基于孔探技術(shù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)常見損傷及案例分析

胡 靜，徐 拓

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)已經(jīng)成為重要的交通工具，且飛機(jī)的飛行速度、高度、航程和載重能力也越來(lái)越高，因此，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求更高，其工作環(huán)境也更加惡劣。航空發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在高溫、高壓、高負(fù)荷的環(huán)境下工作，不可避免的要出現(xiàn)各種故障，特別是壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪這些核心機(jī)部件更是維修工作中重點(diǎn)關(guān)注的部位[1]。在維修過(guò)程的各種故障檢測(cè)手段中，孔探檢測(cè)是一種快速便捷的檢測(cè)方法，能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)流道內(nèi)各種損傷進(jìn)行快速的檢測(cè)，為進(jìn)一步的維修和采取措施提供重要依據(jù)。因此，研究基于孔探技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部常見損傷對(duì)一線維修人員的維修工作有重要的參考作用。本文不僅介紹了基于孔探技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)常見故障類型特點(diǎn)，而且分析了造成其故障的原因，希望以此能夠提供給相關(guān)工程技術(shù)人員一些理論指導(dǎo)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)常見故障類型及原因

1.1 壓氣機(jī)故障

航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，空氣通過(guò)進(jìn)氣導(dǎo)向器進(jìn)入壓氣機(jī)，要經(jīng)過(guò)低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)兩次壓縮，壓氣機(jī)靜子葉片和轉(zhuǎn)子葉片在這個(gè)過(guò)程中會(huì)受到各種軸向力、扭矩，彎矩以及振動(dòng)載荷的綜合作用，受力狀況苛刻且復(fù)雜[2]。特別是轉(zhuǎn)子葉片還要受到較高氣動(dòng)載荷、振動(dòng)交變載荷以及離心載荷，工作環(huán)境十分惡劣，因此很容易發(fā)生故障。故障產(chǎn)生的主要原因有：外物損傷、強(qiáng)度不足和機(jī)體疲勞。

（1）外物損傷。是指葉片受到外來(lái)物的沖擊而導(dǎo)致的損傷，多發(fā)生在第一級(jí)壓氣機(jī)葉片，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成后面葉片的直接損傷，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

（2）強(qiáng)度不足。是指葉片強(qiáng)度裕度不夠?qū)е氯~片應(yīng)力超過(guò)了可承受應(yīng)力范圍，一般是由于制造工藝有缺陷或葉片材質(zhì)不好，在受到瞬間沖擊載荷的作用下發(fā)生的故障。

（3）機(jī)體疲勞。主要是指應(yīng)力疲勞損傷以及葉片喘振導(dǎo)致的故障。

1.2 燃燒室故障

燃燒室是承受熱負(fù)荷最大的部件，長(zhǎng)期高溫作業(yè)，損壞幾率較大。常見的故障原因有熱應(yīng)力、積碳、腐蝕和燃燒不均勻。

（1）高溫?zé)釕?yīng)力引起的故障。主要是因?yàn)槿紵页惺艿臒嶝?fù)荷大，溫度高，同時(shí)局部受熱不均，引起很大的熱應(yīng)力。

（2）受機(jī)械振動(dòng)引起的故障。多發(fā)生在燃油噴管和熱屏蔽板部位，會(huì)使燃油供油及霧化效率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成漏油等故障。

（3）積碳和腐蝕引起的故障。在溫度局部過(guò)高和燃油過(guò)量的狀況下容易產(chǎn)生積碳，高溫的燃?xì)馊菀滓鸶g，進(jìn)而造成燃油出口損傷。

（4）燃燒不均勻引起的故障。燃油和空氣混合不均勻，不同部位燃油噴射程度不同，都會(huì)造成局部溫度相對(duì)過(guò)高造成損傷。

1.3 渦輪故障

渦輪的工作條件非常惡劣，不僅受到熱負(fù)荷還要受到各種交變應(yīng)力以及高溫燃?xì)獾母g，會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷，甚至?xí)斐扇~片燒毀和斷裂，在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)造成嚴(yán)重后果。

2 孔探常見損傷

發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)部分故障概率相對(duì)較高，在眾多檢測(cè)方法中，孔探檢測(cè)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠直接將損傷部位進(jìn)行圖像化處理，如圖1所示，一般來(lái)說(shuō)，孔探能夠檢查到的常見損傷有裂紋、材料丟失、葉尖彎曲、缺口、凹坑、燒傷和燒穿等。

