航空發(fā)動機加力燃燒室內(nèi)錐組件故障原因分析

【摘 要】文章首先針對故障臺份發(fā)動機的內(nèi)錐組件進行檢查，研究了鎖緊墊圈、錐底及螺栓的失效形式，其次對加力燃燒室內(nèi)錐組件的設(shè)計、制造情況進行復(fù)查，分析相關(guān)零部件是否存在設(shè)計不合理和制造質(zhì)量問題，最后根據(jù)復(fù)查情況建立故障樹，并對故障樹的底端事件進行逐一分析排查，進而得到燃燒室內(nèi)錐組件的故障原因。

【關(guān)鍵詞】航空發(fā)動機；加力燃燒室；故障

【中圖分類號】V231.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）01-0084-03

0 引言

某型航空發(fā)動機在車臺進行PFRT（初始壽命）試車，停車例行檢查時發(fā)現(xiàn)發(fā)動機加力燃燒室的內(nèi)錐體組件（其所屬整機位置如圖1所示）上與后錐段后安裝邊連接的錐底沿圓周方向發(fā)生嚴重翹曲，錐底順航方向正上方螺栓安裝孔撕裂，順航向2點和10點鐘位置的連接螺栓脫落。本文將針對該故障現(xiàn)象開展設(shè)計工藝復(fù)查、故障原因分析等研究工作，為后續(xù)針對故障問題制定糾正措施提供依據(jù)。

1 故障件檢查

本次試車的發(fā)動機共有4個臺份，為對故障原因進行準確定位，分別對故障臺份發(fā)動機的故障件和其余臺份發(fā)動機的工作時間、加力工作時間及內(nèi)錐組件使用情況進行統(tǒng)計和對比。故障臺份發(fā)動的故障件檢查情況如下。

（1）對殘留的鎖緊墊圈殘骸檢查，發(fā)現(xiàn)鎖緊墊圈變形嚴重，表面布滿網(wǎng)狀裂紋，“脆化”嚴重，其彎折部分已明顯燒蝕。

（2）對拆下的錐底檢查發(fā)現(xiàn)其外緣沿圓周方向已產(chǎn)生嚴重的“波浪”形翹曲變形，錐底順航向正上方12點位置的螺栓孔沿徑向向外撕裂，其余5處螺栓孔均變?yōu)殚L圓孔，且孔邊緣外側(cè)存在較深的與螺栓頭擠壓、磨損痕跡。

（3）對拆下的螺栓檢查，發(fā)現(xiàn)2點鐘、10點鐘位置螺栓在根部斷裂，斷口約1/3為新斷面，其余為燒蝕面。所有螺栓根部均存在彎曲及縮頸現(xiàn)象。

從對各臺份主機工作時間及錐底使用檢查情況來看，錐底作為高溫部件在使用過程中均存在高溫下翹曲變形，其鎖緊墊圈的燒蝕脫落數(shù)量和燒蝕嚴重的程度與發(fā)動機工作時間和加力工作時間存在直接聯(lián)系，有必要結(jié)合已有的部件故障現(xiàn)象從設(shè)計角度出發(fā)開展深入的分析研究。

2 設(shè)計情況及制造質(zhì)量復(fù)查

2.1 內(nèi)錐組件結(jié)構(gòu)[1]

在結(jié)構(gòu)上內(nèi)錐組件通過21件螺栓由安裝邊固定于渦輪后支撐內(nèi)機匣上，為便于拆裝錐體設(shè)計為分段結(jié)構(gòu)，前后段之間通過12件螺栓連接，錐底由6件螺栓通過安裝邊固定于后加強段而構(gòu)成內(nèi)錐體組件，組件最大外輪廓為φ418 mm，總長為588 mm，內(nèi)錐組件主要構(gòu)件材料為高溫合金[2]，為確保中心錐組件在高溫環(huán)境下可靠地工作，在錐體壁面垂直法線的方向上開設(shè)了φ0.8 mm的氣模冷卻孔。由于內(nèi)錐體本身置于高溫燃氣環(huán)境中工作，其軸向及周向溫度梯度影響最為顯著，極易導(dǎo)致變形、裂紋和燒蝕，并受高溫?zé)崛細飧g作用[3]。

2.2 實物狀態(tài)及制造質(zhì)量復(fù)查

設(shè)計人員在現(xiàn)場分別對001、002、003、004臺份內(nèi)錐組件中與錐底相配合安裝邊螺栓孔、鎖緊孔等影響裝配質(zhì)量的主要尺寸進行實測，實際結(jié)果與設(shè)計圖紙要求相符。

經(jīng)過復(fù)查，第004臺份發(fā)動機加力燃燒部件共辦理不合格品審理單11份，未辦理代料單。內(nèi)錐體及下屬零組件未辦理過不合格品審理單、代料單和設(shè)計偏離文件，內(nèi)錐組件實物狀態(tài)符合設(shè)計圖紙要求，產(chǎn)品無制造質(zhì)量問題。

3 故障樹梳理

本節(jié)針對錐底螺栓斷裂、錐底屈曲變形和孔邊開裂故障進行了故障樹梳理，故障分析過程中發(fā)掘鎖緊墊圈燒蝕、螺栓斷裂、錐底螺栓孔開裂間的關(guān)系，從設(shè)計、制造及長試試驗等方面梳理故障樹底事件，分別建立故障樹（如圖2所示），并對梳理的故障樹底端事件逐一進行排查，底端事件清單見表1、表2、表3。

4 結(jié)論

通過對三類故障相關(guān)底事件的梳理、分析，獲得如下故障原因。

（1）由于加力燃燒室進口溫度過高，燃油在高溫條件下蒸發(fā)快，在內(nèi)錐錐底燃燒回流區(qū)前移導(dǎo)致錐底尾部位置局部回火燃燒，錐底工作環(huán)境溫度過高且不均勻，導(dǎo)致錐底熱應(yīng)力過大，且長期高溫環(huán)境中由于材料屈服強度下降而發(fā)生蠕變翹曲。錐底在熱應(yīng)力和蠕變翹曲的綜合作用下沿孔邊產(chǎn)生裂紋并開裂。

（2）螺栓故障件發(fā)生彎曲、縮頸現(xiàn)象，表明材料在工作溫度下，屈服強度已發(fā)生大幅度降低，導(dǎo)致零件發(fā)生塑性變形，工作溫度超出材料使用溫度，而鎖緊墊圈的燒蝕、脫落引起螺栓受力情況惡化，進一步加速了失效過程，最終螺栓在材料耐溫不足、受力惡化的共同作用下發(fā)生沿晶斷裂。

（3）由于鎖緊墊圈材料的耐溫水平不足，工作溫度超出長期使用溫度，導(dǎo)致其發(fā)生沿晶斷裂。

參 考 文 獻

[1]劉風(fēng)坤，賈赟.航空發(fā)動機高壓渦輪轉(zhuǎn)子試驗段靜強度研究[J].中國設(shè)備工程，2017（12）.

[2]《航空發(fā)動機設(shè)計手冊》總編委會.航空發(fā)動機設(shè)計手冊（第18冊）[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[3]陳光.航空燃氣渦輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：北京航空學(xué)院出版社，1987.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]