航空发动机典型故障分析.docx

1、航空发动机典型故障分析第 1 章 绪 论1.1发动机概述 21.2可靠性与故障 21.2.1可靠性 21.2.2故障 21.2.3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 52.2喘振时的现象 52.3喘振的根本原因 52.4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 93.2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 93.3压气机转子叶片故障模式及其分析 103.3.1 WP7系列压气机转子叶片现行检查标准（含判废标准） 103.4 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

2、述 144.2篦齿盘结构与工作状态分析 144.2.1结构分析 144.2.2工作状态分析 144.2.2.1工作温度高 144.2.2.2工作转速高 144.2.2.3易产生振动 144.3裂纹特征与产生原因分析 154.3.1裂纹特征 154.3.2裂纹原因分析 154.4 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

3、于动力装置的发展。 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

4、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；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；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

5、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： 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rti位总数之比，用表示。=i 1 （ 1/寿命单位*）式中：r 故障总数ti 第i个产品发生故障前的寿命单位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drt刻后单位时间内发生故障的概率。用 t = Nstdt式中：Nst 到t时刻尚未发生故障的产品数drt t时刻后dt时间内故障的产品数故障类别

6、：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

7、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

8、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

9、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，

10、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

11、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。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 ,

12、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 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( 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

13、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

14、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

15、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 , 如此周而复始地进行下去。2.4压气机的防喘措施由于压气机的设计是根据设计点的气动参数进行设计的， 当工作状况偏离设计点时，各级的速度三角形也和设

16、计点的不同，也就是非设计点参数与压气机的 几何形状不协调。这是各级的流量系数大大地偏离了设计值， 从而造成攻角过大 或者过小，于是就产生了喘振或者堵塞。防止压气机喘振的措施，主要是如何使 压气机各级在非设计状态下，都能够保持与压气机几何形状相适应的速度三角 形，也就是是攻角不要过大或过小。改善的途径一方面从气动设计着手， 另一方 面是增加调节机构，是压气机叶片或者流路的几何形状能够随着工作状况而改 变，以便适应参数不同的工作状况。目前，在增设可调机构的措施方面，经常采 用的方法有下列几种。压气机中间级放气现在简述一下从压气机中间级放气以排除喘振的机理。当打开放气系统时， 由于减少了空气流路的阻

17、力，所以位于放气系统之前的压气机级的空气流量就增 加了。因而前面级的轴向速度就增大， 气流攻角减少，从而避免了发生喘振而保 持稳定工作。由图1-2所示的第一级特性可见，由N点变到M点。此外，放气系 统后面的各级空气流量都由于放气而减少， 于是气流攻角增加，使其脱离堵塞状 态，由N点变到M点工作。因此，放气的后果是使前后各级都朝着有利的工作状 态变化，使工作协调，从而大大改善了压气机的特性，保证了发动机安全可靠地 工作。图1-2放气机构防喘原理示意图中间放气防喘的方法机构简单，在增压比小于 10的多级轴流式压气机中效果很好。除放气防喘之外，还可以减少发动机起动时的起动功率。 但是有一个很 大的缺

18、点，就是将1525 %的压缩空气放掉而没有利用。这就意味着供给压气 机的一部分机械能，白白地被浪费掉，结果使得放气时发动机推力减少， 燃油消 耗率增大，涡轮前温度升高。 由于放气的采用， 引起放气截面上气流的重新组织， 并且可能发生局部气流分离和叶片振动。这就需要在设计放气机构时加以注意。 为了防止上述现象的产生， 可以加大放气孔区域中级和级的间隙， 并要求尽量能 沿着整个圆周均匀放气。 可转动的进气导流叶片和整流器叶片可转动的进气导流叶片和整流器叶片防喘原理是通过改变导向器叶片角度 来改变工作叶轮进口处的绝对速度的方向 , 也就是改变预旋量 , 从而改变工作叶 轮进口处的相对速度的方向 ,

19、以减小攻角 , 达到防喘的目的。 若多级压气机的设计增压比相当高，则必须采用很多级可以转动的整流器叶片。 如 J-79-3A 涡轮喷气发动机，压气机共 17 级，总增压比为 13，就采用了可转导 流叶片和 6 级可以旋转的整流器叶片。 这种防喘方法从经济性上看比放气防喘要好，但是结构比较复杂。从气动上看， 这种办法只能着重改善气流沿叶高在某一个半径上的流动情况， 例如照顾到平均 半径时，就不能很满意地照顾到叶尖和叶根， 尽管如此， 由于这种防喘方法效果 比较好，现在得到广泛的应用。 双转子或三转子双转子或三转子防喘原理是通过改变转速 , 即改变压气机动叶的切线速度 的办法来改变工作叶轮进口处的

