起动系统是飞机系统中比较重要的一部分，起动系统的故障将会导致发动机起动不成功，其直接后果就是是航班延误或取消。不仅仅给航空公司造成经济损失，还会对公司声誉产生不好的影响。

本文第一章主要介绍了CFM56-5B发动机，包括发动机的制造背景、工作原理以及发动机的主要结构，使读者对这个发动机有一个大概的了解。然后在第二章，详细介绍了A320飞机上的起动系统。先对起动系统进行概述是读者对起动系统有了一定的了解，然后详细介绍了起动系统的工作原理，即发动机是如何起动的。随后本文又介绍了起动系统的供气以及起动系统对发动机的某些系统进行检查是的两种起动方式：干启动和湿起动。最后本章详细介绍了起动系统各个部件的功能以及工作原理，主要包括空气起动机和起动关断活门，并附上图片方便读者理解。在第二章的基础上，本文第三章对起动系统的失效模式进行分析，主要包括起动机失效以及活门失效。并对每个部件上的一些重要的零件进行失效模式分析，并对故障影响、故障原因以及故障排除方法分别进行了详细的叙述。并在最后介绍了其他系统以及外界环境对起动系统的影响，使故障分析更加全面。第四章主要介绍了起动系统的常见故障以及排故的流程。

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第1章 CFM56-5B发动机简介

1.1 CFM56-5B发动机的背景

1969年法国政府针对国际民用航空市场形势提出了研究10t推力级涡扇发动机的课题,法国SNECMA公司经过分析和调查,1971年底选择了美国GE公司作为合作伙伴,以美国

F101军用涡扇发动机的核心机为基础发展满足80年代飞机低油耗低噪声、低污染要求的发动机。1971年11月两家公司决定联合研制10000daN级的大涵道比的发动机。1972年2月完成设计并开展试制，1974年9月正式组成CFM国公司，发动机定名为CFM56，试制的头两台发动机相继在两家公司试车台试车。目前CFM56-5B为CFM系列较为成熟，技术先进且被广泛使用的发动机型号，CFM56-5B发动机主要装备于空客A319-A320-A321 系列飞机上。包括了7 个系列的发动机，编号从CFM56-5B1 一直到CFM56-5B7其中CFM56-5B1~3装备了A321飞机，CFM56-5B4装备了A320飞机，CFM56-5B5~7 装备了A319飞机。相应的推力分别为：30000lbs 、31000 lbs 、33000lbs、27000 lbs、22000 lbs、23000 lbs 、27000 lbs。

图1-1 CFM56-5B发动机实物图

1.2 CFM56-5B发动机的工作原理

如图1-2所示，由风扇进入发动机的空气被分为两部分，一部分主气流（Primary Flow）

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通过低压压气机进入高压压气机，然后在燃烧室内同空气混合后燃烧，高温和高压的燃气通过高、低压涡轮做功。另一部分空气（Secondary Flow）通过外涵，经过风扇叶片和外部导向叶片（Outlet Guide Vanes），排入大气，而这一部分空气提供过了近80%的推力。

次气流

主气流

反推

图1-2 CFM56-5B发动机推力分布

1.3 CFM56-5B发动机的结构

如图1-3所示，CFM56-5B发动机采用的是模块化设计，17个不同的模块被组装到3个主要的模块：风扇模块、核心机模块、低压涡轮模块，另外还有附件齿轮箱模块。

核心机模块

风扇模块

低压涡轮模块

附件传动模块

图1-3 发动机模块

CFM56-5B 发动机起动系统常见故障分析

如图1-4所示，CFM56发动机是高涵道比的涡扇发动机。发动机采用双转子，分别是

高压系统和低压系统，共有5个轴承。发动机的主要结构包括：轴流压气机，一级风扇，四级低压压气机，九级高压压气机，环形燃烧室，一级高压涡轮，四级低压涡轮，尾喷管。CFM56-5B 发动机采用的是视情维修的方式，对各个部件进行状态监控，发动机一直保持在役状态，除非发生重大意外或发动机寿命到期。

