发动机典型故障的统计分析.docx
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发动机典型故障的统计分析
分类号
编号
UDC
密级
中国民航飞行学院
毕业设计（论文）
题目
发动机典型故障的统计分析
Statisticalanalysisoftypicalfaultsofenginengin℃Faultanalysisandmaint℃nanc℃ofAircraft
作者姓名
专业名称
航空工程学院
指导教师姓名及职称
提交日期
2013年6月08日
答辩日期
2013年7月15日
答辩委员会主任
评阅人
20
13
年
6
月
08
日
发动机典型故障的统计分析
学生：
指导教师：
摘要
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）和高温的环境下工作；发动机又由许多零组件构成，即其本身工作状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。
由于航空发动机本身所具有的特点，其故障模式与排除故障的方法也都具有了一定的特殊性。
本论文第一章介绍了航空发动机故障与可靠性，及故障分析与排故的一般方法，后面四章分别列举分析了四个故障（发动机喘振故障分析﹑压气机转子叶片故障分析﹑管路系统振动机制及故障分析、某发动机Ⅰ级涡轮盘篦齿裂纹故障分析），这些都是发动机的最典型的故障，也是比较容易发生故障的部分。
关键词：
航空发动机，可靠性，故障，喘振，叶片，管路系统，涡轮盘篦齿，裂纹
Statisticalanalysisoftypicalfaultsofengine
Abstract：
Aviationenginebelongstothehigh-speedrotarymachinery，inthehighspeed，highload（highstress）andhightemperatureenvironment；Theengineiscomposedofmanycomponents，theworkingconditionandtheexternalenvironmentareverycomplex，theengineispronetofailure，Mechanicalthereforeenginebelongstomultiplefaults.Duetothecharacteristicsofaviationengineitselfhas，Sofailuremodeandtroubleshootingmethodhascertainparticularity.Thefirstchapterofthethesisintroducestheaeroenginefaultandreliability，andthegeneralmethodoffaultanalysisandtroubleshooting，thelastfourchaptersanalyzefourfault（Analysisofenginefaultdiagnosis，Analysisofcompressorrotorbladefailure，Analysisofvibrationmechanismandfaultsystempipeline，Analysisofanengineofturbinedisklabyrinthcrackfault），thesearethemosttypicalbreakdownofengine，Ismorepronetofailureofthepart.
KeyWords：
Engin，Reliability，Fault，Surge，Blade，Pipelinesystem，Turbinedisclabyrinth，Crack
目录
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
第1章绪论1
1.1发动机概述1
1.2可靠性和故障2
1.2.1可靠性2
1.2.2故障3
1.3故障分析与排故方法4
第2章压气机喘振故障分析7
2.1喘振概述7
2.2喘振时的现象7
2.3喘振的根本原因分析8
2.4防喘措施及其优缺点分析10
2.4.1压气机中间级放气10
2.4.2可调进口导流叶片和静叶片11
2.4.3双转子轴流压气机13
2.4.4气缸（机匣）处理技术14
第3章压气机转子叶片故障分析17
3.1概述17
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18
3.3压气机转子叶片断裂失效分析19
3.3.1压气机叶片断裂故障分析19
3.3.2预防和排除叶片断裂故障的措施24
第4章液压管路系统振动故障分析29
4.1发动机管路振动的危害29
4.2管路系统振动机制及故障诊断29
