航空發(fā)動機(jī)故障分析

李讓

中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司 湖南株洲 412002

1 航空發(fā)動機(jī)常見的故障類型

一般來說，航空發(fā)動機(jī)的故障發(fā)生類型比較復(fù)雜多變，其中常見的發(fā)動機(jī)故障類型有性能故障、結(jié)構(gòu)抗壓能力破損故障、附件故障以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)故障等。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國航空發(fā)動機(jī)故障發(fā)生情況如下：發(fā)動機(jī)性能故障占比15%-25%，結(jié)構(gòu)抗壓能力破損故障占比65%-80%，附件故障及系統(tǒng)數(shù)據(jù)故障均占比5%-10%。

發(fā)動機(jī)性能故障主要表現(xiàn)在發(fā)動機(jī)內(nèi)部的葉片斷裂故障、渦旋輪破裂、包容失效等，原因在于發(fā)動機(jī)材料經(jīng)長期使用已經(jīng)承受不住外界對部分零部件的施壓和荷載了，由此引發(fā)的一系列發(fā)動機(jī)性能故障；結(jié)構(gòu)抗壓能力故障主要表現(xiàn)在年久失修導(dǎo)致抗壓系統(tǒng)老化、風(fēng)雨腐蝕引發(fā)的抗壓系統(tǒng)的隱形故障；附件及系統(tǒng)數(shù)據(jù)故障主要表現(xiàn)在工作系統(tǒng)癱瘓、附件傳送機(jī)構(gòu)失靈等方面。以上大部分故障來源于材料的不穩(wěn)定性，要想快速找到問題所在，迅速解決問題，首先要從發(fā)動機(jī)的新型概念、新型技術(shù)、新型材料入手。要將航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)在地面內(nèi)燃機(jī)和彈用內(nèi)燃機(jī)方面的應(yīng)用概況了如指掌，才有助于進(jìn)一步探索航空發(fā)動機(jī)的常見故障類型[1]。

2 航空發(fā)動機(jī)故障處理措施

2.1 發(fā)動機(jī)點(diǎn)火強(qiáng)度不均衡故障

航空發(fā)動機(jī)點(diǎn)火裝置的工作原理是當(dāng)旋轉(zhuǎn)起動開關(guān)使起動電路接通，起動振蕩器利用機(jī)載電瓶帶動發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動帶動磁電機(jī)在電磁感應(yīng)原理的作用下產(chǎn)生20kV 的高壓，經(jīng)分流電盤通過高壓導(dǎo)線分配到各個點(diǎn)火嘴，每個點(diǎn)火嘴的點(diǎn)火間距極短僅為5.4-5.6mm，在這個距離高電壓會輕易地?fù)舸┢變?nèi)空氣來點(diǎn)燃油氣混合氣啟動發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)啟動過后會按照分配的時序持續(xù)地輪換點(diǎn)火，推動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。在磁電機(jī)檢修中，磁電機(jī)點(diǎn)火強(qiáng)度不均這一類故障占到了所有磁電機(jī)故障的一半以上。在實際的維修中往往是將磁電機(jī)安裝在離線測試臺上，隨后調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速讓維修人員肉眼觀察磁電機(jī)點(diǎn)火嘴跳火是否連續(xù)。這種方法對于磁電機(jī)的非均衡性故障有一定的效果但對于磁電機(jī)的均衡性故障存在很大的局限，容易對均衡性故障做出無故障判斷。針對這一問題，筆者在研究了磁電機(jī)的點(diǎn)火特性后發(fā)現(xiàn)航空活塞發(fā)動機(jī)采用高電壓微間距放電，其產(chǎn)生的能量主要集中在紅外、紫外和可見光3 個能量區(qū)中，其中，紫外能量區(qū)最強(qiáng)。而紫外輻射主要由氮原子中電子躍遷產(chǎn)生，空氣中氮?dú)夂辛繛?8%，當(dāng)電嘴兩極間的電場強(qiáng)度增強(qiáng)時氮原子被激發(fā)的概率增大，實際表現(xiàn)為電嘴兩電極電壓越大時，產(chǎn)生的紫外強(qiáng)度也就越強(qiáng)，針對這一特性引入紫外探測技術(shù)直接對磁電機(jī)點(diǎn)火嘴的紫外強(qiáng)度進(jìn)行定量的測試。）在航空活塞發(fā)動機(jī)點(diǎn)火強(qiáng)度測試中發(fā)現(xiàn)，工作正常的磁電機(jī)當(dāng)轉(zhuǎn)速為150r/min 時，相對點(diǎn)火強(qiáng)度在13-17 個脈沖/s 之間；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1100r/min 時，相對點(diǎn)火強(qiáng)度在127-138 個脈沖/s 之間；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2050r/min 時，相對點(diǎn)火強(qiáng)度值在195-215 個脈沖/s 之間；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2980r/min 時，相對點(diǎn)火強(qiáng)度在293-312 個脈沖/s 之間。磁電機(jī)點(diǎn)火的均衡性對于磁電機(jī)的正常工作有重要的影響，通過建立磁電機(jī)均衡性模糊系統(tǒng)將點(diǎn)火強(qiáng)度偏差和基準(zhǔn)點(diǎn)火強(qiáng)度作為輸入，均衡性故障分類作為輸出，以及對磁電機(jī)均衡性故障的觀察總結(jié)并建立規(guī)則，能夠準(zhǔn)確地對故障進(jìn)行定位。

