航空發動機故障模式分析及維修技術發展

喻碧怡 趙楠 肖淑斌 戰立娜

摘 ?要：航空發動機作為航空飛行器的動力單元，其故障檢測及維修對于航空飛行器的安全穩定工作極其重要。而航空發動機的視情維修通常根據故障類型及發展程度進行判定。航空發動機故障模式分析有利于快速定位故障并匹配適合的維修技術，從而安全、快速地恢復航空發動機的工作。本文詳細介紹了發動機故障模式及發動機維修技術的發展。

關鍵詞：航空發動機 故障 維修 發展

引言

飛機已經伴隨人類超過一百年，和其他動力機械一樣，其發動機也需要維修、排故。航空渦軸發動機的結構主要由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴管等組成[1]。對于渦軸發動機來說，壓氣機一般為多級，分為軸流式和徑向式兩種;燃燒室則一般分為回流式和直流式;渦輪一般氛圍燃氣渦輪和動力渦輪。除此之外，發動機還有精密的控制系統，用于協調各部件之間的正常運轉。

發動機在加工、裝配、轉運及使用等環節都有引發故障的可能。比如，材料缺陷、加工誤差、安裝誤差、長期的振動和高溫等因素都是發動機故障的原因[2-3]。發動機本身的數據監控功能，在一定程度上可以判斷故障來源。但通過無損檢測手段，如孔探儀、射線檢測、超聲波檢測等，可以進一步快速、準確地確定發動機的故障位置和情況。通過判斷，可以確定是否安排發動機視情維修及維修程度。

一 航空發動機經典故障模式

1、流道故障

航空發動機主要依靠內部氣流的高速流動工作，當流道因磨損、腐蝕、變形、積污、裂紋等原因發生變化，會引起流道內氣流等的不穩定，造成發動機性能衰退，從而引發不可靠故障。而且流道故障具有耦合性，一處發生故障就會引起整機性能和可靠性下降。

2、零部件變形

在發動機中零件變形通常有來兩方面的因素：高應力和高溫。而嚴重的零件變形一方面會引起零件壽命降低，另一方面也會引起發動機流道的變形。比如，作為高溫部件的火焰筒，在工作過程承受較高的溫度，最高溫度可能超過1000℃。長期的高溫條件會引起火焰筒塑性變形，使得火焰筒頭部平面度、圓度等較大地偏離設計狀態。火焰筒變形超過一定程度，就會在裝配部件之間產生的應力或縫隙、影響火焰筒內部流場穩定性，嚴重情況會造成薄弱位置的裂紋和斷裂。

3、零部件裂紋

火焰筒是燃燒部件壁溫最高的零件，在長期高溫和振動的作用下，火焰筒避免容易產生裂紋，根據裂紋的不同程度其影響也不同，一般裂紋延伸至零件邊緣或裂紋形成閉合的情況下，會影響火焰筒的安全性，可能引起火焰筒掉塊和結構失效。

4、零部件燒蝕

航空發動機的燃燒室及渦輪等都屬于熱端部件，在長期高溫環境下工作，部分零件會出現燒蝕的現象，主要集中在火焰筒、渦輪葉片等部位，燒蝕會引起零件基體材料的脫離，從而影響到零件本身的功能及壽命。

5、振動故障

振動是航空發動機工作過程不可避免的，但當振動達到一定程度變回引發震動故障。振動故障是發動機的主要故障之一，局部共振、轉子不平衡、轉子同心度偏差、軸承損壞、支撐結構失效等都是振動故障的成因。一般通過測量壓氣機、渦輪、附件機匣等外部結構以及軸承的適當位置來獲取相應的振動參數，如振動位移、加速度等。

6、密封及潤滑故障

航空發動機的運轉主要依靠內部的高溫高壓氣體以及告訴旋轉的轉子部件，發動機的密封和潤滑就成為了極為關鍵的功能。密封功能可以防止高壓氣體、高壓液體滲漏，保證流體路徑的完好。潤滑功能就保證了轉子部件轉動的順暢性。

航空發動機上重要的密封技術主要應用在轉動部件，通常使用篦齒密封、石墨密封、刷式密封、等技術，除此之外在靜密封位置通常采用密封墊和密封圈。

二 航空發動機故障維修技術的發展

航空發動機的故障維修技術發展離不開材料和加工技術的不斷更新。早期的故障維修主要依靠零件的補焊、再加工等工藝，維修周期長且使用壽命不能保證，因此對于關鍵部位的零件，如渦輪葉片，通常在故障后進行更換，維修成本極高。新型材料及工藝的發展，降低了航空發動機零部件維修的成本及周期。

1、3D 打印技術

3D 打印技術主要解決發動機維修活成零部件采購難得問題，在應急搶修中具有非常重要的意義。該技術主要用于制造壓氣機、渦輪部件的葉片，在燃燒室中主要用于噴嘴題和渦流器的制造。

而發動機維修中主要涉及的是3D 打印再制造技術，能夠快速修復發動機的受損零件，縮短維修周期和成本。常用的3D打印再制造技術有激光凈成型、選區激光熔化、電子束熔絲沉積等[4]。

2、熱噴涂技術

熱噴涂技術是將噴涂材料加熱融化并霧化，然后高速噴射到基材表面，形成足夠結合強度和特定性能的涂層工藝。主要用于恢復尺寸和涂層，修復零件的機械性能，主要應用于葉片部件的修復。目前常用的熱噴涂工藝有火焰噴涂法、電弧噴涂法、激光噴涂法等。

三 結束語

航空發動機視情維修對其其安全可靠工作十分重要，故障模式分析可以幫助快速確定故障分類，根據故障的類型及程度，可匹配響應的維修技術，從而確保航空發動機能夠安全可靠地恢復工作。

參考文獻

[1] 孫護國， 霍武軍. 航空發動機的維修性設計[J]. 航空科學技術， 2001（05）：27-29.

[2] 姚型彬， 權曉林， 呂雪燕. 航空發動機結構故障模式分析[J]. 卷宗， 2013， 000（008）：158-159.

[3] 張曉爽， 聶華菊， 龍海躍，等. 淺析發動機的故障模式，影響及危害性分析工作[C]// 中國航空學會. 中國航空學會， 2015.

[4]郭雙全， 羅奎林， 劉瑞，等. 3D打印技術在航空發動機維修中的應用[J]. 航空制造技術， 2015， 58（增刊S1）.

[5]付俊波， 周世魁. 熱噴涂技術在航空發動機零部件及其維修中的應用[J]. 失效分析與預防， 2006， 1（002）：61-64.