最新2016航空发动机典型故障分析

目 录

第 1章 绪 论

1.1 发动机概述〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃2

1.2 可靠性与故障〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃2

1.2.1 可靠性〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃2

1.2.2 故障〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃2

1.2.3 故障分析与排故方法〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃3

第 2 章 压气机喘振故障分析

2.1 概述〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃5

2.2 喘振时的现象〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃5

2.3 喘振的根本原因〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃5

2.4 压气机的防喘措施〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃6

第 3 章 压气机转子叶片故障分析

3.1 概述〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃9

3.2 压气机转子叶片受环境影响的损伤特征和有关安全准则与标

准〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃9

3.3 压气机转子叶片故障模式及其分析〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃10

3.3.1 WP7系列压气机转子叶片现行检查标准﹙含判废标

准﹚〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃10

3.4 WP7系列报废叶片主要失效模式统计分析〃〃〃〃〃12

第 4 章 发动机篦齿盘均压孔裂纹故障分析及预防

4.1 概述〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃14

4.2 篦齿盘结构与工作状态分析〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃14

4.2.1 结构分析〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃14

4.2.2 工作状态分析〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃14

4.2.2.1 工作温度高〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃14

4.2.2.2 工作转速高〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃14

4.2.2.3 易产生振动〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃14

4.3 裂纹特征与产生原因分析〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃15

4.3.1 裂纹特征〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃15

4.3.2 裂纹原因分析〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃15

4.4 结论〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃16

结束语〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃17

致谢〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃18

文献〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃19

第 1 章 绪 论

1.1发动机概述

二十世纪以来，特别是第二次世界大战以后，航空和空间技术有了飞跃的发展。现在，飞机已经成为一种重要的﹑不可缺少的作战武器和运输工具。飞机的飞行速度﹑高度﹑航程﹑载重量和机动作战的能力，都已达到了相当高的水平。这些成就的取得，在很大程度上取决于动力装臵的发展。然而，航空发动机属于高速旋转式机械，处于高转速﹑高负荷（高应力）和高温环境下工作的；发动机是飞机的心脏，是体现飞机性能的主要部件。又由于发动机由许多零组件构成，即本身工作情况和外界环境都十分复杂，使发动机容易出现故障，因此航空发动机属于多发性故障的机械。经过多年的努力，在航空领域工作的研究人员已经了解和解决了发动机许多故障，然而，一些故障还是无法完全解决的，只能尽量减少故障对飞机的危害。本论文列举出发动机几种典型故障，并且尽可能的根据科学研究数据来研究分析这几种故障，给出科学的预防故障和排故方法。

1.2可靠性与故障

1.2.1可靠性

产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力为产品的可靠性。所谓产品，是指任何元器件、零部件、组件、设备、分系统或系统。规定条件主要指环境条件和使用条件，如产品在工作中所承受的应力水平、温度、振动和腐蚀环境等。规定时间是指广义时间，除产品的工作小时外，还可指其循环次数等。

1.2.2故障

产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态。对某些产品如电子元器件、弹药等称失效。

产品的故障：

a. 在规定的条件下，不能完成其规定的功能；

c. 在规定的应力范围内工作时，发生产品的机械零部件、结构件或元器件的破裂、断裂、卡死等损坏状态，从而导致产品不能满足其规定功能。 故障率：

指工作到时刻t 尚未发生故障产品，在该时刻后的单位时间内发生故障的概率。为产品可靠性的一种基本参数。

故障率可分为：均故障率和瞬时故障率两种，其定义分别为：

⑴平均故障率是在规定的条件下和规定的时间内，产品的故障总数与寿命单b. 在规定的条件下，一个或几个性能参数不能保持在规定的范围内；

r

位总数之比，用λ表示。λ＝∑t i =1r i ﹙1∕寿命单位﹡﹚

式中：r — 故障总数

t i — 第i 个产品发生故障前的寿命单位

⑵时故障率是在规定的条件下，工作到某时刻尚未发生故障的产品，在该时

d r (t )

