航空发动机故障分析

李让

中国航发南方工业有限公司 湖南株洲 412002

1 航空发动机常见的故障类型

一般来说，航空发动机的故障发生类型比较复杂多变，其中常见的发动机故障类型有性能故障、结构抗压能力破损故障、附件故障以及系统数据故障等。经调查发现，我国航空发动机故障发生情况如下：发动机性能故障占比15%-25%，结构抗压能力破损故障占比65%-80%，附件故障及系统数据故障均占比5%-10%。

发动机性能故障主要表现在发动机内部的叶片断裂故障、涡旋轮破裂、包容失效等，原因在于发动机材料经长期使用已经承受不住外界对部分零部件的施压和荷载了，由此引发的一系列发动机性能故障；结构抗压能力故障主要表现在年久失修导致抗压系统老化、风雨腐蚀引发的抗压系统的隐形故障；附件及系统数据故障主要表现在工作系统瘫痪、附件传送机构失灵等方面。以上大部分故障来源于材料的不稳定性，要想快速找到问题所在，迅速解决问题，首先要从发动机的新型概念、新型技术、新型材料入手。要将航空燃气涡轮发动机在地面内燃机和弹用内燃机方面的应用概况了如指掌，才有助于进一步探索航空发动机的常见故障类型[1]。

2 航空发动机故障处理措施

2.1 发动机点火强度不均衡故障

航空发动机点火装置的工作原理是当旋转起动开关使起动电路接通，起动振荡器利用机载电瓶带动发动机，发动机转动带动磁电机在电磁感应原理的作用下产生20kV 的高压，经分流电盘通过高压导线分配到各个点火嘴，每个点火嘴的点火间距极短仅为5.4-5.6mm，在这个距离高电压会轻易地击穿汽缸内空气来点燃油气混合气启动发动机。发动机启动过后会按照分配的时序持续地轮换点火，推动螺旋桨旋转。在磁电机检修中，磁电机点火强度不均这一类故障占到了所有磁电机故障的一半以上。在实际的维修中往往是将磁电机安装在离线测试台上，随后调节转速让维修人员肉眼观察磁电机点火嘴跳火是否连续。这种方法对于磁电机的非均衡性故障有一定的效果但对于磁电机的均衡性故障存在很大的局限，容易对均衡性故障做出无故障判断。针对这一问题，笔者在研究了磁电机的点火特性后发现航空活塞发动机采用高电压微间距放电，其产生的能量主要集中在红外、紫外和可见光3 个能量区中，其中，紫外能量区最强。而紫外辐射主要由氮原子中电子跃迁产生，空气中氮气含有量为78%，当电嘴两极间的电场强度增强时氮原子被激发的概率增大，实际表现为电嘴两电极电压越大时，产生的紫外强度也就越强，针对这一特性引入紫外探测技术直接对磁电机点火嘴的紫外强度进行定量的测试。）在航空活塞发动机点火强度测试中发现，工作正常的磁电机当转速为150r/min 时，相对点火强度在13-17 个脉冲/s 之间；当转速为1100r/min 时，相对点火强度在127-138 个脉冲/s 之间；当转速为2050r/min 时，相对点火强度值在195-215 个脉冲/s 之间；当转速为2980r/min 时，相对点火强度在293-312 个脉冲/s 之间。磁电机点火的均衡性对于磁电机的正常工作有重要的影响，通过建立磁电机均衡性模糊系统将点火强度偏差和基准点火强度作为输入，均衡性故障分类作为输出，以及对磁电机均衡性故障的观察总结并建立规则，能够准确地对故障进行定位。

2.2 放气带提前关闭故障

放气带位于压气机第3、4 级之间的中机匣前、后舱接合处的圆周上，由放气窗口、放气带、传感器和作动筒等操纵系统组成。放气带作动筒由外壳、活塞、弹簧、固定销等部件组成，通过2 个支臂固定在中机匣上。放气带通过耳环及固定销固定在作动筒上，作动筒内部弹簧的张力把活塞推向作动筒两端，使放气带打开，空气从环形间隙放出。当压缩空气输入放气机构作动筒后，活塞克服弹簧力向中间靠拢，于是放气带关闭，停止向大气放气。基于对比试验及离心传感器试验情况分析，故障发动机放气带提前关闭的主要原因为右部传动系统传输转速不平稳，而右部传动系统传输转速不平稳主要与右部传动系统锥齿轮的周节累计误差未制定控制措施有关。故新增右部传动系统6 个锥齿轮周节累计误差控制要求：中央传动主动锥齿轮周节累计误差≤0.13mm，其他5 个锥齿轮（2号-6 号锥齿轮）周节累积误差≤0.08mm。对因放气带故障返厂的发动机，采取更换控制周节累计误差6 个锥齿轮方案进行排故；对装配贯彻优化齿轮的发动机的外场使用情况进行跟踪。后续地面试车，未再发生此类故障，有效解决了发动机放气带提前关闭引发的喘振故障[2]。

2.3 盘腔积油振动故障

只有非线性关系的转子-支承系统才会失稳发生自激振动，其根本原理是转子进动时受到一个与径向振动位移相垂直的切向力（一般称之为不稳定力）。当转速上升到某个临界点时转子失稳，该临界点转速高于转子-支承系统的一阶或多阶临界转速。转子失稳后的进动频率为转子-支承系统的某阶临界转速，失稳后转子的轴心轨迹以指数螺旋线增长，但由于系统中的非线性影响随振幅增加而增加，耗散振动能量，导致进动振幅最后达到一个稳态极限环.根据发动机故障特点，在发动机再次装配上台后引入台架气源，增强滑油腔的气密压力。后续试验中，发动机各测点振动表现正常，故障特征频率消失，问题得到解决。积油转子在进入不稳定区之前在频谱上并无明显的故障频率特征，当进入不稳定区自激振动后出现特征频率，且振幅成指数倍增长，迅速成为频谱中的主频；特征频率为低于当前转频的某阶转子-支承系统的临界转速，本文故障为第4 阶。当积油转子进入自激振动后，转速逐步降低至低于不稳定区下边界时，特征频率的振幅降低缓慢，存在明显的滞后性[3]。