航空發動機結構故障模式分析

姚型彬　權曉林　呂雪燕

摘要：航空發動機結構故障是引發飛行事故的重要原因之一，本文從葉片、輪盤、主軸與轉子系統、主燃燒室和加力燃燒室、齒輪及傳動系統、燃油及控制系統幾個部分對發動機結構故障進行了分析，對了解不同結構故障的發生率和故障模式具有一定的意義。

關鍵詞：航空發動機；結構故障；故障模式；疲勞；蠕變；磨損

發動機是飛機的心臟。飛機的高投入和高風險性，使航空發動機的可靠性成為最引人注目的問題。在發動機中，結構故障引發的飛行事故教訓慘重，弄清故障產生的原因，對于預防故障發生有一定的意義。

1 葉片故障分析

葉片是航空發動機中重要零件之一，由于功能的關系，其所處的工作環境十分嚴峻的。受有較高的離心負荷，氣動負荷，高溫和大氣差負荷以及振動的交變負荷等，使葉片容易發生故障。壓氣機葉片還受發動機進氣道外來物的沖擊，受風沙、潮濕的侵蝕；渦輪葉片受燃氣的腐蝕和高溫熱應力等。這都使葉片故障大大增多。航空發動機葉片故障占相當大的比例，據統計振動故障率占發動機中總故障率的60%以上，而葉片故障又占振動故障的70%以上。常見的故障現象有：外來物損傷，強度不足和高低周疲勞損傷。其中以疲勞損傷為多。

2 輪盤故障分析

航空發動機輪盤，如渦輪盤，壓氣機輪盤和風扇輪盤等，是發動機主要受力部件，除輪盤結構復雜，轉速很高，有腐蝕介質外，渦輪盤和高增壓比壓氣機后幾級輪盤的工作溫度比較高以外，切輪緣和輪心間的溫差也很大，故輪盤的工作條件十分惡劣。據統計常見的輪盤故障有如下幾種：

2.1 輪盤外徑伸長變形故障

輪盤外徑為其關鍵尺寸，如果徑向伸長變形超過允許值，必然使固定其上的工作葉片和靜止機匣間的徑向間隙減小，甚至相磨，使發動機無法可靠工作。造成這個故障的主要原因是，由于結構不合理使輪盤局部工作應力過大；或材料及處理制度選擇不恰當，使輪盤材料的屈服極限值減小。這些都可能使輪盤局部產生過大的塑性變形，引起輪盤外徑伸長。如果輪盤材料中有缺陷，則更增加了外徑的伸長變形量。

2.2 輪盤腹板屈曲變形故障

在一般情況下，所有輪盤均由有相當厚度的輪緣、薄的腹板和厚的中心輪轂等組成。在惡劣的工作條件下，可能導致輪緣中心面相對輪轂中心面產生永久性的軸向變形，此即所謂腹板屈曲。造成這個故障的主要原因是，由于輪盤型面不對稱，輪盤兩側的壓差和附加結構引起的力矩，或由于相當薄得腹板受到大的壓縮載荷作用。

2.3 輪盤超轉破裂故障

航空發動機在正常的加速過程中的瞬間超轉、燃油調節器失靈、加力燃燒室故障或軸承破壞脫開等其他異常條件下，均會引起輪盤超轉。這是如果輪盤材料中有缺陷或尺寸設計不合理，就會出現輪盤超轉破裂故障。為了防止這種故障，除需嚴格杜絕輪盤材料中的固有缺陷外，還需正確設計輪盤結構和選擇輪盤材料，使輪盤有足夠的超轉破裂儲備。

2.4 輪盤低循環疲勞裂紋故障

在航空發動機輪盤工作中，主要承受離心應力和熱應力作用，二者均隨發動機工作狀態變化而循環變化。另外，對于局部輪盤還有較大的殘余應力作用。由于輪盤形狀比較復雜，故在工作中經常出現一些局部應力集中的高應力部位，如輪盤榫槽槽底，榫齒齒根及偏心孔，中心孔等部位。

3 主軸與轉子系統的故障分析

航空渦輪噴氣發動機的主要軸承是連接壓氣機與渦輪部件并傳遞渦輪功率給壓氣機的重要零部件。轉子系統的重要零部件就是盤、軸和葉片，他們一旦出現故障，就會使發動機失去工作能力。因此，主軸與轉子系統的故障是屬于致命性的。