刻后单位时间内发生故障的概率。用

式中：

λ(t )＝N s (t )d t N s (t )d r (t )—到t 时刻尚未发生故障的产品数 —t 时刻后d t 时间内故障的产品数

故障类别：

从总体结构上将故障分为：性能故障、结构强度故障和附件系统故障。 ① 性能故障：多表现在发动机推力下降、转速摆动、耗油率过高、排气温度高、空中熄火和放炮等现象。其故障比例约占航空发动机总故障的10℅—20℅。性能故障多表现在发动机研制的早期，易于在厂内试车或出厂前发现和排除。有时发动机老化也出现性能故障，属于寿命后期的耗损故障。

② 结构强度故障：结构强度故障反映的方面极广，类型众多，且往往后果严重。大体上有强度不足而破坏与损伤，高周疲劳，低周疲劳，热疲劳损伤，蠕变与疲劳交互作用损伤现象等。

这些故障构成发动机主要故障事件，约占发动机总故障的60﹪～80﹪，故障比例相当高，对发动机的安全构成主要威胁。

③ 附件系统故障：由于组成附件系统的零、组件形式比较多，其中有电子元器件、机械元器件、外购成品与器件等。故其故障现象，将依其各自特点进行分析。

1.2.3 故障分析与排故方法。

发动机故障分析与排故方法都有其一定规律和内在联系，通常可采用以下的步骤和方法，如图1-1所示。

图1-1 故障分析和排故方法

① 故障史调研。零组件发生故障，首先要对该零组件原始设计情况进行查阅、调查研究。查看是否存在有不合理的设计现象，是否存在潜在缺陷。查看其使用状态和使用环境等，同时了解该零件的故障历史、发生频率等内容。

② 故障现场调研。对故障现场进行周密调研、记录并研究其故障现象、使用条件与使用环境。除对故障件进行详细现场现象记录外，应保护好故障件及其相关件。还应对操作人员﹙驾驶员﹚进行调查，记载故障发生前后的情况，了解人为因素的影响性质。

③ 材质与金相分析。对故障的材质进行查对，检查该零件生产批次、力学特性、加工质量和零件的储存情况等。故障件的金相分析是十分重要的，通过金相分析可以决定该故障属何种模式和性质，如强度不足断裂，或高、低循环疲劳断裂等。

④ 故障再现试验分析。零件故障除对偶然性故障不作故障再现分析外，为进行故障机理研究，对重复出现的故障必须进行故障再现试验。

⑤ 故障机理理论分析。故障机理的理论分析是故障分析与排良好的效果。 ⑥ 故障机理的试验研究。故障机理的试验研究与故障机理的理论研究是故障分析中两项并行的重要工作。

故障机理的试验研究是以一定的试验方法，研究故障发生的原因、条件和现象。与理论研究并行以确定故障性质。故障机理试验研究可对故障件单独进行等效试验，或在专门的试验装臵上进行模拟、等效试验，也可在发动机整机地面试车状态进行等效模拟与真实环境下的试验。这是一项比较复杂，但很有实效的试验工作。

⑦ 排故措施与隔离措施。故障排除措施与隔离措施是故障分析的后期工作，当故障原因得以解释或找到后，依其机理和现象，采取相应排故措施。

排故措施依故障机理不同而异。例如对强度不足引起的故障，只需改变零件结构设计、可满足排故要求。如零件属共振疲劳，则可改变零件的固有频率，即从调频措施的内因或改变激振频率的外因两方面着手，目的是要避开共振状态。

⑧ 改善后的实施考核。经故障分析提出排故措施后，还需装机进行实地考核，或进行发动机的飞行考核。经过排故的零件，一般情况下故障不会再出现，其可靠性提高。但有些不恰当的排故措施反而会使其可靠性降低，这样就得重新研究进行改进。所以说排故过程是产品可靠性增长的试验过程。

