航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)故障模式分析

姚型彬　權(quán)曉林　呂雪燕

摘要：航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)故障是引發(fā)飛行事故的重要原因之一，本文從葉片、輪盤、主軸與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、主燃燒室和加力燃燒室、齒輪及傳動系統(tǒng)、燃油及控制系統(tǒng)幾個部分對發(fā)動機結(jié)構(gòu)故障進(jìn)行了分析，對了解不同結(jié)構(gòu)故障的發(fā)生率和故障模式具有一定的意義。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；結(jié)構(gòu)故障；故障模式；疲勞；蠕變；磨損

發(fā)動機是飛機的心臟。飛機的高投入和高風(fēng)險性，使航空發(fā)動機的可靠性成為最引人注目的問題。在發(fā)動機中，結(jié)構(gòu)故障引發(fā)的飛行事故教訓(xùn)慘重，弄清故障產(chǎn)生的原因，對于預(yù)防故障發(fā)生有一定的意義。

1 葉片故障分析

葉片是航空發(fā)動機中重要零件之一，由于功能的關(guān)系，其所處的工作環(huán)境十分嚴(yán)峻的。受有較高的離心負(fù)荷，氣動負(fù)荷，高溫和大氣差負(fù)荷以及振動的交變負(fù)荷等，使葉片容易發(fā)生故障。壓氣機葉片還受發(fā)動機進(jìn)氣道外來物的沖擊，受風(fēng)沙、潮濕的侵蝕；渦輪葉片受燃?xì)獾母g和高溫?zé)釕?yīng)力等。這都使葉片故障大大增多。航空發(fā)動機葉片故障占相當(dāng)大的比例，據(jù)統(tǒng)計振動故障率占發(fā)動機中總故障率的60%以上，而葉片故障又占振動故障的70%以上。常見的故障現(xiàn)象有：外來物損傷，強度不足和高低周疲勞損傷。其中以疲勞損傷為多。

2 輪盤故障分析

航空發(fā)動機輪盤，如渦輪盤，壓氣機輪盤和風(fēng)扇輪盤等，是發(fā)動機主要受力部件，除輪盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)速很高，有腐蝕介質(zhì)外，渦輪盤和高增壓比壓氣機后幾級輪盤的工作溫度比較高以外，切輪緣和輪心間的溫差也很大，故輪盤的工作條件十分惡劣。據(jù)統(tǒng)計常見的輪盤故障有如下幾種：

2.1 輪盤外徑伸長變形故障

輪盤外徑為其關(guān)鍵尺寸，如果徑向伸長變形超過允許值，必然使固定其上的工作葉片和靜止機匣間的徑向間隙減小，甚至相磨，使發(fā)動機無法可靠工作。造成這個故障的主要原因是，由于結(jié)構(gòu)不合理使輪盤局部工作應(yīng)力過大；或材料及處理制度選擇不恰當(dāng)，使輪盤材料的屈服極限值減小。這些都可能使輪盤局部產(chǎn)生過大的塑性變形，引起輪盤外徑伸長。如果輪盤材料中有缺陷，則更增加了外徑的伸長變形量。

2.2 輪盤腹板屈曲變形故障

在一般情況下，所有輪盤均由有相當(dāng)厚度的輪緣、薄的腹板和厚的中心輪轂等組成。在惡劣的工作條件下，可能導(dǎo)致輪緣中心面相對輪轂中心面產(chǎn)生永久性的軸向變形，此即所謂腹板屈曲。造成這個故障的主要原因是，由于輪盤型面不對稱，輪盤兩側(cè)的壓差和附加結(jié)構(gòu)引起的力矩，或由于相當(dāng)薄得腹板受到大的壓縮載荷作用。

