航改燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室故障模式、影響及危害性分析

朱 濤

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015）

0 引言

燃燒室作為燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件，其工作可靠性對(duì)整機(jī)的使用安全及壽命有重要影響。燃燒室在工作時(shí)受到高溫氣流的熱沖擊和整機(jī)的振動(dòng)影響，在熱應(yīng)力、蠕變應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力的交互作用下發(fā)生故障的概率較高。采用傳統(tǒng)方法只能對(duì)已經(jīng)發(fā)生的故障提出相對(duì)應(yīng)的解決措施，如果燃燒室的結(jié)構(gòu)及其使用環(huán)境發(fā)生重大改變則存在因歷史數(shù)據(jù)覆蓋不全面而造成對(duì)故障的遺漏和誤判。同時(shí)傳統(tǒng)故障分析方法不能全面地考察系統(tǒng)及組成系統(tǒng)的各功能單元之間的邏輯關(guān)系及判斷單元故障對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的程度，且存在人為因素的干擾，導(dǎo)致判斷結(jié)果具有較大的差異性。

在大量經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，在20 世紀(jì)50 年代初期，美國格魯曼公司在海軍飛機(jī)操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制中提出了故障模式及影響分析（Failure Mode and Ef?fects Analysis，F(xiàn)MEA）方法。FMEA 是一種定性分析法，在其基礎(chǔ)上增加危害性分析（Criticality Analysis，CA）才能對(duì)故障模式進(jìn)行定量分析，形成故障模式、影響及危害性分析（Failure Mode，Effects and Criticali?ty Analysis，F(xiàn)MECA）方法。60 年代美國航空航天局在進(jìn)行小批量、高費(fèi)用而又缺少歷史使用數(shù)據(jù)的產(chǎn)品開發(fā)過程中應(yīng)用FMECA 方法保證了系統(tǒng)的可靠性。此后，F(xiàn)MECA 方法被各工業(yè)領(lǐng)域所引入，成為可靠性設(shè)計(jì)的重要方法。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為技術(shù)難度較大的工業(yè)產(chǎn)品，在其設(shè)計(jì)過程中也早已引入FMECA方法來提高產(chǎn)品可靠性。羅澤明等總結(jié)了FMECA的研究現(xiàn)狀，分析了可靠性評(píng)估的方法和關(guān)鍵問題；苗雨奇介紹了FMECA在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的應(yīng)用和工作方法，并對(duì)某系列發(fā)動(dòng)機(jī)快卸環(huán)故障進(jìn)行分析，表明采用FMECA 能夠全面考慮零部件失效模式，針對(duì)危害程度高的故障進(jìn)行改進(jìn)能夠有效提高系統(tǒng)可靠性；曹茂國等應(yīng)用FMEA 和FMECA 方法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性進(jìn)行分析，同時(shí)指出其存在的缺點(diǎn)，表明從方案設(shè)計(jì)階段開始邊設(shè)計(jì)邊分析，使其貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程才能收到良好效果。

本文將FMECA方法應(yīng)用于航改燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室工程研制階段，通過對(duì)燃燒室硬件功能的分析指出其潛在的故障、風(fēng)險(xiǎn)及危害，為后續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)和測(cè)試檢查等工作提供參考。

1 FMECA方法介紹

FMECA 由故障模式及影響分析（FMEA）和危害性分析（CA）組成，只有在FMEA 的基礎(chǔ)上才能根據(jù)以往故障的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立危害性分析。FMECA 方法可以在產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)使用，根據(jù)不同的階段使用不同的FMECA方法。本文重點(diǎn)考察在工程研制階段的燃燒室結(jié)構(gòu)可靠性，因此選用硬件FMECA方法。

根據(jù)GJB/Z 1391-2006《故障模式、影響及危害性分析指南》的建議，硬件FMECA步驟如圖1所示。

圖1 硬件FMECA步驟[8]

在FMEA階段，首先進(jìn)行系統(tǒng)定義，其目的在于使分析人員能夠有針對(duì)性地對(duì)被分析產(chǎn)品在給定任務(wù)下進(jìn)行所有可能的故障模式、原因和影響分析。根據(jù)產(chǎn)品的硬件特征，確定其可能的故障模式并進(jìn)行分析。

針對(duì)產(chǎn)品故障模式，找出每個(gè)故障產(chǎn)生的原因，進(jìn)而采取有效的改進(jìn)措施。一般從導(dǎo)致故障發(fā)生的物理、化學(xué)等過程中找出直接原因或從外部因素如使用環(huán)境、人為因素等方面找出間接原因。