⑨ 效果分析与使用信息反馈。经排故后的零件投入使用考核，要及时分析其使用效果，好则使用，否则还需要进一步改进。故障分析与排故中的所有反馈资料都十分宝贵，为该项产品或同类产品积累了经验和教训，可供新产品设计、老产品改进参考。

航空发动机零组件的故障分析与排故是一项系统工程，有着严密的科学性、现实性、实用性和经济性，是可靠性、安全性分析中的重要环节之一。

第二章 压气机喘振故障分析

2.1概述

喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频率、高振幅的振荡现象。这种低频率高振幅的气流振荡是一种很大的激振力来源, 它会导致发动机机件的强烈机械振动和热端超温, 并在很短的时间内造成机件的严重损坏, 所以在任何状态下都不允许压气机进入喘振区工作。

2.2喘振时的现象

发动机的声音由尖哨转变为低沉; 发动机的振动加大; 压气机出口总压和流量大幅度的波动; 转速不稳定, 推力突然下降并且有大幅度的波动; 发动机的排气温度升高, 造成超温; 严重时会发生放炮, 气流中断而发生熄火停车。因此, 一旦发生上述现象, 必须立即采取措施, 使压气机退出喘振状态。反推力装臵使用不当, 会造成超温; 当飞机滑跑速度很低时, 反推力装臵仍在工作, 则会造成排出的燃气又重新被吸入发动机, 从而会造成喘振。喘震是表象，大多数的情况可以说成因是气流分离，更确切的说是附面层分离（boundary layer separation ).诱发附面层分离的原因，在进气道喘振中，最重要的原因是攻角太大，导致气流在进气道的唇部发生分离，为避免这种分离现象发生，大家可以看到大型民用涡扇发动机的进气道表面内衬上有凹坑，就是为了把LAMINA 附面层转化为Turbulence 附面层，让附面层能够更常时间的粘在内壁上。在压气机喘振中，主要是激波诱发的附面层分离，这个比较复杂，但是可以通过对扇页形状的设计和使用增加附面层能量的各种方法去避免。发动机防喘系统故障，试车时尾风过大，油门运动过快，压气机叶片损伤。一句话就是各气流因为压力的关系在进气口或都压气机部分来回的不规择的涌动, 并带动了激动切线在唇口和压气机前缘浮动．还有就是不正常的油气比，启动功率低，场温过高；滑行时，如果低速度滑行，打开反推装臵也会造成压气机喘振。

2.3喘振的根本原因

由于气流攻角过大, 使气流在大多数叶片的叶背处发生分离.
喘振的物机理过程是: 空气流量下降, 气流攻角增加, 当流量减少到一定程度时, 流入动叶的气流攻角大于设计值, 于是在动叶叶背出现气流分离, 流量下降越多, 分离区扩展越大, 当分离区扩展到整个压气机叶栅通道时, 压气机叶栅完全失去扩压能力, 这时, 动叶再也没有能力将气流压向后方, 克服后面较强的反压, 于是, 流量急剧下降, 不仅如此, 由于动叶叶栅失去扩压能力, 后面高压气体还可能通过分离的叶栅通道倒流至压气机的前方, 或由于叶栅通道堵塞, 气流瞬时中断, 倒流的结果, 使压气机后面的反压降得很低, 整个压气机流路在这一瞬间就变得“很通畅”, 而且由于压气机仍保持原来的转速, 于是瞬时大量气流被重新吸入压气机, 压气机恢复“正常”流动和工作, 流入动叶的气流由负攻角很快增加到设计值, 压气机后面也建立起了高压气流, 这是喘振过程中气流重新吸入状态。然而, 由于发生喘振的流路条件并没有改变, 因此, 随着压气机后面反压的不断升高, 压气机流量又开始减小, 直到分离区扩展至整个叶栅通道, 叶栅再次失去扩压能力, 压气机后面的高压气体再次向前倒流或瞬时中断,