航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障模式分析及維修技術(shù)發(fā)展

喻碧怡 趙楠 肖淑斌 戰(zhàn)立娜

摘 ?要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為航空飛行器的動(dòng)力單元，其故障檢測(cè)及維修對(duì)于航空飛行器的安全穩(wěn)定工作極其重要。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)的視情維修通常根據(jù)故障類型及發(fā)展程度進(jìn)行判定。航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)，從而安全、快速地恢復(fù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作。本文詳細(xì)介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)故障模式及發(fā)動(dòng)機(jī)維修技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī) 故障 維修 發(fā)展

引言

飛機(jī)已經(jīng)伴隨人類超過一百年，和其他動(dòng)力機(jī)械一樣，其發(fā)動(dòng)機(jī)也需要維修、排故。航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、尾噴管等組成[1]。對(duì)于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)來說，壓氣機(jī)一般為多級(jí)，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?xì)鉁u輪和動(dòng)力渦輪。除此之外，發(fā)動(dòng)機(jī)還有精密的控制系統(tǒng)，用于協(xié)調(diào)各部件之間的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)在加工、裝配、轉(zhuǎn)運(yùn)及使用等環(huán)節(jié)都有引發(fā)故障的可能。比如，材料缺陷、加工誤差、安裝誤差、長(zhǎng)期的振動(dòng)和高溫等因素都是發(fā)動(dòng)機(jī)故障的原因[2-3]。發(fā)動(dòng)機(jī)本身的數(shù)據(jù)監(jiān)控功能，在一定程度上可以判斷故障來源。但通過無損檢測(cè)手段，如孔探儀、射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)等，可以進(jìn)一步快速、準(zhǔn)確地確定發(fā)動(dòng)機(jī)的故障位置和情況。通過判斷，可以確定是否安排發(fā)動(dòng)機(jī)視情維修及維修程度。

一 航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)典故障模式

1、流道故障

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要依靠?jī)?nèi)部氣流的高速流動(dòng)工作，當(dāng)流道因磨損、腐蝕、變形、積污、裂紋等原因發(fā)生變化，會(huì)引起流道內(nèi)氣流等的不穩(wěn)定，造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退，從而引發(fā)不可靠故障。而且流道故障具有耦合性，一處發(fā)生故障就會(huì)引起整機(jī)性能和可靠性下降。

2、零部件變形

在發(fā)動(dòng)機(jī)中零件變形通常有來兩方面的因素：高應(yīng)力和高溫。而嚴(yán)重的零件變形一方面會(huì)引起零件壽命降低，另一方面也會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǎng)期的高溫條件會(huì)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(shè)計(jì)狀態(tài)?；鹧嫱沧冃纬^一定程度，就會(huì)在裝配部件之間產(chǎn)生的應(yīng)力或縫隙、影響火焰筒內(nèi)部流場(chǎng)穩(wěn)定性，嚴(yán)重情況會(huì)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(zhǎng)期高溫和振動(dòng)的作用下，火焰筒避免容易產(chǎn)生裂紋，根據(jù)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(huì)影響火焰筒的安全性，可能引起火焰筒掉塊和結(jié)構(gòu)失效。

4、零部件燒蝕

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室及渦輪等都屬于熱端部件，在長(zhǎng)期高溫環(huán)境下工作，部分零件會(huì)出現(xiàn)燒蝕的現(xiàn)象，主要集中在火焰筒、渦輪葉片等部位，燒蝕會(huì)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(dòng)故障

振動(dòng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程不可避免的，但當(dāng)振動(dòng)達(dá)到一定程度變回引發(fā)震動(dòng)故障。振動(dòng)故障是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要故障之一，局部共振、轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子同心度偏差、軸承損壞、支撐結(jié)構(gòu)失效等都是振動(dòng)故障的成因。一般通過測(cè)量壓氣機(jī)、渦輪、附件機(jī)匣等外部結(jié)構(gòu)以及軸承的適當(dāng)位置來獲取相應(yīng)的振動(dòng)參數(shù)，如振動(dòng)位移、加速度等。

6、密封及潤(rùn)滑故障

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)主要依靠?jī)?nèi)部的高溫高壓氣體以及告訴旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子部件，發(fā)動(dòng)機(jī)的密封和潤(rùn)滑就成為了極為關(guān)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(rùn)滑功能就保證了轉(zhuǎn)子部件轉(zhuǎn)動(dòng)的順暢性。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)上重要的密封技術(shù)主要應(yīng)用在轉(zhuǎn)動(dòng)部件，通常使用篦齒密封、石墨密封、刷式密封、等技術(shù)，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(fā)動(dòng)機(jī)故障維修技術(shù)的發(fā)展

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的故障維修技術(shù)發(fā)展離不開材料和加工技術(shù)的不斷更新。早期的故障維修主要依靠零件的補(bǔ)焊、再加工等工藝，維修周期長(zhǎng)且使用壽命不能保證，因此對(duì)于關(guān)鍵部位的零件，如渦輪葉片，通常在故障后進(jìn)行更換，維修成本極高。新型材料及工藝的發(fā)展，降低了航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件維修的成本及周期。

1、3D 打印技術(shù)

3D 打印技術(shù)主要解決發(fā)動(dòng)機(jī)維修活成零部件采購難得問題，在應(yīng)急搶修中具有非常重要的意義。該技術(shù)主要用于制造壓氣機(jī)、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(fā)動(dòng)機(jī)維修中主要涉及的是3D 打印再制造技術(shù)，能夠快速修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)有激光凈成型、選區(qū)激光熔化、電子束熔絲沉積等[4]。

2、熱噴涂技術(shù)

熱噴涂技術(shù)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(jié)合強(qiáng)度和特定性能的涂層工藝。主要用于恢復(fù)尺寸和涂層，修復(fù)零件的機(jī)械性能，主要應(yīng)用于葉片部件的修復(fù)。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(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)視情維修對(duì)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(jù)故障的類型及程度，可匹配響應(yīng)的維修技術(shù)，從而確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)能夠安全可靠地恢復(fù)工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫護(hù)國(guó)， 霍武軍. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修性設(shè)計(jì)[J]. 航空科學(xué)技術(shù)， 2001（05）：27-29.

[2] 姚型彬， 權(quán)曉林， 呂雪燕. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)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(fā)動(dòng)機(jī)的故障模式，影響及危害性分析工作[C]// 中國(guó)航空學(xué)會(huì). 中國(guó)航空學(xué)會(huì)， 2015.

[4]郭雙全， 羅奎林， 劉瑞，等. 3D打印技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修中的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù)， 2015， 58（增刊S1）.

[5]付俊波， 周世魁. 熱噴涂技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件及其維修中的應(yīng)用[J]. 失效分析與預(yù)防， 2006， 1（002）：61-64.