2.2 放氣帶提前關(guān)閉故障

放氣帶位于壓氣機(jī)第3、4 級之間的中機(jī)匣前、后艙接合處的圓周上，由放氣窗口、放氣帶、傳感器和作動筒等操縱系統(tǒng)組成。放氣帶作動筒由外殼、活塞、彈簧、固定銷等部件組成，通過2 個支臂固定在中機(jī)匣上。放氣帶通過耳環(huán)及固定銷固定在作動筒上，作動筒內(nèi)部彈簧的張力把活塞推向作動筒兩端，使放氣帶打開，空氣從環(huán)形間隙放出。當(dāng)壓縮空氣輸入放氣機(jī)構(gòu)作動筒后，活塞克服彈簧力向中間靠攏，于是放氣帶關(guān)閉，停止向大氣放氣。基于對比試驗及離心傳感器試驗情況分析，故障發(fā)動機(jī)放氣帶提前關(guān)閉的主要原因為右部傳動系統(tǒng)傳輸轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)，而右部傳動系統(tǒng)傳輸轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)主要與右部傳動系統(tǒng)錐齒輪的周節(jié)累計誤差未制定控制措施有關(guān)。故新增右部傳動系統(tǒng)6 個錐齒輪周節(jié)累計誤差控制要求：中央傳動主動錐齒輪周節(jié)累計誤差≤0.13mm，其他5 個錐齒輪（2號-6 號錐齒輪）周節(jié)累積誤差≤0.08mm。對因放氣帶故障返廠的發(fā)動機(jī)，采取更換控制周節(jié)累計誤差6 個錐齒輪方案進(jìn)行排故；對裝配貫徹優(yōu)化齒輪的發(fā)動機(jī)的外場使用情況進(jìn)行跟蹤。后續(xù)地面試車，未再發(fā)生此類故障，有效解決了發(fā)動機(jī)放氣帶提前關(guān)閉引發(fā)的喘振故障[2]。

2.3 盤腔積油振動故障

只有非線性關(guān)系的轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)才會失穩(wěn)發(fā)生自激振動，其根本原理是轉(zhuǎn)子進(jìn)動時受到一個與徑向振動位移相垂直的切向力（一般稱之為不穩(wěn)定力）。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到某個臨界點(diǎn)時轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，該臨界點(diǎn)轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的一階或多階臨界轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子失穩(wěn)后的進(jìn)動頻率為轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的某階臨界轉(zhuǎn)速，失穩(wěn)后轉(zhuǎn)子的軸心軌跡以指數(shù)螺旋線增長，但由于系統(tǒng)中的非線性影響隨振幅增加而增加，耗散振動能量，導(dǎo)致進(jìn)動振幅最后達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)極限環(huán).根據(jù)發(fā)動機(jī)故障特點(diǎn)，在發(fā)動機(jī)再次裝配上臺后引入臺架氣源，增強(qiáng)滑油腔的氣密壓力。后續(xù)試驗中，發(fā)動機(jī)各測點(diǎn)振動表現(xiàn)正常，故障特征頻率消失，問題得到解決。積油轉(zhuǎn)子在進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)之前在頻譜上并無明顯的故障頻率特征，當(dāng)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)自激振動后出現(xiàn)特征頻率，且振幅成指數(shù)倍增長，迅速成為頻譜中的主頻；特征頻率為低于當(dāng)前轉(zhuǎn)頻的某階轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，本文故障為第4 階。當(dāng)積油轉(zhuǎn)子進(jìn)入自激振動后，轉(zhuǎn)速逐步降低至低于不穩(wěn)定區(qū)下邊界時，特征頻率的振幅降低緩慢，存在明顯的滯后性[3]。