航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(pán)、主軸與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、主燃燒室和加力燃燒室、齒輪及傳動(dòng)系統(tǒng)、燃油及控制系統(tǒng)幾個(gè)部分對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)故障進(jìn)行了分析，對(duì)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(dòng)機(jī)；結(jié)構(gòu)故障；故障模式；疲勞；蠕變；磨損

發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟。飛機(jī)的高投入和高風(fēng)險(xiǎn)性，使航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性成為最引人注目的問(wèn)題。在發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(dòng)機(jī)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(dòng)負(fù)荷，高溫和大氣差負(fù)荷以及振動(dòng)的交變負(fù)荷等，使葉片容易發(fā)生故障。壓氣機(jī)葉片還受發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道外來(lái)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(dòng)機(jī)葉片故障占相當(dāng)大的比例，據(jù)統(tǒng)計(jì)振動(dòng)故障率占發(fā)動(dòng)機(jī)中總故障率的60%以上，而葉片故障又占振動(dòng)故障的70%以上。常見(jiàn)的故障現(xiàn)象有：外來(lái)物損傷，強(qiáng)度不足和高低周疲勞損傷。其中以疲勞損傷為多。

2 輪盤(pán)故障分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤(pán)，如渦輪盤(pán)，壓氣機(jī)輪盤(pán)和風(fēng)扇輪盤(pán)等，是發(fā)動(dòng)機(jī)主要受力部件，除輪盤(pán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)速很高，有腐蝕介質(zhì)外，渦輪盤(pán)和高增壓比壓氣機(jī)后幾級(jí)輪盤(pán)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(pán)的工作條件十分惡劣。據(jù)統(tǒng)計(jì)常見(jiàn)的輪盤(pán)故障有如下幾種：

2.1 輪盤(pán)外徑伸長(zhǎng)變形故障

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

2.2 輪盤(pán)腹板屈曲變形故障

在一般情況下，所有輪盤(pán)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(duì)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(gè)故障的主要原因是，由于輪盤(pán)型面不對(duì)稱(chēng)，輪盤(pán)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(pán)超轉(zhuǎn)破裂故障

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在正常的加速過(guò)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(kāi)等其他異常條件下，均會(huì)引起輪盤(pán)超轉(zhuǎn)。這是如果輪盤(pán)材料中有缺陷或尺寸設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)出現(xiàn)輪盤(pán)超轉(zhuǎn)破裂故障。為了防止這種故障，除需嚴(yán)格杜絕輪盤(pán)材料中的固有缺陷外，還需正確設(shè)計(jì)輪盤(pán)結(jié)構(gòu)和選擇輪盤(pán)材料，使輪盤(pán)有足夠的超轉(zhuǎn)破裂儲(chǔ)備。

2.4 輪盤(pán)低循環(huán)疲勞裂紋故障

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤(pán)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(dòng)機(jī)工作狀態(tài)變化而循環(huán)變化。另外，對(duì)于局部輪盤(pán)還有較大的殘余應(yīng)力作用。由于輪盤(pán)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(pán)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(dòng)機(jī)的主要軸承是連接壓氣機(jī)與渦輪部件并傳遞渦輪功率給壓氣機(jī)的重要零部件。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重要零部件就是盤(pán)、軸和葉片，他們一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)主軸是傳遞渦輪功率和各種載荷的主要零件，無(wú)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(dòng)，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(dòng)破壞等。

4 主燃燒室故障分析

主燃燒室故障與燃燒、加熱過(guò)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(jī)飛機(jī)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(huì)引起很大熱應(yīng)力，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間工作而產(chǎn)生變形、裂紋、掉塊等。這類(lèi)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(lèi)故障的措施是加強(qiáng)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(jī)械振動(dòng)引起的故障

受機(jī)械振動(dòng)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(dòng)等。另外一個(gè)很重要的故障是噴嘴頭部螺帽松動(dòng)。由于噴嘴是火焰筒的前支承，當(dāng)螺帽裝配時(shí)拎緊度不夠，在承受很大的振動(dòng)后松動(dòng)。它的后果是主副油路的噴口串油，從而惡化了副油路單獨(dú)工作的狀態(tài)的供油及霧化燃燒過(guò)程；也有松動(dòng)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(duì)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(zhǎng)，而燒壞葉片、噴管等。

4.4 燃燒過(guò)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(chǎng)及全臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁囟葓?chǎng)不均勻，使發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能受影響，試車(chē)合格率降低。

5 齒輪及傳動(dòng)系統(tǒng)故障

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

5.1 齒輪齒面的機(jī)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(diǎn)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(guò)大，發(fā)展到進(jìn)展性疲勞點(diǎn)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(dòng)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(lì)，與固有頻率相吻合時(shí)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(lái)，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(gè)零構(gòu)件可因設(shè)計(jì)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(guò)程中，零構(gòu)件表面造成局部的燒蝕和傷痕，又沒(méi)有引起足夠的重視予以清除，就可能成為一個(gè)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(dòng)構(gòu)件，破壞模式為應(yīng)力或振動(dòng)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(méi)有科學(xué)的處理而留下來(lái)的應(yīng)力集中，將是引起故障的根源。發(fā)動(dòng)機(jī)下傳動(dòng)桿斷裂故障是一個(gè)很明顯的例子。

總之，為了保障飛行安全，避免因發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(wú)論在機(jī)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(dòng)作、程序執(zhí)行。

作者簡(jiǎn)介

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