硬核航空：航空发动机对温度变化考虑不周引发的故障分析

陈光/文

航空发动机在正常使用中，由于外部环境以及发动机的功况变化，都会对发动机各部件的温度值与温度场发生变化。

例如发动机在慢车状态下，一推油门转速立即加速至最大转速，此时各部件的温度也随之上升，如果一些相配合的零组件的膨胀系数相差较大，原来配合较好的结构，会由于膨胀系数不同，造成配合松动而漏气漏油或配合变紧使零件受力过大而损坏等。“热胀冷缩”是人们熟知的物理概念，但在航空发动机的研制与使用中，由于认真对待不够，出现过众多的故障。

JT9D-7R4冬天清晨起飞过程中发动机喘振造成空中停车事件

中国民航的747客机所用的JT9D-7R4发动机，在1985年底-1986年初寒冬中，发生了15起在当天第一次飞行爬升到600-1500m收油门时，因喘振而造成空中停车的事件。

连续发生多起危及飞机飞行安全的重大故障，引起中国民航总局领导的重视，立即通知普惠公司要求尽快解决此多发故障。为此，普惠公司派出了十几位专家来到北京，开展了调查分析工作，最终得出引起发动机喘振的原因，竟然是热胀冷缩不一致造成的。

图2、JT9D-7R4高压压气机

JT9D-7R4的高压压气机有11级，其中前4排静子叶片是可调节的，即图2中的E、F、G、H。每个静子叶片端头装有一摇臂，摇臂另一头插到同步环的环槽中并用销钉固定，液压作动筒（图中末示出）驱使同步环转动时，每个静子叶片就转一个角度（图3），完成叶片安装角的调整。在同步环一周均布有若干个由复合材料制成的滑块（图4），同步环通过滑块支承在机匣上。

图3、静叶端头摇臂连接到同步环中

图4、同步环通过滑块支撑在机匣上

当飞机起飞时，发动机处于最大推力状态，爬升到600m-1500m高度时，开始收油门，此时可调静子叶片要调整其安装角，以使气流顺利流过高压压气机，否则高压压气机会喘振。

上世纪80年代北京寒冬中夜间气温较低，一般低于-10℃，747客机在机场承受一夜的冷冻，发动机的零件均受冷而收缩。次日清晨执行第1个航班任务時，发动机一开车，再推油门转速迅速上升，高压压气机机匣的温度随之上升，钛合金制的机匣向外膨胀较大，但处于发动机外部的铝制的同步环与塑料制的滑块，温度未随之上升，膨胀量较小，因此机匣将同步环卡死不能转动。

当飞机爬升到一定高度发动机收油门降低转速时，可调静子叶片不能转动了，导致高压压气机喘振引引发动机停车。

故障原因找到后，普惠采取加大滑块与机匣的间隙以排除喘振故障。表1列出排故前后滑块与机匣间的间隙值。

表1、高压压气机各级可调叶片滑块与机匣间隙值mm

JT9D-7R4高压涡轮级间封严环断裂故障

JT9D-7R4是美国普惠公司为波音公司的747四发大型客机研制的大涵道比涡扇发动机，中国民航在上世纪80年代初引进了747客机。JT9D-7R4高压涡轮为2级，在两级轮盘间装有一个带4齿的箆齿封严环（见下图），1985年在中国民航使用的发动机中，此封严环最后一道箆齿由于疲劳掉块，造成5次空中停车事件，其中一次断块还打穿发动机机匣，成为断块非包容故障。在维修车间普查发动机时，发现有20余台在最后一道蓖齿处存在疲劳裂纹。

对故障进行分析后，发现发动机在工作时，转子与机匣向后膨胀不一致，转子向后膨胀量大于机匣等静子件的膨胀量，使最后一道箆齿移出了静子封严环1-2mm，即在箆齿封严环与静子封严环间在后端出现了1-2mm的缺口。篦齿间不稳定的气流从该缺口喷出时对最后一道箆齿产生激振引发该箆齿出现疲劳裂纹，在工作一段时间后，裂纹扩大到使最后一道箆齿断裂。

图、JT9D-7R4两级高压涡轮盘间封严箆齿环

某型发动机调试中振动过大故障

某型涡轮喷气发动机在研制调试过程中，出现发动机振动过大故障，经过全国著名专家几次会诊，也未找到故障根源。在一次分解装配发动机过程中，有人发现涡轮导向器后端面有一环形蹭痕，这才找到振动的根源。原来是发动机工作时，涡轮转子与静子向后膨胀量不一致，造成两者相碰磨。

涡喷13发动机长期试车中加力燃烧室筒体上管座破裂故障

涡喷13发动机在一次150h长期试车中，加力燃烧室筒体上一个焊在筒体上的管座前端A处（图5）焊缝破裂。此管座是连接将由高压压气机引气到加力燃烧室的长导管的，为了协调导管与发动机工作时向后膨胀量不一致的问题，在导管中部折转出一个较大的凸起，这是发动机导管设计中必须采取的措施。

图5、WP13发动机中由高压压气机引气到加力燃烧室的导管

为了分析故障发生的原因，空一所与北京钢铁研究院分别对断口进行了分析，得出了一致的意见，即断口属高、低周疲劳断裂性质。

低周疲劳是由于导管设计不合理，用于协调导管与发动机膨胀不一致的凸出还不够大，造成发动机工作時，发动机向后的膨胀量大于导管向后膨胀量，结果对管座产生一个向前拉的拉力，多次工作后在焊缝处产生低周疲劳断裂。

高周疲劳是由于导管固定在发动机上时，将导管固定在发动机的卡箍数目与位置不合适，发动机工作時导管出现高频振动引起的。

图6、JT3D涡轮后轴承机匣

涡扇8发动机后轴承机匣换用材料不当使机匣变形

为运10大型客机研制的涡扇8发动机，实际上是仿制普惠的JT3D小涵道比涡扇发动机，在仿制中，对涡轮后轴承机匣（图6）外机匣所用的材料认为高温性能较差，遂换用了性能较好的材料，但在发动机试车中，外机匣却出现了带几个凸起的非圆结构，成了如图7所示的形状。

图7、后涡轮后轴承机匣外机匣变形情况

原来，所换用的“好材料”的膨胀系数与支板的膨胀系数不协调，造成发动机工作时，外机匣膨胀量大于支板的膨胀量，造成外机匣变成多边形。