20、相对速度的方向 , 以减小攻角 , 达到防喘的目 的。由于双轴压气机具有一系列优点， 例如， 不容易产生喘振， 可以在宽广的范 围内工作而仍然可保持较高的效率， 容易起动等等。 所以， 双轴的结构型式得到 了广泛的应用。 它的缺点是构造复杂， 重量也较大。由于构造设计上的不断改进， 已逐步克服了这些问题。近年来，涡轮风扇发动机的设计，增压比不断提高，还 成功的制造了包括风扇在内的三转子压气机，例如英国的 RB.211 就是一台这样 的涡轮风扇发动机。 它的优点是效率高， 防喘性能好，但它的缺点也是很明显的， 那就是结构更为复杂。 可变进口通道面积将进口面积作成可变的， 如图 1-3 所示。 在

21、低转速时， 第一级和前面几级将 由于攻角很大而发生喘振。这时可以把进口面积 A1 变小。在相同流量下，面积A1 变小就会导致气流轴向速度增大。 于是第一级工作轮的进口速度三角形就必定 会变得如虚线所示。 由图可见， 由于攻角减小而使压气机进入正常工作状态， 工 作点由A变到A而远离不稳定区。如英国早期的发动机“萨普菲尔Sa.7”就采 用了这种方案。第三章 压气机转子叶片故障分析3.1概述压气机转子叶片是航空发动机机构件中的主要零部件之一， 不仅体现在对整机性能的影响很大，而且还由于数量多、形体单薄，以及受到载荷状况严酷和工 作环境复杂的影响，致使其在发动机中一直被列为故障率最高的构件之一。 尽

22、管 在我国现役机种WP7系列发动机的外场调查中表明：长期的经验积累和不间断的 研究成效，已使因振动疲劳而引起的叶片断裂故障明显的得到了控制。 但是，对于其他机种，却依然存在有较高的故障发生率，并又与不明振源的高阶共振现象 密切相关。因此，这类高循环的疲劳现象依然吸引着人们的注意力， 并引起广泛的关注。在航空涡轮喷气发动机中，压气机转子叶片位处最高沿，加上结构、数量和 受载的特殊性，一直是受环境影响最敏感、损伤频次最严重、故障模式最繁多、 后果影响最突出的构件之一。正因为如此，国内外有关文献和标准都之分重视它 们的工作状况，不论使用、维修，乃至设计、制造，都曾为此有明确的要求。在 我国编制的航空

23、涡喷、涡扇发动机结构设计准则（研究报告） 第三分册（叶 片）中明确指出，在仅有的五条设计准则中，环境因素的影响就占了两条（外物 吸入与空气腐蚀）。可见，考虑使用环境的影响，以及提高其抗有害外来（内在） 因素的能力，已成为压气机转子叶片设计中不可缺少的重要因素， 并且，愈来愈受到人们的重视；同时，还使人清楚地意识到它们对其他设计准则（高、 低循环 疲劳和静态强度）所带来的重要影响， 乃至威胁到叶片在使用过程中耐久性、 可 靠性，以及发动机的安全性。事实上，多年来由于一直强调对低循环疲劳的重视 和警惕，以及我国现役机型结构改进技术的日趋完善， 低循环疲劳破坏的发生几 率降低了，但是，它们的高循环疲

24、劳和表面腐蚀损伤却变得越来越严重了。 当前，这样的态势也已成为国内外同行们的共识。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特性尺寸由 大 到 小外因分类大鸟、布片小鸟、橡胶与冰片 等小石子、小零件 等 砂粒与腐蚀气氛等损伤特征多片倒伏、变形和折断变形、鼓包与撕裂撕裂、缺损与鼓 包、凹坑等表面损伤与裂纹设计准则限制叶根应变；限制位移限制撞击点处塑 性变形对于其翼弦 的比率；限制撞击范围内 的应变限制撞击范围 内的应变；当前后缘出现 撕裂、缺损时叶 片不折断注意疲劳强度的安 全储备学术研究叶片间撞击能量传递与 重新分配；残余变形；最大动力效应残余变形残余变形；可能的“最大” 应

25、力集中时的承 载能力叶片及其前后缘剩 余疲劳强度的动态 变化规范要求防止丧失叶型； 相邻叶片不相碰； 凸肩不搭接和松脱不失速、不喘振；防止丧失叶型， 注意叶型效率Kt三3时具有 一个场站检查期；明确维修量的 极限值明确维修量的极 限值；监视与限制维修 间隔期内的表面损 伤程度表中所示汇集了压气机转子叶片受各种环境因素影响而形成的损伤， 以及相关研究、标准等的特点。不难看出，所有的损伤事件尽管都具有随机性，但是， 却又都具有明显的特征。前三类损伤是由外物损伤所致，他们的共同特点为：“事 件发生是偶然的，过程进展是快捷的，或者是不稳定的，而相应的处置措施则是 以控制转捩点或极限状态作为基本出发点，

26、重视后果，不细究过程” ；然而，对于第四类俗称由环境因素影响所致的表面损伤，其特点则表现为： “事件发生是必然的，过程进展是缓慢的，或者是相对稳定的，而对应的处置措施则是以监控状态发展为基本出发点，密切监视和跟踪过程的动态变化” 。显然，前三类损伤是突发性的，他们的发生除了可以通过加强外场管理而避免外，通常都是按视情 维修处理；而第四类损伤，不仅表明了其发生是不可避免的常见现象， 而且还由 于存在着一定的演变过程和形成时间， 因此相应的损伤特征必然是呈渐变的， 不 太引人注意，所以，通常都是在发动机进行定时翻修时才被发现， 而进行相应的处置。可见，认清这些损伤模式的形成特点，以及掌握处置措施的