根據(jù)每個(gè)故障模式產(chǎn)生的最終結(jié)果的嚴(yán)重程度進(jìn)行嚴(yán)酷度分類，為后續(xù)危害性分析提供基礎(chǔ)。故障檢測(cè)方法分析是為產(chǎn)品的維修與測(cè)試性設(shè)計(jì)提供依據(jù)，一般來說針對(duì)潛在的故障模式在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用事前檢測(cè)方法。

設(shè)計(jì)改進(jìn)和使用補(bǔ)償分析的目的是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和使用過程中，對(duì)每種故障模式產(chǎn)生的影響采用消除或減輕措施，從而提高系統(tǒng)可靠性。

以FMEA 為基礎(chǔ)進(jìn)行CA，從而能夠?qū)Ξa(chǎn)品的每種故障模式產(chǎn)生的綜合影響進(jìn)行全面評(píng)估。其常用方法有風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)（Risk Priority Number，RPN）方法及危害矩陣分析方法。

2 燃燒室結(jié)構(gòu)層次及可靠性框圖

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的功能是將燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，將壓氣機(jī)增壓后的高壓空氣加熱到渦輪所需的溫度，進(jìn)入渦輪膨脹作功。

本文所述中等功率燃機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)（如圖2 所示）由燃燒室機(jī)匣外套、機(jī)匣內(nèi)套、火焰筒、帶噴嘴的燃油總管、前封嚴(yán)環(huán)等組成。燃燒室機(jī)匣作為發(fā)動(dòng)機(jī)的主要承力構(gòu)件，承受發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向力、慣性力和氣體壓力等；火焰筒是燃燒室進(jìn)行燃燒的主要場(chǎng)所，承受著高溫的作用；燃油總管和噴嘴的作用是輸送燃油和燃油霧化，保證油氣充分混合和燃燒順利進(jìn)行。

圖2 燃燒室結(jié)構(gòu)

根據(jù)燃機(jī)燃燒室的組成、結(jié)構(gòu)層次關(guān)系來劃分約定層次。初始約定層次為：對(duì)于中等功率燃?xì)廨啓C(jī)，約定層次為燃燒室，最低約定層次為燃燒室的零組件。燃燒室的結(jié)構(gòu)層次和可靠性如圖3、4所示。

圖3 燃燒室結(jié)構(gòu)層次

圖4 燃燒室可靠性

3 燃燒室FMECA

航改燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室為原型，針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的使用環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)。原型機(jī)燃燒室在使用過程中發(fā)生過的故障見表1。

表1 原型機(jī)燃燒室發(fā)生過的故障

3.1 燃燒室機(jī)匣FMECA

燃燒室機(jī)匣由機(jī)匣外套和機(jī)匣內(nèi)套組成，內(nèi)外套均為承力部件，主要承受氣體壓差、氣體軸向力、由機(jī)匣后安裝邊傳入的渦輪機(jī)匣以后各部件的軸向力、扭矩和慣性力等。

采用定性分析法判斷故障模式發(fā)生概率的等級(jí)，其劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2；對(duì)燃燒室機(jī)匣進(jìn)行FMECA，結(jié)果見表3。

表2 故障模式發(fā)生概率等級(jí)

從表3 中可見，燃燒室機(jī)匣的主要故障模式是焊縫開裂和壁面破裂。作為發(fā)動(dòng)機(jī)的主要承力部件之一，其故障發(fā)生的直接后果是喪失承力功能并導(dǎo)致高溫氣體外泄，造成火災(zāi)、人員受傷等嚴(yán)重后果，為避免此類嚴(yán)重事故的發(fā)生，在設(shè)計(jì)與制造燃燒室機(jī)匣時(shí)，應(yīng)對(duì)焊接方法和工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定，對(duì)加工質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

表3 燃燒室機(jī)匣FMECA

3.2 火焰筒FMECA

火焰筒由導(dǎo)流罩、內(nèi)外壁、套筒、擋濺盤、支撐壁及頭部組件組成，是燃料和空氣混合并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放熱量的主要場(chǎng)所，其工作時(shí)受到強(qiáng)烈的熱沖擊和氣動(dòng)力作用，是燃燒室中發(fā)生故障概率較大的部件。對(duì)其進(jìn)行FMECA，見表4。