2.3 輪盤超轉(zhuǎn)破裂故障

航空發(fā)動機在正常的加速過程中的瞬間超轉(zhuǎn)、燃油調(diào)節(jié)器失靈、加力燃燒室故障或軸承破壞脫開等其他異常條件下，均會引起輪盤超轉(zhuǎn)。這是如果輪盤材料中有缺陷或尺寸設(shè)計不合理，就會出現(xiàn)輪盤超轉(zhuǎn)破裂故障。為了防止這種故障，除需嚴(yán)格杜絕輪盤材料中的固有缺陷外，還需正確設(shè)計輪盤結(jié)構(gòu)和選擇輪盤材料，使輪盤有足夠的超轉(zhuǎn)破裂儲備。

2.4 輪盤低循環(huán)疲勞裂紋故障

在航空發(fā)動機輪盤工作中，主要承受離心應(yīng)力和熱應(yīng)力作用，二者均隨發(fā)動機工作狀態(tài)變化而循環(huán)變化。另外，對于局部輪盤還有較大的殘余應(yīng)力作用。由于輪盤形狀比較復(fù)雜，故在工作中經(jīng)常出現(xiàn)一些局部應(yīng)力集中的高應(yīng)力部位，如輪盤榫槽槽底，榫齒齒根及偏心孔，中心孔等部位。

3 主軸與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障分析

航空渦輪噴氣發(fā)動機的主要軸承是連接壓氣機與渦輪部件并傳遞渦輪功率給壓氣機的重要零部件。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重要零部件就是盤、軸和葉片，他們一旦出現(xiàn)故障，就會使發(fā)動機失去工作能力。因此，主軸與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障是屬于致命性的。

發(fā)動機主軸是傳遞渦輪功率和各種載荷的主要零件，無論是哪一種轉(zhuǎn)子支承形式，其受力都非常復(fù)雜的，這些載荷主要有：扭矩、軸向拉伸和彎曲載荷。

主軸承的故障模式，主要是由各種載荷引起的疲勞斷裂和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動，它不是承受高溫的零件，熱腐蝕和環(huán)境腐蝕等影響不大，出現(xiàn)的故障模式有：高循環(huán)疲勞破壞，低循環(huán)疲勞破壞，剛性不足，磨損疲勞，疲勞與蠕變交互作用，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動破壞等。

4 主燃燒室故障分析

主燃燒室故障與燃燒、加熱過程密切相關(guān)。它的故障不僅損壞其自身、危害及熱端部件，甚至危機飛機安全。

4.1 受高溫?zé)釕?yīng)力引起的故障

由于它承受的熱應(yīng)力大，溫度高，同事局部受熱不均，會引起很大熱應(yīng)力，經(jīng)過一段時間工作而產(chǎn)生變形、裂紋、掉塊等。這類故障多發(fā)生在火焰筒頭部、筒身、燃?xì)鈱?dǎo)管及后安裝邊等部位。目前，排除這類故障的措施是加強冷卻，減少熱應(yīng)力，或者改換耐熱性能更好的材料，或者采用表面隔熱涂層保護(hù)。

4.2 受機械振動引起的故障

受機械振動引起的故障，多發(fā)生在聯(lián)焰管上，如聯(lián)焰管鎖扣裂紋，火焰筒進(jìn)氣孔鑲套松動等。另外一個很重要的故障是噴嘴頭部螺帽松動。由于噴嘴是火焰筒的前支承，當(dāng)螺帽裝配時拎緊度不夠，在承受很大的振動后松動。它的后果是主副油路的噴口串油，從而惡化了副油路單獨工作的狀態(tài)的供油及霧化燃燒過程；也有松動后直接向外漏油的故障。

4.3 積碳和腐蝕引起的故障

在局部高溫及富油的條件下容易發(fā)生積碳。在主燃燒區(qū)里高溫燃?xì)馊菀滓饑?yán)重腐蝕。積碳及腐蝕對噴嘴影響最大。它們破壞噴嘴了表面，特別是破壞了燃油出口的結(jié)構(gòu)形狀，使燃油霧化受阻，火焰拖長，而燒壞葉片、噴管等。