4.2.1管路振动的分类29
4.2.2转子不平衡力和流体的脉动压力引起的振动30
4.2.3卡门旋涡引起的振动31
4.2.4液压管路系统的耦合振动31
4.3故障诊断及其研究方向32
4.4结论33
第5章涡轮盘篦齿裂纹故障分析35
5.1概述35
5.2某发动机Ⅰ级涡轮盘篦齿裂纹故障分析35
5.2.1篦齿应力分析35
5.2.2篦齿残余应力测量36
5.2.3带篦齿裂纹Ⅰ级涡轮盘的低循环疲劳试验37
5.2.4篦齿裂纹萌生与扩展分析38
5.2.5带篦齿裂纹Ⅰ级涡轮盘超转储备系数估算38
5.2.6篦齿裂纹断口分析39
5.2.7该发动机的相关故障40
5.3预防与对策41
结论43
致谢44
参考文献45
第1章绪论
现代航空发动机要求我们必须满足“三性”，即适应性，可靠性和维修性。
航空发动机作为飞机的心脏，其安全性和可靠性最为重要。
没有一个强健的心脏，就无法为飞机这个庞大的身躯提供新鲜的血液，就无法支撑它遨游于天空。
现代航空发动机在“三性”指标下，采取了很多的措施，其中最重要的环节就是减少故障率。
发动机的故障与可靠性是矛盾的两个方面，要想提高可靠性，就必须减少故障和故障率。
因此研究故障问题，有利于确保航空发动机的可靠的工作，有利于指导航空维修工作，有利于总结改进航空发动机的性能，对我们意义重大。
1.1发动机概述
二十世纪以来，特别是第二次世界大战之后，航空和空间技术出现了飞跃式的发展，技术更新更是日新月异。
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，也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置——航空发动机的发展。
航空发动机可分为活塞式发动机和空气发动机，由于活塞发动机的性能已远远达不到人类国防的要求，在军用领域已几乎全部被淘汰，因此失去了进一步发展的机会。
而在空气发动机中，燃气涡轮发动机是目前应用最广泛的发动机，它主要由压气机、燃烧室和涡轮组成。
空气在压气机中被压缩后，进入燃烧室，与喷入的燃油混合燃烧，生成高温高压燃气。
燃气在膨胀过程中驱动涡轮做高速旋转，将部分能量转变为涡轮机械能。
涡轮带动压气机不断吸入空气并进行压缩，使发动机能连续工作。
这就是燃气涡轮发动机工作的基本原理。
压气机、燃烧室和涡轮这三大部件组成了燃气涡轮发动机的核心机，按核心机出口燃气可用能量的利用方式不同，燃气涡轮发动机分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺桨发动机、涡轮桨扇发动机、涡轮轴发动机和垂直起落发动机等。
飞机发动机是体现飞机性能的主要部件。
然而，发动机属于高温、高速﹑高负荷（高应力）旋转式机械；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。
发动机出现故障，特别是严重的故障时，会造成巨大的经济损失与恶劣的社会影响，是一件坏事；但是如果能认真对待，进行细致分析，找出故障原因，坏事就能变成好事。
这是因为找出故障的根源，是对发动机中的某些本质问题的进一步的了解，是一种知识财宝，不仅能举一反三地将它用于在役发动机的改进中，以提高其可靠性与性能，而且将丰富人们对发动机的认识，充实研制发动机的能力，从而能设计、制造出更好的发动机。
1.2可靠性和故障
航空发动机集热力、气动、燃烧、传热、结构强度、控制与测试等多学科于一身，温度、压力、应力、间隙和腐蚀等工作条件非常苛刻，且对质量、可靠性、寿命等要求又极高。
工作时在高温高压的环境中以高转速运转，所受的载荷复杂多变，且由于现代大推重比航空发动机的设计性能要求，使得其结构日趋单薄。
因此航空发动机出现的故障模式多，故障出现的几率高，故障的危害大，使用寿命短。
因此，航空发动机的可靠性是至关重要，同时也是航空发动机性能能否得到发挥的重要衡量指标。
航空发动机的可靠性和故障是发动机用户、维修单位、生产厂、设计研制单位和国家主管部门都十分关心的问题。
研究装备的可靠性是为了提高装备的完好性和任务的完成性，保障装备和人员的安全，减少寿命内的费用。
1.2.1可靠性
可靠性是指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[1]。
对航空发动机而言，其可靠性是指：
“在规定的飞行包线、环境和使用条件下，在规定的寿命期内，无故障工作的能力”。
可靠性是飞机的一种复杂特性，而不是一个孤立特性，它还与发动机的安全性，维修性，寿命，经济性和可用性紧密联系并相互影响，它是无故障特性、维修性、耐久性和贮存性的综合。
无故障性是飞机在完成飞行任务期间能连续保持工作状态的一种特性。
维修性是飞机对预报和发现故障与损坏产生的原因，并通过维护和修理保持和恢复工作状态的适应性的一种特性。
