航空发动机故障模式分析及维修技术发展

喻碧怡 赵楠 肖淑斌 战立娜

摘  要：航空发动机作为航空飞行器的动力单元，其故障检测及维修对于航空飞行器的安全稳定工作极其重要。而航空发动机的视情维修通常根据故障类型及发展程度进行判定。航空发动機故障模式分析有利于快速定位故障并匹配适合的维修技术，从而安全、快速地恢复航空发动机的工作。本文详细介绍了发动机故障模式及发动机维修技术的发展。

关键词：航空发动机 故障 维修 发展

引言

飞机已经伴随人类超过一百年，和其他动力机械一样，其发动机也需要维修、排故。航空涡轴发动机的结构主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管等组成[1]。对于涡轴发动机来说，压气机一般为多级，分为轴流式和径向式两种;燃烧室则一般分为回流式和直流式;涡轮一般氛围燃气涡轮和动力涡轮。除此之外，发动机还有精密的控制系统，用于协调各部件之间的正常运转。

发动机在加工、装配、转运及使用等环节都有引发故障的可能。比如，材料缺陷、加工误差、安装误差、长期的振动和高温等因素都是发动机故障的原因[2-3]。发动机本身的数据监控功能，在一定程度上可以判断故障来源。但通过无损检测手段，如孔探仪、射线检测、超声波检测等，可以进一步快速、准确地确定发动机的故障位置和情况。通过判断，可以确定是否安排发动机视情维修及维修程度。

一 航空发动机经典故障模式

1、流道故障

航空发动机主要依靠内部气流的高速流动工作，当流道因磨损、腐蚀、变形、积污、裂纹等原因发生变化，会引起流道内气流等的不稳定，造成发动机性能衰退，从而引发不可靠故障。而且流道故障具有耦合性，一处发生故障就会引起整机性能和可靠性下降。

2、零部件变形

在发动机中零件变形通常有来两方面的因素：高应力和高温。而严重的零件变形一方面会引起零件寿命降低，另一方面也会引起发动机流道的变形。比如，作为高温部件的火焰筒，在工作过程承受较高的温度，最高温度可能超过1000℃。长期的高温条件会引起火焰筒塑性变形，使得火焰筒头部平面度、圆度等较大地偏离设计状态。火焰筒变形超过一定程度，就会在装配部件之间产生的应力或缝隙、影响火焰筒内部流场稳定性，严重情况会造成薄弱位置的裂纹和断裂。

3、零部件裂纹

火焰筒是燃烧部件壁温最高的零件，在长期高温和振动的作用下，火焰筒避免容易产生裂纹，根据裂纹的不同程度其影响也不同，一般裂纹延伸至零件边缘或裂纹形成闭合的情况下，会影响火焰筒的安全性，可能引起火焰筒掉块和结构失效。

4、零部件烧蚀

航空发动机的燃烧室及涡轮等都属于热端部件，在长期高温环境下工作，部分零件会出现烧蚀的现象，主要集中在火焰筒、涡轮叶片等部位，烧蚀会引起零件基体材料的脱离，从而影响到零件本身的功能及寿命。

5、振动故障

振动是航空发动机工作过程不可避免的，但当振动达到一定程度变回引发震动故障。振动故障是发动机的主要故障之一，局部共振、转子不平衡、转子同心度偏差、轴承损坏、支撑结构失效等都是振动故障的成因。一般通过测量压气机、涡轮、附件机匣等外部结构以及轴承的适当位置来获取相应的振动参数，如振动位移、加速度等。

6、密封及润滑故障

航空发动机的运转主要依靠内部的高温高压气体以及告诉旋转的转子部件，发动机的密封和润滑就成为了极为关键的功能。密封功能可以防止高压气体、高压液体渗漏，保证流体路径的完好。润滑功能就保证了转子部件转动的顺畅性。

航空发动机上重要的密封技术主要应用在转动部件，通常使用篦齿密封、石墨密封、刷式密封、等技术，除此之外在静密封位置通常采用密封垫和密封圈。

二 航空发动机故障维修技术的发展

航空发动机的故障维修技术发展离不开材料和加工技术的不断更新。早期的故障维修主要依靠零件的补焊、再加工等工艺，维修周期长且使用寿命不能保证，因此对于关键部位的零件，如涡轮叶片，通常在故障后进行更换，维修成本极高。新型材料及工艺的发展，降低了航空发动机零部件维修的成本及周期。

1、3D 打印技术

3D 打印技术主要解决发动机维修活成零部件采购难得问题，在应急抢修中具有非常重要的意义。该技术主要用于制造压气机、涡轮部件的叶片，在燃烧室中主要用于喷嘴题和涡流器的制造。

而发动机维修中主要涉及的是3D 打印再制造技术，能够快速修复发动机的受损零件，缩短维修周期和成本。常用的3D打印再制造技术有激光净成型、选区激光熔化、电子束熔丝沉积等[4]。

2、热喷涂技术

热喷涂技术是将喷涂材料加热融化并雾化，然后高速喷射到基材表面，形成足够结合强度和特定性能的涂层工艺。主要用于恢复尺寸和涂层，修复零件的机械性能，主要应用于叶片部件的修复。目前常用的热喷涂工艺有火焰喷涂法、电弧喷涂法、激光喷涂法等。

三 结束语

航空发动机视情维修对其其安全可靠工作十分重要，故障模式分析可以帮助快速确定故障分类，根据故障的类型及程度，可匹配响应的维修技术，从而确保航空发动机能够安全可靠地恢复工作。

参考文献

[1] 孙护国， 霍武军. 航空发动机的维修性设计[J]. 航空科学技术， 2001（05）：27-29.

[2] 姚型彬， 权晓林， 吕雪燕. 航空发动机结构故障模式分析[J]. 卷宗， 2013， 000（008）：158-159.

[3] 张晓爽， 聂华菊， 龙海跃，等. 浅析发动机的故障模式，影响及危害性分析工作[C]// 中国航空学会. 中国航空学会， 2015.

[4]郭双全， 罗奎林， 刘瑞，等. 3D打印技术在航空发动机维修中的应用[J]. 航空制造技术， 2015， 58（增刊S1）.

[5]付俊波， 周世魁. 热喷涂技术在航空发动机零部件及其维修中的应用[J]. 失效分析与预防， 2006， 1（002）：61-64.