4.4 燃燒過程組織不善引起的故障

燃油與空氣不匹配或者分布不均勻，引起燃燒室出口溫度場及全臺發(fā)動機的燃?xì)鉁囟葓霾痪鶆颍拱l(fā)動機的整體性能受影響，試車合格率降低。

5 齒輪及傳動系統(tǒng)故障

齒輪及傳動系統(tǒng)是航空發(fā)動機的重要環(huán)節(jié)之一。它傳動扭矩，驅(qū)動保證發(fā)動機正常工作的何種附件。從發(fā)動機的啟動到正常工作，它都起著協(xié)調(diào)和維持的作用。啟動及傳動系統(tǒng)正常工作與否直接關(guān)系到發(fā)動機能否繼續(xù)工作。齒輪及傳動系統(tǒng)的故障將誘發(fā)或?qū)е掳l(fā)動機的重要部件的重大故障，例如中央傳動傘齒輪斷裂會使發(fā)動機突然停車。據(jù)統(tǒng)計分析，齒輪及傳動系統(tǒng)其研究難度，占整個發(fā)動機的6.9-13.5%，故障率還將高于此種比率。

5.1 齒輪齒面的機械磨損故障有壓陷和剝落等

壓陷后的齒面一般不平行原齒面，而成一定的傾斜角β。剝落區(qū)域沿齒面高方向在節(jié)線上下最為嚴(yán)重。剝落坑為點狀，嚴(yán)重的剝落坑互相聯(lián)通，形成大剝坑，由此形成接觸面的不均勻，使得局部應(yīng)力過大，發(fā)展到進(jìn)展性疲勞點蝕剝落，由于剝落進(jìn)展酥落的金屬粒子，如加入磨料一樣更加劇磨損。

5.2 齒輪振動疲勞損傷故障

齒輪有本身的固有頻率，當(dāng)齒輪工作中由于轉(zhuǎn)速等原因的激勵，與固有頻率相吻合時即發(fā)生共振。共振是產(chǎn)生初始裂紋的主因，并且裂紋發(fā)展很快，破壞力很大。裂紋的分布與振形有密切關(guān)系，共振破壞齒輪形貌，使齒輪成塊掉下來，這是齒輪共振破壞的模式。

5.3 外物損傷導(dǎo)致疲勞損傷故障

一個零構(gòu)件可因設(shè)計不良、外部缺陷或損傷，造成應(yīng)力集中，構(gòu)成疲勞源。在加工、裝配及維修過程中，零構(gòu)件表面造成局部的燒蝕和傷痕，又沒有引起足夠的重視予以清除，就可能成為一個故障源，將引起嚴(yán)重的后果。

5.4 軸桿的故障模式

軸或桿一般為傳動構(gòu)件，破壞模式為應(yīng)力或振動疲勞斷裂。斷口一般為軸向45度左右，裂紋源于帶有R的轉(zhuǎn)接處或孔邊的應(yīng)力集中區(qū)。這也是工藝和加工很難處理的地方，工藝和加工超差，又沒有科學(xué)的處理而留下來的應(yīng)力集中，將是引起故障的根源。發(fā)動機下傳動桿斷裂故障是一個很明顯的例子。

總之，為了保障飛行安全，避免因發(fā)動機結(jié)構(gòu)故障而導(dǎo)致事故的發(fā)生，必須了解和掌握發(fā)動機結(jié)構(gòu)故障的模式，仔細(xì)分析故障原因，正確預(yù)防和處置，無論在機務(wù)維護(hù)上，還是在飛行使用中，都應(yīng)嚴(yán)格遵照有關(guān)規(guī)程、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)動作、程序執(zhí)行。

作者簡介

姚型彬（1981-），男，吉林省長春市（籍貫），現(xiàn)職稱：助理工程師，學(xué)歷：學(xué)士，研究方向：通信。