维修性包含在飞机的一个更一般的特性即维修工艺性之中。
维修工艺性是飞机对一切形式的维护和修理工作包括加油、充填、装卸等的适应性。
耐久性是飞机按规定的维护和修理体制在达到极限状态之前能保持工作状态的一种特性。
耐久性表征飞机在达到极限飞行时间和期限之前使用的经济合理性。
贮存性是飞机在贮存和运输期间以及之后能保持无故障性耐久性和维修性指标的一种特性。
1.2.2故障
一台航空发动机发展是伴随着故障的频繁发生、排除、再发生与再排除的过程，即使是比较成熟的航空发动机，在使用很长时间与积累了丰富经验后，也还会出现故障甚至是严重的故障。
航空发动机的故障率很难有一个标准的统计数量，故障类型十分复杂，总体上可分为性能故障、结构强度故障及附件系统故障[2]。
从我国航空发动机的故障统计中发现，发动机性能故障约占总故障的10%~20%；发动机结构强度故障约占总故障的60%~70%[3]。
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。
故障率：
指工作到某一时刻尚未发生故障产品或设备，在该时刻后的单位时间内发生故障的概率。
为产品或设备可靠性的一种基本参数。
故障率可分为：
平均故障率和瞬时故障率两种，其定义分别为：
1．平均故障率是在规定的条件下和规定的时间内，产品或设备的故障总数与寿命单位总数之比。
2．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或设备，在该时刻后单位时间内发生故障的概率。
从故障分析的浴盆曲线（如图1-1）看出，可分为早期型，偶发型和损耗型故障。
从发动机在全寿命期间故障发作的表现形式看，以偶发型故障最为严重。
我国航空发动机的大多数严重故障多为使用寿命期间偶发型故障，偶发型故障事件所带来的损失往往是难以估量的。
发动机中的早期型故障为磨合型故障，属于设计、使用不合理的早期暴露，故障的存在和发作是合乎情理的，比较容易解决，只要故障判断准确，对症下药，就可以从根本上解除。
损耗型故障又称老化故障，发生在使用后期或者发动机延寿阶段出现。
图1-1故障浴盆曲线图
故障的发生与排除是要经过一个阶段时间的认识过程的，不能仅局限于在材质、工艺和操作几方面寻求原因，也不能认为出现一次就是偶然性故障，存以侥幸心理。
大量的事实和血的教训告诉我们，对待故障，一开始就要引起足够的重视，要从故障产生的根源上找原因，要严肃对待每一环节，从内因分析故障和排除故障。
随发动机生产批量的增加和使用无限期的增长，发动机的故障现象朝如下方面变化：
1．消耗型故障现象增多。
2．故障由冷端部件向热端部件转化，即热端部件故障现象与故障率增多。
如近年来发生的涡轮叶片断裂，涡轮盘端面封严齿裂纹和导向器叶片变形等。
3．出现热疲劳，蠕变（叶片伸长）和疲劳，蠕变交互作用的疲劳现象。
4．出现转子系统故障。
如发生压气机转子变形，串动，不平衡加大与轴承严重磨损等故障。
1.3故障分析与排故方法
对故障研究分析和排故工作是一项综合的技术工程，不仅是研究故障现象和确定故障性质，更主要的是研究故障产生的原因，产生的环境以及排除方法。
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1-2所示。
图1-2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，或在专门的试验装置上进行模拟、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2章压气机喘振故障分析
随着民用航空业不断发展，航空器安全可靠性越来越受到重视，保障航空器的安全运行关乎生命财产。
而在众多影响航空器安全的因素中，发动机喘振是造成航空器不安全重要因素之一。
喘振是燃气涡轮发动机压气机一种不正常的工作现象，也是燃气涡轮发动机的特有故障。
发动机喘振时，性能变差，而且严重的喘振是发动机的致命故障，可能导致发动机空中停车甚至发动机致命损坏。
如果处置不当，使发动机在喘振工作条件下时间稍长，压气机、涡轮等部件就会因高温和振动而严重损坏。
研究分析发动机喘振的原因和条件，制定预防措施，尽可能减少发动机喘振的发生以及喘振一旦发生所带来的不良影响，确保航空发动机的安全可靠性。
2.1喘振概述
一般来说，喘振是发动机的一种不正常工作状态，其主要发生的区域是在压气机。
发动机喘振是一种沿压气机轴线方向发生的低频率、高振幅的振荡现象，是由压气机内的空气流量和压气机转速偏离设计状态过多而引发的。
由于压气机是根据设计点的气动参数进行设计的，当工作在非设计状态时，各级的速度三角形和设计点不同，即非设计点的参数与压气机的几何形状不协调，这时各级的流量系数大大偏离了设计值，造成气流攻角过大或过小，从而产生了喘振[4]。
相关研究表明喘振可以分为两种:
一种为由突变失速引起的压气机喘振；另一种为由渐变叶片排失速引起的压气机喘振[5]。
