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1、 航空发动机结构故障模式分析 姚型彬权晓林吕雪燕摘要：航空发动机结构故障是引发飞行事故的重要原因之一，本文从叶片、轮盘、主轴与转子系统、主燃烧室和加力燃烧室、齿轮及传动系统、燃油及控制系统几个部分对发动机结构故障进行了分析，对了解不同结构故障的发生率和故障模式具有一定的意义。关键词：航空发动机；结构故障；故障模式；疲劳；蠕变；磨损发动机是飞机的心脏。飞机的高投入和高风险性，使航空发动机的可靠性成为最引人注目的问题。在发动机中，结构故障引发的飞行事故教训惨重，弄清故障产生的原因，对于预防故障发生有一定的意义。1 叶片故障分析叶片是航空发动机中重要零件之一，由于功能的关系，其所处的工作环境十分严峻
2、的。受有较高的离心负荷，气动负荷，高温和大气差负荷以及振动的交变负荷等，使叶片容易发生故障。压气机叶片还受发动机进气道外来物的冲击，受风沙、潮湿的侵蚀；涡轮叶片受燃气的腐蚀和高温热应力等。这都使叶片故障大大增多。航空发动机叶片故障占相当大的比例，据统计振动故障率占发动机中总故障率的60%以上，而叶片故障又占振动故障的70%以上。常见的故障现象有：外来物损伤，强度不足和高低周疲劳损伤。其中以疲劳损伤为多。2 轮盘故障分析航空发动机轮盘，如涡轮盘，压气机轮盘和风扇轮盘等，是发动机主要受力部件，除轮盘结构复杂，转速很高，有腐蚀介质外，涡轮盘和高增压比压气机后几级轮盘的工作温度比较高以外，切轮缘和轮心
3、间的温差也很大，故轮盘的工作条件十分恶劣。据统计常见的轮盘故障有如下几种：2.1 轮盘外径伸长变形故障轮盘外径为其关键尺寸，如果径向伸长变形超过允许值，必然使固定其上的工作叶片和静止机匣间的径向间隙减小，甚至相磨，使发动机无法可靠工作。造成这个故障的主要原因是，由于结构不合理使轮盘局部工作应力过大；或材料及处理制度选择不恰当，使轮盘材料的屈服极限值减小。这些都可能使轮盘局部产生过大的塑性变形，引起轮盘外径伸长。如果轮盘材料中有缺陷，则更增加了外径的伸长变形量。2.2 轮盘腹板屈曲变形故障在一般情况下，所有轮盘均由有相当厚度的轮缘、薄的腹板和厚的中心轮毂等组成。在恶劣的工作条件下，可能导致轮缘中
4、心面相对轮毂中心面产生永久性的轴向变形，此即所谓腹板屈曲。造成这个故障的主要原因是，由于轮盘型面不对称，轮盘两侧的压差和附加结构引起的力矩，或由于相当薄得腹板受到大的压缩载荷作用。2.3 轮盘超转破裂故障航空发动机在正常的加速过程中的瞬间超转、燃油调节器失灵、加力燃烧室故障或轴承破坏脱开等其他异常条件下，均会引起轮盘超转。这是如果轮盘材料中有缺陷或尺寸设计不合理，就会出现轮盘超转破裂故障。为了防止这种故障，除需严格杜绝轮盘材料中的固有缺陷外，还需正确设计轮盘结构和选择轮盘材料，使轮盘有足够的超转破裂储备。2.4 轮盘低循环疲劳裂纹故障在航空发动机轮盘工作中，主要承受离心应力和热应力作用，二者均
5、随发动机工作状态变化而循环变化。另外，对于局部轮盘还有较大的残余应力作用。由于轮盘形状比较复杂，故在工作中经常出现一些局部应力集中的高应力部位，如轮盘榫槽槽底，榫齿齿根及偏心孔，中心孔等部位。3 主轴与转子系统的故障分析航空涡轮喷气发动机的主要轴承是连接压气机与涡轮部件并传递涡轮功率给压气机的重要零部件。转子系统的重要零部件就是盘、轴和叶片，他们一旦出现故障，就会使发动机失去工作能力。因此，主轴与转子系统的故障是属于致命性的。发动机主轴是传递涡轮功率和各种载荷的主要零件，无论是哪一种转子支承形式，其受力都非常复杂的，这些载荷主要有：扭矩、轴向拉伸和弯曲载荷。主轴承的故障模式，主要是由各种载荷引