图1-4 CFM56-5B 发动机的结构

1.进气口：环形、无进口导流叶片，流道外壁设置消声衬板，无防冰装置。

2.风扇：单级轴流式。风扇叶片带叶中阻尼凸台，有36片。风扇盘后部与增压级鼓筒相联，风扇轴由2个轴承支承。风扇出口导流叶片为实心铝合金锻件制成，风扇流道设置有复合材料的消声衬板。

3.低压压气机：4级轴流式。4级转子为整体钛合金锻件制成，出口处沿圆周均布12个可调放气活门，可于低功率状态将部分空气放至风扇通道。最大允许低压转子转速为 5200r/min 。

4.高压压气机：9 级轴流式。进口导流叶片和前3级静子叶片可调，静子机匣为对开式，6～9 级机匣为双层结构，外层机匣上设有5级空气引出口，内层机匣为低膨胀系数合金制成，并在5级引出空气包围中，起到了控制压气机后面级间隙的作用。转子叶片1～3级为钛合金制，4～9级为IN718制成，1～3级叶片固定于轮盘的轴向燕尾槽中，4～9级固定于环形燕尾槽中。所有转子叶片可单独更换，各级均设孔探仪检查口。

附件传动 5个轴承

低压系统

2个框架

高压系统

2个集油槽

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5.燃烧室：燃烧室位于高压压气机和高压涡轮之间，采用的是短环形结构。来自高压压气机的空气和20个燃油喷嘴喷出的燃油在燃烧室内混合燃烧，油气混合气通过两个点火嘴点燃。9级气体用于发动机引气和发动机控制。燃烧室整流装置和内外衬板火焰筒由Hastelloy X 锻环机械加工成，内外壁均有分段气膜冷却。火焰筒头部有20个高压空气雾化喷嘴，燃烧室机匣材料为IN718。

6.高压涡轮：高压涡轮用于驱动高压压气机，他采用的是单级轴流式结构，由高压涡轮喷口，转子和低压1级涡轮喷口组成。高压涡轮喷口是在两片叶片之间形成21个通气口，他主要的作用就是将高温高压的燃气进行整流，进而让其有更好的方向进入到高压涡轮转子。导向器叶片和转子叶片均用压气机出口（CDP）空气冷却，高压涡轮与高压压气机组成的高压转子由前后二个轴承支承，其最大工作转速允许到15183r/min，由高压压气机第5 级和第9级引来的空气对高压涡轮进行主动间隙控制。

7.低压涡轮：低压涡轮用于驱动低压压气机和风扇组件，他是一个4级的轴流式结构，每一级有静子和转子，他的前安装边与燃烧室的组件相连，后安装边与涡轮框架相连。涡轮机匣引风扇后空气进行间隙控制，涡轮后机匣为12个支板结构，中心支承低压转子后支点，低压涡轮轴上4号中介轴承支承高压转子。

8.尾喷管：固定面积收敛喷管，风扇流道内设有反推力装置。

9.附件驱动组件：它位于发动机的六点钟位置，附件驱动系统由进口齿轮箱（IGB），径向驱动轴（RDS），转换齿轮箱（TGB），水平驱动轴（HDS），附件齿轮箱（AGB）组成。在发动机启动是，系统传递转速给发动机，发动机运转之后，他通过这些机构来完成对附件的驱动。IGB，由一个水平斜齿轮和垂直斜齿轮，3号球轴承和滚棒轴承，转子油气封严组件组成。有RDS的驱动，TGB将转速的方向再次转换成水平方向来传递转速给AGB，也是由各种斜齿轮机构完成驱动的。AGB由U型吊点来固定在发动机上，它的前面有润滑组件，液压泵，人工驱动组件，专用发电机，IDG的安装边。后面有HDS，燃油泵，N2传感器，起动机。

10.控制系统：采用带补充模拟电子输入的伍德沃德机械液压式燃油控制器。使用FADEC（全权限数字电子控制器）控制，常装在A320上，ECU（发动机控制组件）是其核心部件。FADEC系统对发动机进行全权的的数字式控制，它也会为飞机提供驾驶舱指示，发动机状态监控，维护报告和排故数据。他是由ECU计算机来进行发动机控制计算和监控的，它将电信号转换成液压压力来驱动HMU进行燃油控制，同时也控制其他外围部件诸如活门，传感器等等。FADEC通过ECU来和飞机进行数据交联，ECU接受一部分信号