圖1 孔探常見損傷

2.1 裂紋

裂紋多發(fā)生在熱區(qū)-高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的尖部，由于其工作環(huán)境惡劣、溫度高、燃燒氣體的腐蝕性強(qiáng)，氣流中的沉積物多，所以熱應(yīng)力的不均勻分布使得渦輪葉片尖部多出現(xiàn)此類損傷。對(duì)于這種損傷要加強(qiáng)監(jiān)控檢查，注意監(jiān)控裂紋發(fā)展的趨勢(shì)，以防止裂紋擴(kuò)展造成葉尖材料丟失。冷段的轉(zhuǎn)子葉片在受到異物沖擊后也會(huì)產(chǎn)生裂紋。

裂紋可以分為軸向裂紋、徑向裂紋和周向裂紋，長(zhǎng)度是檢查裂紋的主要參數(shù)，檢查時(shí)，裂紋不隨燈光的強(qiáng)弱而改變。

2.2 材料丟失

材料丟失多發(fā)生在冷區(qū)的轉(zhuǎn)子葉片上，通常是由高速的體積較大的外來(lái)物或內(nèi)部掉落的硬性物體沖擊所致，出現(xiàn)這種損傷，往往不會(huì)單一地只發(fā)生在一級(jí)葉片上，而是多級(jí)葉片都會(huì)有不同程度的損傷，其后果往往是發(fā)動(dòng)機(jī)換發(fā)。長(zhǎng)度和深度是檢查材料丟失程度的中重要參數(shù)。

2.3 葉尖彎曲

葉尖彎曲多發(fā)生在冷區(qū)的轉(zhuǎn)子葉片上，通常情況下，是由于轉(zhuǎn)子葉片通道涂層蓬松漲起而刮磨到轉(zhuǎn)子葉尖所致，在發(fā)現(xiàn)這種損傷后，孔探人員還要繼續(xù)對(duì)轉(zhuǎn)子葉片通道及下游各級(jí)葉片進(jìn)行檢查，以確定是否有脫落的轉(zhuǎn)子通道涂層對(duì)下游葉片造成了傷害。長(zhǎng)度是檢查葉尖彎曲的重要參數(shù)

2.4 缺口

缺口多發(fā)生在冷區(qū)的轉(zhuǎn)子葉片前緣上，由微小的外來(lái)物打傷所致[3]。通常情況下，由于其損傷的面積和深度較小，在手冊(cè)中的放行標(biāo)準(zhǔn)也較寬，很少出現(xiàn)損傷超標(biāo)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)拆下的事例。但是這種損傷要注意觀察缺口周圍是否伴隨著裂紋，如果發(fā)現(xiàn)裂紋，則情況要嚴(yán)峻得多，需要慎重處理。

2.5 凹坑

凹坑多發(fā)生在冷區(qū)的轉(zhuǎn)子葉片或靜子葉片上，是由外來(lái)物沖擊葉片表面造成，沖擊往往在葉面上形成圓形凹陷，這種損傷的觀測(cè)對(duì)光線的變化很敏感，其目視深度會(huì)隨著光線的明亮或暗淡而變深或變淺。凹坑形狀多為U形，深度是檢查凹坑的重要參數(shù)。

2.6 燒傷

燒傷多發(fā)生在燃燒室的內(nèi)外壁上，由于燃燒室的溫度較高，氣流變化情況復(fù)雜，往往在溫度高的回?zé)齾^(qū)出現(xiàn)此類損傷。由于這種損傷的形狀極不規(guī)則，因此在測(cè)量其面積時(shí)，對(duì)孔探人員的測(cè)量水平要求很高。面積是檢查燒傷程度的重要參數(shù)。

2.7 燒穿

燒穿多發(fā)生在熱區(qū)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子和靜子葉片的前緣，多數(shù)情況下是由于燃燒氣體中的沉積物堵塞了葉片冷卻孔，而導(dǎo)致的局部區(qū)域溫度過(guò)高所致，少數(shù)超溫故障也會(huì)造成此類損傷。出現(xiàn)這種損傷，往往意味著葉片已經(jīng)失去了外部的隔熱效果，高溫燃?xì)鈺?huì)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)葉片內(nèi)部造成巨大的傷害，因此這類損傷的標(biāo)準(zhǔn)十分嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)更換的幾率非常高。燒穿的估測(cè)比較復(fù)雜，要參考具體的工卡或手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