發動機主軸是傳遞渦輪功率和各種載荷的主要零件，無論是哪一種轉子支承形式，其受力都非常復雜的，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子系統的振動，它不是承受高溫的零件，熱腐蝕和環境腐蝕等影響不大，出現的故障模式有：高循環疲勞破壞，低循環疲勞破壞，剛性不足，磨損疲勞，疲勞與蠕變交互作用，轉子系統的振動破壞等。

4 主燃燒室故障分析

主燃燒室故障與燃燒、加熱過程密切相關。它的故障不僅損壞其自身、危害及熱端部件，甚至危機飛機安全。

4.1 受高溫熱應力引起的故障

由于它承受的熱應力大，溫度高，同事局部受熱不均，會引起很大熱應力，經過一段時間工作而產生變形、裂紋、掉塊等。這類故障多發生在火焰筒頭部、筒身、燃氣導管及后安裝邊等部位。目前，排除這類故障的措施是加強冷卻，減少熱應力，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。

4.2 受機械振動引起的故障

受機械振動引起的故障，多發生在聯焰管上，如聯焰管鎖扣裂紋，火焰筒進氣孔鑲套松動等。另外一個很重要的故障是噴嘴頭部螺帽松動。由于噴嘴是火焰筒的前支承，當螺帽裝配時拎緊度不夠，在承受很大的振動后松動。它的后果是主副油路的噴口串油，從而惡化了副油路單獨工作的狀態的供油及霧化燃燒過程；也有松動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生積碳。在主燃燒區里高溫燃氣容易引起嚴重腐蝕。積碳及腐蝕對噴嘴影響最大。它們破壞噴嘴了表面，特別是破壞了燃油出口的結構形狀，使燃油霧化受阻，火焰拖長，而燒壞葉片、噴管等。

4.4 燃燒過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及全臺發動機的燃氣溫度場不均勻，使發動機的整體性能受影響，試車合格率降低。

5 齒輪及傳動系統故障

齒輪及傳動系統是航空發動機的重要環節之一。它傳動扭矩，驅動保證發動機正常工作的何種附件。從發動機的啟動到正常工作，它都起著協調和維持的作用。啟動及傳動系統正常工作與否直接關系到發動機能否繼續工作。齒輪及傳動系統的故障將誘發或導致發動機的重要部件的重大故障，例如中央傳動傘齒輪斷裂會使發動機突然停車。據統計分析，齒輪及傳動系統其研究難度，占整個發動機的6.9-13.5%，故障率還將高于此種比率。

5.1 齒輪齒面的機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。剝落區域沿齒面高方向在節線上下最為嚴重。剝落坑為點狀，嚴重的剝落坑互相聯通，形成大剝坑，由此形成接觸面的不均勻，使得局部應力過大，發展到進展性疲勞點蝕剝落，由于剝落進展酥落的金屬粒子，如加入磨料一樣更加劇磨損。

5.2 齒輪振動疲勞損傷故障

齒輪有本身的固有頻率，當齒輪工作中由于轉速等原因的激勵，與固有頻率相吻合時即發生共振。共振是產生初始裂紋的主因，并且裂紋發展很快，破壞力很大。裂紋的分布與振形有密切關系，共振破壞齒輪形貌，使齒輪成塊掉下來，這是齒輪共振破壞的模式。

5.3 外物損傷導致疲勞損傷故障

一個零構件可因設計不良、外部缺陷或損傷，造成應力集中，構成疲勞源。在加工、裝配及維修過程中，零構件表面造成局部的燒蝕和傷痕，又沒有引起足夠的重視予以清除，就可能成為一個故障源，將引起嚴重的后果。

5.4 軸桿的故障模式

軸或桿一般為傳動構件，破壞模式為應力或振動疲勞斷裂。斷口一般為軸向45度左右，裂紋源于帶有R的轉接處或孔邊的應力集中區。這也是工藝和加工很難處理的地方，工藝和加工超差，又沒有科學的處理而留下來的應力集中，將是引起故障的根源。發動機下傳動桿斷裂故障是一個很明顯的例子。

總之，為了保障飛行安全，避免因發動機結構故障而導致事故的發生，必須了解和掌握發動機結構故障的模式，仔細分析故障原因，正確預防和處置，無論在機務維護上，還是在飛行使用中，都應嚴格遵照有關規程、規范和標準動作、程序執行。

作者簡介

姚型彬（1981-），男，吉林省長春市（籍貫），現職稱：助理工程師，學歷：學士，研究方向：通信。