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通过EIU，也会直接接受一些信号诸如油门杆信息和大气数据。EIU与飞机上的相关系统有数据交联。EIU位于飞机的后电子舱，与ECU之间通过ARINC429线进行数据连接。

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第2章起动系统

2.1 概述

2.1.1 起动基本概念

起动系统的功用是用来使飞机发动机从静止状态过渡到稳定的慢车状态。对于燃气涡轮的时间而言，发动机的起动必须依靠外界动力源。起动系统使发动机高压转子达到足够的转速，使压气机提供足够高的压力和空气流量，一旦喷油点火，发动机涡轮产生的功率足以加速到慢车转速，这整个过程称为起动。

2.1.2 CFM56-5B发动机起动系统介绍

发动机的起动系统利用压缩空气来驱动涡轮高速运转。这个涡轮通过（起动机）涡轮内的减速齿论和发动机附件传动系统施加一个扭矩给发动机高压转子系统。驱动起动机所必要的空气来自于：APU（辅助动力装置），另一个已经起动的引擎或地面气源。

起动机空气供应应由起动机关断活门（SOV）控制、气动操作和电动控制。起动机关断活门有一个手动超控功能，允许阀门在电动控制失效的情况下打开或关闭。

当N2转速达到50％时，起动机关断活门关闭，起动机离心离合器脱开。

发动机起动由位于中央基座的发动机起动面板第115单位和位于头顶面板的发动机/手动起动电门控制。

起始序列可能在任何时候被打断，通过超控全权限数据计算机（FADEC）将主管控制杆拉到OFF档。当主控制杆在在关闭位置是，高压燃油关断活门关闭，发动机停止工作。

发动机起动通常有两种起动程序：正常起动程序（自动）和备用起动程序（手动）。

正常起动程序（自动）：起动序列是完全由FADEC控制并且选择开关在IGN/START （点火/起动）位置和主控制杆在ON档时被选择。只有当FADEC失效时起动可以在地面被中断。

备用起动程序（手动）：这个序列由驾驶员控制如下：旋转选择开关到IGN/START （点火/起动）位置，并且按下MAN /START起动按钮来控制起动活门。主控制杆控制高压燃油关断活门。

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图2-1 起动系统示意图

图

2-2 起动系统气路图

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2.1.3 空气起动机和活门系统

起动机将来自一个引擎、APU或外部空气源的压缩空气流转换到高扭矩旋转运动。这个运动通过发动机附件传动系统传送给发动机高压转子。电动控制和气动操作直径4英寸的发动机关断活门（SOV）正常关闭。如图2-4所示，为起动机和起动关断活门在飞机上的位置。

图2-4 起动机和起动关断活门位置

一. 起动机

起动机安装在附件齿轮箱的右后部分，主要由进气道整流腔和排气室组件组成包含一个涡轮叶轮定子和径向封闭环、高速齿轮、涡轮导向器、行星齿轮组、三个低速齿轮，一个内部支撑齿轮（环形齿轮）、棘爪和棘轮联轴器组件、驱动轴组件、一个输出轴、石墨密封圈和一个齿轮箱组件。齿轮箱组件安装了磁性放油塞组件、滑油溢出插头和加油口塞。磁性放油塞包括一个内部磁性放油塞和一个外部单向插头。外部单向活门插头防止当磁性