6、起的疲劳断裂和转子系统的振动，它不是承受高温的零件，热腐蚀和环境腐蚀等影响不大，出现的故障模式有：高循环疲劳破坏，低循环疲劳破坏，刚性不足，磨损疲劳，疲劳与蠕变交互作用，转子系统的振动破坏等。4 主燃烧室故障分析主燃烧室故障与燃烧、加热过程密切相关。它的故障不仅损坏其自身、危害及热端部件，甚至危机飞机安全。4.1 受高温热应力引起的故障由于它承受的热应力大，温度高，同事局部受热不均，会引起很大热应力，经过一段时间工作而产生变形、裂纹、掉块等。这类故障多发生在火焰筒头部、筒身、燃气导管及后安装边等部位。目前，排除这类故障的措施是加强冷却，减少热应力，或者改换耐热性能更好的材料，或者采用表面隔热涂
7、层保护。4.2 受机械振动引起的故障受机械振动引起的故障，多发生在联焰管上，如联焰管锁扣裂纹，火焰筒进气孔镶套松动等。另外一个很重要的故障是喷嘴头部螺帽松动。由于喷嘴是火焰筒的前支承，当螺帽装配时拎紧度不够，在承受很大的振动后松动。它的后果是主副油路的喷口串油，从而恶化了副油路单独工作的状态的供油及雾化燃烧过程；也有松动后直接向外漏油的故障。4.3 积碳和腐蚀引起的故障在局部高温及富油的条件下容易发生积碳。在主燃烧区里高温燃气容易引起严重腐蚀。积碳及腐蚀对喷嘴影响最大。它们破坏喷嘴了表面，特别是破坏了燃油出口的结构形状，使燃油雾化受阻，火焰拖长，而烧坏叶片、喷管等。4.4 燃烧过程组织不善引起
8、的故障燃油与空气不匹配或者分布不均匀，引起燃烧室出口温度场及全台发动机的燃气温度场不均匀，使发动机的整体性能受影响，试车合格率降低。5 齿轮及传动系统故障齿轮及传动系统是航空发动机的重要环节之一。它传动扭矩，驱动保证发动机正常工作的何种附件。从发动机的启动到正常工作，它都起着协调和维持的作用。启动及传动系统正常工作与否直接关系到发动机能否继续工作。齿轮及传动系统的故障将诱发或导致发动机的重要部件的重大故障，例如中央传动伞齿轮断裂会使发动机突然停车。据统计分析，齿轮及传动系统其研究难度，占整个发动机的6.9-13.5%，故障率还将高于此种比率。5.1 齿轮齿面的机械磨损故障有压陷和剥落等压陷后的
9、齿面一般不平行原齿面，而成一定的倾斜角。剥落区域沿齿面高方向在节线上下最为严重。剥落坑为点状，严重的剥落坑互相联通，形成大剥坑，由此形成接触面的不均匀，使得局部应力过大，发展到进展性疲劳点蚀剥落，由于剥落进展酥落的金属粒子，如加入磨料一样更加剧磨损。5.2 齿轮振动疲劳损伤故障齿轮有本身的固有频率，当齿轮工作中由于转速等原因的激励，与固有频率相吻合时即发生共振。共振是产生初始裂纹的主因，并且裂纹发展很快，破坏力很大。裂纹的分布与振形有密切关系，共振破坏齿轮形貌，使齿轮成块掉下来，这是齿轮共振破坏的模式。5.3 外物损伤导致疲劳损伤故障一个零构件可因设计不良、外部缺陷或损伤，造成应力集中，构成疲
10、劳源。在加工、装配及维修过程中，零构件表面造成局部的烧蚀和伤痕，又没有引起足够的重视予以清除，就可能成为一个故障源，将引起严重的后果。5.4 轴杆的故障模式轴或杆一般为传动构件，破坏模式为应力或振动疲劳断裂。断口一般为轴向45度左右，裂纹源于带有R的转接处或孔边的应力集中区。这也是工艺和加工很难处理的地方，工艺和加工超差，又没有科学的处理而留下来的应力集中，将是引起故障的根源。发动机下传动杆断裂故障是一个很明显的例子。总之，为了保障飞行安全，避免因发动机结构故障而导致事故的发生，必须了解和掌握发动机结构故障的模式，仔细分析故障原因，正确预防和处置，无论在机务维护上，还是在飞行使用中，都应严格遵照有关规程、规范和标准动作、程序执行。作者简介姚型彬（1981-），男，吉林省长春市（籍贯），现职称：助理工程师，学历：学士，研究方向：通信。 -全文完-