孔探可以幫助航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)解決的問(wèn)題有：

（1）幫助預(yù)防發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車。

（2）發(fā)現(xiàn)流道內(nèi)可見缺陷。

a.氣流通道內(nèi)的大部分轉(zhuǎn)子葉片損傷；

b.氣流通道內(nèi)的部分靜子葉片損傷；

c.氣流通道內(nèi)其他可見部位的損傷，例如：壓氣機(jī)轂、渦輪氣封嚴(yán)等。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)變化時(shí)幫助確認(rèn)故障。

（4）檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油管路是否堵塞。

（5）發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入異物時(shí)取出異物。

但是，在發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)的方法中，孔探也有其局限性。例如，孔探無(wú)法監(jiān)控、檢查到發(fā)動(dòng)機(jī)非流道內(nèi)部件，像榫槽、榫頭以及生產(chǎn)工藝和制造材料等缺陷，都是無(wú)法通過(guò)孔探在外形上觀察到的[4]。還有像突發(fā)性的葉片損傷和發(fā)動(dòng)機(jī)附件導(dǎo)致的故障，都是孔探這種檢測(cè)手段所不能發(fā)現(xiàn)的。

3 典型案例

以CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)裂紋損傷為例，對(duì)損傷情況進(jìn)行具體描述，并給出實(shí)際維修中相應(yīng)的建議措施。見圖2圖、3圖、4圖、圖5.

圖2 LPTN 1號(hào)葉片裂紋

圖3 LPTN 2號(hào)葉片裂紋

圖4 LPTN 2號(hào)葉片凸面開口裂紋

圖5 LPTN 3號(hào)葉片裂紋

（1）案例描述

案例名稱：發(fā)動(dòng)機(jī)LPTN孔探檢查，損傷類型：裂紋。

通過(guò)孔探技術(shù)發(fā)現(xiàn)，6點(diǎn)鐘位置，LPTN1有3片葉片有裂紋，1號(hào)葉片的凹面和凸面裂紋如圖2所示。

2號(hào)葉片的凹面和凸面裂紋如圖3所示，凸面裂紋分段測(cè)量，總長(zhǎng)度為：16.25+9.51=25.76 mm.

2號(hào)葉片凸面裂紋的寬度為0.44 mm，為開口裂紋。如圖4所示。

3號(hào)葉片的凹面和凸面裂紋如圖5所示。

（2）結(jié)論及處理措施

按工卡孔探檢查，參照手冊(cè)72-00-00page654（b）-4），低壓渦輪導(dǎo)向葉片6點(diǎn)鐘位置有1片葉片前緣徑向裂紋為25.76 mm，寬度為0.44 mm，超過(guò)手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)，該發(fā)最大可使用100循環(huán)。建議每50~70 h檢查一次，報(bào)工程部門評(píng)估，并在100循環(huán)內(nèi)停場(chǎng)換發(fā)修理。

4 結(jié)論

航空發(fā)動(dòng)機(jī)特別是核心機(jī)部分屬于故障多發(fā)區(qū)域，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性以及航空公司的運(yùn)營(yíng)安排有重要影響，而孔探作為最常用的檢測(cè)手段能夠?qū)诵臋C(jī)流道內(nèi)常見損傷進(jìn)行有效檢查，并可以將如葉片的裂紋、燃燒室的燒蝕等損傷以圖像和視頻的方式記錄下來(lái)，然后根據(jù)維修手冊(cè)的要求進(jìn)行判斷和處理。因此，充分認(rèn)識(shí)了解基于孔探技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)常見損傷對(duì)實(shí)際維修工作有重要意義。

[1]陳宏杰.基于孔探技術(shù)的民航發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理研究[D].廈門：廈門大學(xué)，2014.

[2]左洪福.發(fā)動(dòng)機(jī)磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1995.

[3]馬 超，王玉娜.航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片硬物沖擊損傷特征[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào).2017，32（05）：1105-1111.

[4]張 勇.航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中孔探圖像特征提取技術(shù)應(yīng)用研究[D].北京：國(guó)防科技大學(xué)研究生院，2006.