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塞被拆卸时滑油外泄。

1 进气整流腔/排气组件2定子 3 涡轮 4 径向封闭环 5 碳面封严环 6 涡轮推力轴承

7 排气滤网8 滚珠轴承9 高速小齿轮10 齿轮壳体11 齿轮载体12 滚珠轴承

13 棘爪和棘轮离合器14 轴心齿轮棘齿15 密封挡圈16 碳面封严环17 输出轴

17A 驱动轴组件18 滚珠轴承19 滑油溢流柱塞20 滚珠轴承21 滚柱轴承（3）

22 磁性排放塞23 环形齿轮24 低速小齿轮25 行星齿轮26 滚珠轴承27 垫片

28 螺纹弹簧29 涡轮轴承壳体30 轴向截断器环31 滑油加油塞

图2-5 起动机示意图

如图2-6所示，由引气系统来的、经进气口内静子叶片整流后的高压气体吹动涡轮叶片以提供高转速，低转矩的力驱动小齿轮，做功后的废气通过格栅排到外部。小齿轮接受到的高转速低转矩的力，通过行星齿轮、大齿轮减速后形成低转速高转矩的力至输出轴驱动发动机附件齿轮箱，带动发动机高压转子转动。当起动关断活门关闭后，发动机转速高于起动机转速，起动机内部离合器组件的棘爪在离心力的作用下克服簧片的预载，向外移动，与棘轮脱开切断对外输出力，使起动机与发动机脱开。脱开后，离合器以前的涡轮、小齿轮、行星齿轮、离合器毂等部件停止运转，而离合器输出轴、油泵组件以及输出轴随着发动机附件齿轮箱高速转动。当发动机起动完成后，如果离合器失去脱开功能，有一个易断杆将会扭断，从而使起动机与发动机脱开，起到保护发动机和起动机的作用。油泵组件的主要作用是为起动机高速旋转的离合器和相关轴承提供润滑油，起动机润滑油来自发

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动机滑油。

图2-6 起动机工作示意图

二. 起动关断活门

如图2-7所示，起动机关断安装在风扇机匣上的3点钟位置，由两个主要部分组成：活门流量主体部分和气动执行机构和控制部分。活门流量主体部分由主体、蝶形板轴、轴承和密封封装在活门主体。气动执行机构和控制部分由控制电磁线圈、膜片、扭力关闭机构、轴驱动连杆和电电气位置指示开关组成。

图2-7 起动关断活门

起动关断活门工作原理如图2-8起动关断活门原理图所示。

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关闭操作：电磁活门断电，起动关断活门保持关闭。进气压力经过一个顺流前探头和一个在电磁活门中通过单向活门关闭的打开速率孔。开口腔内的压力通过电磁活门滚珠和封闭率孔与外界相通。在开口腔相反位置容腔内的压力通过通风口与外界相通。起动执行机构的内部弹簧与封闭的扭力弹簧力相结合，关闭起动机控制活门。

打开操作：通过接通任一一个电磁线圈打开起动空气活门，通电电磁线圈作动电磁活门滚珠到相反位置并打开止回阀。进气压力输送到开口腔，然后被隔膜和气动执行机构的活塞感应到。开口腔的压力上升并且作动活塞，当压力足以克服内部弹簧和关闭扭力弹簧是，活塞作动蝶形门到全开启位置。

图2-8 起动关断活门原理图

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2.2 起动过程

2.2.1 自动启动

正常启动发动机时，将驾驶舱中的模式选择旋钮扳到“IGN/START”，主控制手柄打到“ON”位，启动信号便以ARINC429的数据格式通过EIU传到ECU中的启动控制逻辑部分，然后ECU向起动空气活门供电，起动空气活门上的电磁活门会使得活门中相应机构的位置发生变化，从而在空气压力的作用下打开蝶形活门，将压力空气供入到启动机。进入到空气起动机的增压空气带动起动机中的空气涡轮作功，增压空气的压力势能转换为

转速后，电嘴转动动能，从而带动发动机的高压转子转动，当高压转子转速加速到16％n

2

点火，喷入起动燃油，在燃烧室内形成稳定的起动火苗，当发动机转子被起动机加速到22％转速时，主燃油开始供入，并被起动火苗点燃，形成稳定的火焰，涡轮开始输出功率。此后，发电机转子在起动机及涡轮共同带转下加速。转子的转速提高后，流入发动机的空气量加大，且空气经压气机压缩后的压力也在不断提高，因此燃烧后燃气的能量加大，使涡

时，涡轮发出的扭矩大大超过转轮能发出更大的功率，转子继续加速，当转子转速达到n

2

子阻力矩，断开起动机并中断起动机燃油的供入，点火系统停止工作，发动机转子全靠涡轮带动加速。当涡轮发出的扭矩等于转子阻力矩时即达到慢车转速n

时，起动过程结束。

i

起动过程如图2-9所示。

图2-9 自动起动过程

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2.2.2 手动起动

在手动起动过程中，ECU只提供有限度发动机保护和EGT（排气温度）限制。

在进行手动起动操作时，将驾驶舱中的模式选择旋钮扳到“IGN/START”，按下“MAN/START”按钮，起动关断活门打开将压力空气供入到启动机。进入到空气起动机的增压空气带动起动机中的空气涡轮作功，增压空气的压力势能转换为转动动能，从而带