表4 火焰筒FMECA分析（續(xù)）

表4 火焰筒FMECA分析

在燃燒室工作時(shí)，火焰筒壁面長時(shí)間受到高溫氣流的沖擊，其主燃孔、摻混孔、氣膜孔等開孔的邊緣在熱應(yīng)力的作用下易萌生初始裂紋，隨著使用時(shí)間的增長，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度形成閉合時(shí)就會(huì)造成火焰筒壁面掉塊。掉落的碎塊在氣流的作用下會(huì)對(duì)下游的渦輪部件造成一定的危害；同時(shí)，火焰筒受到的靜力載荷較小，其壁面掉塊并不會(huì)對(duì)燃燒室及整機(jī)的安全性造成嚴(yán)重的危害。因此，在使用過程中定期對(duì)其進(jìn)行孔探儀驗(yàn)視，根據(jù)檢查情況來判斷是繼續(xù)使用還是返廠維修。

3.3 帶噴嘴的燃油總管FMECA

噴嘴和燃油總管組成了燃油噴射系統(tǒng)，其主要功能是對(duì)燃油進(jìn)行霧化，噴嘴的性能穩(wěn)定性對(duì)燃燒室性能有較大影響。對(duì)其進(jìn)行FMECA，結(jié)果見表5。

表5 噴嘴及燃油總管FMECA

對(duì)噴嘴和燃油總管進(jìn)行FMECA 可知，噴嘴的故障模式以油路堵塞和端面積炭為主，主要后果是影響燃燒室的出口溫度分布，進(jìn)而影響渦輪使用壽命。在設(shè)計(jì)和使用過程中應(yīng)采取相應(yīng)的辦法減少故障的發(fā)生。對(duì)于燃油總管，其主要故障模式是管路連接處的焊縫開裂，會(huì)造成燃油泄漏引起火災(zāi)等嚴(yán)重后果，在設(shè)計(jì)及加工、裝配等過程中應(yīng)采取加強(qiáng)焊縫質(zhì)量控制、減少裝配應(yīng)力等措施，保證燃油總管的使用安全。

3.4 前封嚴(yán)環(huán)FMECA

前封嚴(yán)環(huán)的主要作用是與壓氣機(jī)篦齒形成氣流封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，如果發(fā)生故障，則會(huì)造成漏氣，影響整機(jī)效率。對(duì)其進(jìn)行FMECA，結(jié)果見表6。

表6 前封嚴(yán)環(huán)FMECA

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，由于各部件的溫度不同，造成轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件之間的間隙會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的變化而變化，采用金屬片制成的蜂窩結(jié)構(gòu)能夠較好地實(shí)現(xiàn)不同腔體之間的空氣密封。而篦齒磨損造成蜂窩損壞會(huì)在一定程度上影響密封性，因此需要在生產(chǎn)中通過控制加工工藝參數(shù)來保證配合部件間的間隙，減少蜂窩的磨損，保證其密封性。

3.5 危害性矩陣的建立

根據(jù)前述各零組件的FMECA 建立危害性矩陣，如圖5所示。

圖5 危害性矩陣

每種故障模式在OP線上的投影距O 點(diǎn)越遠(yuǎn)則其危害性越大。從圖中可見，代碼為05、07和16的故障模式對(duì)燃燒室系統(tǒng)的危害性最大，其所代表的故障模式分別為火焰筒內(nèi)、外壁壁面掉塊和燃油總管焊縫開裂。分別制定了定期檢查及提高焊縫質(zhì)量、減小裝配應(yīng)力的措施。

4 結(jié)論

（1）火焰筒壁面掉塊及燃油總管焊縫開裂會(huì)對(duì)燃燒室及整機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)完整性和使用安全性造成較大影響，應(yīng)采取相應(yīng)措施降低其發(fā)生概率和嚴(yán)重程度；

（2）針對(duì)發(fā)生故障概率較低及嚴(yán)重程度較低的故障部件可以適當(dāng)降低其設(shè)計(jì)成本；

（3）運(yùn)用FMECA 能夠比較客觀地找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，指出產(chǎn)品的使用維護(hù)方向；

由于產(chǎn)品的歷史使用數(shù)據(jù)不多，因此不能建立更為準(zhǔn)確的定量危害性矩陣，在今后的使用過程中需要積累更豐富的數(shù)據(jù)，從而更精確地建立可靠性模型。