其中后者主要发生在单级或级数较少的压气机中，本文中不作重点讨论。
喘振的后果严重，一旦压气机进入喘振状态，这种低频率高振幅的气流振荡成为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
由于环境因素的影响，轻微的喘振是无法避免的，而一旦发生严重喘振时会出现发动机转速的忽大忽小、声音由尖哨转变为低沉、转速的下降、推力突然下降并且有大幅度的波动、排气温度急剧升高、有低沉噪音或放炮声、压气机气流倒流、发动机强烈振动、喷火、气流中断熄火停车等现象，更甚者将使叶片在短时间内大量折断，乃至使整台压气机的叶片“剃光头”。
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。
反推力装置使用不当，会造成超温；当飞机滑跑速度很低时，反推力装置仍在工作，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。
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，打开反推装置也会造成压气机喘振。
2.3喘振的根本原因分析
航空发动机是飞机的心脏，涡轮发动机广泛应用与航空领域，而喘振问题一直制约着涡轮发动机的发展，影响发动机的性能，甚至能造成发动机的损坏。
多数情况下，压气机喘振的前奏是旋转失速。
所谓旋转失速，就是站在绝对坐标系上观察时，失速区附着在压气机工作轮上以较低的转速、相同的方向旋转运动。
旋转失速频率高、强度大，叶片易疲劳断裂，是引起喘振的直接原因。
当压气机中某些级产生旋转失速，并进一步发展，使压气机整个通道受阻，阻碍前方气流流入，使气流拥塞在这些级的前方。
与此同时，由于前方气流暂时堵塞，出口反压不断下降，当出口反压较低时，压气机堵塞状况被解除，被拥塞的气流克服了气体惯性，一拥而下，于是进入压气机的空气流量又超过了压气机后方所能排泄的流量，压气机后方空间里空气又“堆积”起来，反压又急剧升高，造成压气机内气流的再次分离堵塞。
通过压气机的气流反复堵塞又畅通，使得通过压气机的流量大、流速高、可压缩的空气在本身惯量和压气机给予的巨大能量作用下产生了周期性振荡。
由此可见，研究喘振首先要研究失速。
失速是指由于冲角过大，气流在叶背处发生分离的现象。
低转速、空气流量低、进口温度高、流场畸变、进气道结冰、外来物都有可能造成冲角的改变，从而产生失速，如果失速的叶片过多就会导致压气机的喘振。
这些导致失速的因素归结起来也就是表征压气机工作特性的四大参数，即转子转速、空气流量、进口总温和总压。
涡轮发动机发生喘振的原因可以用气流分离的形成和发展理论来说明发生喘振的根本原因是气流在涡轮发动机压气机的叶片通道内严重分离而造成的压气机不稳定工作现象，是涡轮发动机的工作状态严重的偏离了设计工作状态而引起的[6]。
下面分三种情况来分析。
1．当轴流式压气机处于设计工作状态时，压气机各级通道截面的变化完全符合空气容积流量变化的需要，空气能够无撞击地流入各级叶栅，因而叶栅通道不会发生气流分离现象。
2．当流量系数过大时，叶栅进口气流的冲角是负值，叶片的凹面将产生涡流，出现气流分离现象，但由于空气具有惯性，在流过弯曲面的叶片通道时，总有紧贴叶面凹面的趋势，这就有利于减弱和消除气流分离现象，即使发生分离，其涡流区也不易扩大，因而气流不容易分离。
同时在冲角为负值的情况下，气流在叶栅内的流动方向改变不大，速度改变不大，压力提高不多，所以叶栅前后压力差较小，即使出现气流分离也不会引起大量气流倒流。
3．当流量系数过小时（小于设计值时），压气机叶片进口的冲角为正值，气流冲向叶片的凹面，而在叶片的凸面产生涡流，出现气流分离现象。
由于气流具有惯性，紧贴在叶片的凹面，而在凸面产生强烈的涡流并迅速发展，同时，在叶栅前后产生压力差，在叶栅和通道前后的压力差作用下，就会造成气流流动、分离、中断，而后再流动、再分离、再中断，周而复始的脉动现象，甚至气流还可能逆向冲出压气机，引起发动机喘振。
经过以上分析，可以得出结论：
当流量系数大于或小于设计值时，在涡轮发动机压气机进口处会产生气流分离现象。
但是流量系数过大所形成的涡流区不会继续扩大，而流量系数过小所形成的涡流区则会继续扩大，从而在叶轮旋转的作用下，产生强烈的分离，引起喘振[7]。
为避免压气机出现失速和喘振，就必须改善压气机的工作特性，扩大稳定工作范围，合理控制流经压气机各级的空气流量，使之与流通能力相匹配，保持空气流动的平稳与连续。
压气机在非设计状态下通过一些措施以保持与压气机几何形状相适应的速度三角形，从而使冲角不要过大或过小。
防止压气机失速和喘振常用的方法有放气机构（VBV）、可变静子叶片（VSV）和采
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