27、基本思路，不 论在学术上，还是在工程上，都具有重要的实用价值。3.3压气机转子叶片故障模式及其分析3.3.1WP7 系列压气机转子叶片现行检查标准（含判废标准）在工程上，任何机械构件的检查标准、判废标准通常都与他们的故障模式分 不开。同样，对于航空发动机压气机转子叶片，也应遵循这样的程序。可是，由 于其特有的受力状态和复杂的使用环境， 致使引发的故障模式变得很复杂。据内 外场凭借肉眼观察检查的经验获知， 他们的故障模式，除叶片榫头局部变形和表 面硬皮积碳、拉伤外，叶身部分就有裂纹、变形、撕裂和锈蚀、麻点等多种损伤， 并且他们的严重程度、出现频次，以及分布部位都表现各异。可见，这些损伤模 式除了

28、对叶片强度构成威胁外，它们的刚性消弱也是不可忽视的，甚至还会引起 气动性能的下降。所以，压气机转子叶片的检查标准和判废标准是集强度、刚性、 工艺，以及气动性能等多因素要求而制定出来的。表中所示为WP7系列压气机转子叶片现行故障的检查标准和判废标准。可以 看出，除列出了故障性质、检查方法与处理要求外，还明确地限制了可修复故障 的发生部位。显然，这不仅要求对威胁到叶片高应力区的损伤故障，需要加以严格地限制，而且，还要注意到它们对叶片的安全性、耐久性，以及气动性能等带 来的重要影响。WP7 系列压气机转子叶片检查标准（含判废标准）序号故障特征故障标准检查方法修理方 法处理结 论1叶片裂纹、 弯曲变形

29、及 叶片榫头卡 环槽变形不允许目视检查 无损探伤不修理报废2叶片表面锈 蚀积碳轻微锈蚀目视检查酸洗、除 锈、抛光修理严重锈蚀不修理报废3叶盆叶背表 面打伤I级、U级叶片距叶尖3/5以内的叶身 长度表面上，每面有4处深度不大于0.5 伽打伤；距叶根2/5以内的叶身长度表面 上每面有4处不大于0.1伽的打伤。级叶片距叶尖 34以内的 叶身长度表面上，每面有4处深度不大于 0.3伽打伤；距叶根1/4以内的叶身长度表 面上每面有4处不大于0.1伽的打伤目视检查打磨、抛 光修理4叶片进、排 气边缘打伤I、U级叶片距叶尖35以内的叶身长 度表面上，有深度不大于。0.3伽打伤； 距叶根25以内的叶身长度表面

30、上有深度 不大于0.15伽的打伤。级叶片距叶尖34以内 的叶身表面上，有深度不大于0.2伽打伤； 距叶根1/4以内的叶身长度表面上有深度 不大于0.1 mm的打伤目视检查打磨、抛 光进排 气边缘修理5叶片表面粗 糙轻微打伤不允许存在目视检查抛光修理6叶片榫头硬 皮积碳、拉伤轻微硬皮积碳目视检查不修理继续使 用严重硬皮积碳打磨继续使 用榫头两侧面拉伤，其深度不大于 0.5伽打磨拉修理（In级不大于1 mm）宽度不大于 2 mm 长度不超过112榫头i伤处、毛 刺需要说明的是，对于经过修复的叶片，其几何尺寸必然会不断地减小。因此, 除了在我国现用的维修规范中，已规定了的以限制整个叶片沿叶高的最小弦

31、长来 作为它们的修磨极限量外，还需要针对具体的损伤部位制定进一步的明确和完善 的修复标准。此外，表中所述规定乃是针对叶片的个体而言， 如果出现带有群体 性质的损伤和有关要求，那么，还将有相应的补充规定。由于维修规范中的故障检查/判废标准都是根据转子叶片的工作特点、 破损安全准则和实践经验编制而成，所以，除了已破损的叶片需按报废外，还要列出 叶片表面伤痕的大小、深度和疏密程度等损伤模式，均可理解为经过了实践检验 的极限模式。换言之，尽管它们的形态多种多样（比如缺损、变形、表面损伤等）， 但是，所列模式均可被看作于判废标准和可修复标准间的临界状态， 如果再继续工作，将不能确保其具有很低的破损概率， 所以此时的叶片可被认为正处于一种 表面损伤的“极限强度”状态。由此推论，在表面损伤的判废标准与疲劳损伤的 判废标准之间，将可借助含义相近的“极限强度”而建立联系，从而，为评估叶 片寿命研究中的表面损伤，寻得了 一种以疲劳损伤评估为基础的代替方法。鉴于压气机转子叶片的故障模式繁多，损伤起因复杂，以及具