转速大于20％时，将主控制手柄打到“ON”位，两个点动发动机的高压转子转动，当N

2

火器开始充能，燃油开始供入。当N

转速达到50％时，起动关断活门关闭，点火系统自动

2

关闭。手动起动过程如图2-10所示。

图2-10 手动起动过程

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第3章故障模式分析

3.1 FMEA分析方法

FMEA（故障模式影响分析）是研究产品故障对系统或整机所产生后果的影响的分析，并将每一个可能出现的故障模式进行分析，以便解释或采取必要的纠正措施。

FMEA的基本分析方法分为硬件法、功能法和混合法三类。

当产品可按设计、图纸及其他工程设计资料确定时，一般采用硬件法。硬件法通常是从零件开始，向上直到系统（或整机）进行分析，也可以从产品的一个层次向任一个方向展开分析。本文主要采用的是硬件法分析。

当产品还未确定或系统复杂并要求从初始约定层次开始并向下分析是，一般采用功能法。

对于复杂系统，具有上述两种方法特性时则采用综合法，综合法即是硬件法与功能法相结合。

3.2 故障原因分析

从前面几章关于发动机起动的工作分析可以看出，影响发动机正常起动的因素有ECU、APU引气系统、气源起动机以及起动机关断活门。而在飞机的实际运营当中由于ECU造成的起动系统不正常的可能性很小，因此本文着重分析起动机和起动机关断活门。起动系统的功能层次框图如下图所示。

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起动系统

起动系统空气起动机空气起动机起动关断活门起动关断活门空气导管

空气导管活门流量主体部分活门流量主体部分磁堵磁堵齿轮箱组件齿轮箱组件石墨封严环石墨封严环输出轴输出轴驱动轴组件驱动轴组件离合器离合器内部支撑齿轮内部支撑齿轮径向封闭环径向封闭环减速齿轮减速齿轮涡轮叶轮定子涡轮叶轮定子涡轮转子涡轮转子磁性放油塞磁性放油塞滑油溢出插头滑油溢出插头加油口塞加油口塞进气道整流腔进气道整流腔手动超控和位置指示手动超控和位置指示气动执行机构和控制

气动执行机构和控制流量主体流量主体蝶形板轴蝶形板轴轴承轴承封严

封严控制电磁线圈

控制电磁线圈膜片膜片扭力关闭机构扭力关闭机构驱动轴连杆驱动轴连杆电气位置指示开关电气位置指示开关涡轮涡轮涡轮轴涡轮轴

图3-1起动系统功能层次框图

3.2.1 空气起动机故障模式分析

对空气起动机的各个主要零件进行故障模式分析。

一. 起动机涡轮

空气起动机只有一个单级涡轮，涡轮的功率在很大的程度上决定了起动机的输出功

率，因此涡轮转子发生故障会对整个起动过程造成重大影响。

故障模式：涡轮盘以及涡轮叶片出现疲劳损伤、破损等现象。

故障影响：降低自身使用寿命。在起动机运行时当转速达到一定速度时，可能会造成

涡轮盘以及涡轮叶片产生裂纹。并且叶片在运转时会产生变形、伸长，影响其气动性能，使涡轮的效率降低。严重时可能会造成涡轮叶片的断裂，打坏其他零部件，降低起动机的输出效率，使起动机的性能下降，甚至危及起动机的安全，造成发动机的起动失败。

故障原因：起动机在长期使用后，或比较频繁的使用时，涡轮盘或涡轮叶片会产生疲

劳。起动机引气时，外界空气也不是绝对干净的，空气中总会含有灰尘以及其他污染物。在平时的使用时，如果不及时清理叶片就会积累比较大量的灰尘和污染物，从而改变了叶片的叶型，使叶片的气动性能发生改变，影响起动机的输出功率。