某型航空發動機混合器連接螺釘斷裂故障分析與預防

王錦邦 杜紅喜 董永耀 蔡震

摘要：某型航空發動機外場使用過程中混合器連接螺釘發生斷裂。通過對斷裂螺釘進行金相檢查，從發動機結構、裝配、修理流程等方面進行分析，確定了螺釘斷裂原因與相關影響因素，制定了相應的改進措施。

關鍵詞：航空發動機;螺釘;斷裂

1 故障現象描述

某型航空發動機在外場使用過程中，突發混合器連接螺釘斷裂故障，斷裂螺釘如圖1所示。該螺釘為高溫合金制造（GH738），表面鍍銀，單機共裝32件，用以固定帶支撐環的混合器和渦輪后機匣，螺釘擰緊后用鎖片進行保險。

如果發動機工作過程中該螺釘斷裂，斷裂的螺釘會隨高速氣流向后吹出，極易打傷后部加力燃油管，造成發動機損毀，若卡在可調噴口內會導致噴口調節機構受阻，并且螺釘斷裂會導致混合器安裝邊受力不均，在高溫、振動的工況下使更多的螺釘出現裂痕，可能出現嚴重的飛行事故。

2 故障原因分析

2.1 螺釘斷裂的原因分析

該螺釘斷裂處位于距螺紋根部的第2～3螺紋處，斷裂處表面有黑色物質，斷口一側呈高溫氧化色，其邊緣呈弧形的銀白色，該螺釘斷口宏觀形貌見圖2。

通過對斷裂螺釘進行金相檢查，對螺釘斷口進行了斷口形態分析，發現在斷口處出現了韌窩特征，韌窩特征如圖3，說明螺釘的斷裂屬于過載性質。

對螺釘斷口邊緣銀白色區域進行能譜分析，結果顯示該銀白色區域主要含銀元素。

分析螺釘的制造、使用過程，發現該螺釘在使用前需要經過鍍銀工序，由此分析認為銀元素是由于螺釘鍍銀時帶入，說明螺釘在鍍銀前已經開裂，即該螺釘裝機時已經存在裂紋，裝機后在高溫、振動工況下裂紋生長，最終導致斷裂。

2.2 缺陷螺釘裝機的原因分析

采用熒光檢測的方法對修理工序檢查過的螺釘進行復查，檢測出仍有部分螺釘存在裂紋。

經分析，為防止高溫燒結，螺釘安裝前在螺紋表面涂高溫石墨潤滑脂。而在修理工序時，由于螺釘表面有難以清洗的黑色石墨潤滑脂，按原工藝僅用放大鏡目視檢查，難以發現螺釘是否有損傷，致使存在裂紋缺陷的螺釘流入裝配工序。

2.3 裂紋產生的原因分析

分析存在缺陷的螺釘斷裂點，發現較多螺釘裂紋在距螺紋根部第2、第3螺紋處，認為在此處螺釘受到剪切應力。

分析發動機結構，螺釘連接部位有渦輪后機匣與外流道板，外流道板裝配在后機匣上，通過下方卡槽與上方凸出的銷子進行定位，流道板裝配示意圖如圖4所示。

檢查裝配過程，在螺釘裝配時發現部分后機匣上的外流道組件已經遮擋螺釘孔，如圖5所示，螺釘裝配后流道板必會貼靠螺釘。

當發動機運轉時，此處的溫度（即渦輪后溫度）在中間狀態不高于785℃，加力狀態不高于800℃，流道板與螺釘受熱膨脹，在高溫、振動工況下，螺釘受到剪切力作用，從而引發裂紋。

基于UG三維軟件，建立螺釘的有限元分析實體模型。考慮溫度影響，在最高溫度800℃的工況下對螺釘進行ANSYS模擬仿真，螺釘的仿真形變圖證實了螺釘裂紋的產生原因，如圖6所示。

3 改進措施

3.1 改良螺釘檢查方法

由于螺釘表面有黑色石墨潤滑脂，目視檢查難以發現螺釘的裂紋損傷，經分析研究，采取增加熒光工序的方式來改良螺釘檢查方法。修理工序對分解下來的螺釘進行清洗，檢查螺釘外觀后送至熒光工序進行熒光檢測，對檢測出裂紋的螺釘做報廢處理，未發現故障的螺釘送入下工序。

3.2 裝配時保證同心度

分析發動機結構與裝配過程，由于流道板已事先裝在渦輪后機匣上，故制作了一種有導正作用的定位銷軸來保證同心度，銷軸實物如圖7所示。

當定位銷軸通過混合器上的安裝孔旋入后機匣螺釘孔時，銷軸上的過度段就會對位于后機匣和混合器之間的流道板起到導正作用，遮擋螺釘孔的外流道板可被校正，此時混合器安裝孔、渦輪后機匣安裝孔（含外流道組件安裝孔）的同心度大幅提升，螺釘可自由擰入渦輪后機匣安裝孔，銷軸使用前后效果對比如圖8所示。

實行了上述兩項措施后，經長期驗證，螺釘斷裂故障率降低至0%。

4 總結

經過對該型發動機混合器連接螺釘斷裂故障進行原因分析與措施改進，可以看出，螺釘出現裂紋的原因為機件裝配時不同心，以至高溫時螺釘受到剪切力。特別是流道板裝配與混合器裝配分處兩個工序，同心度控制方法與要求不統一。新設計的定位銷軸則在混合器裝配時進行導正，保證裝配時混合器安裝孔、渦輪后機匣安裝孔、外流道組件安裝孔同心，預防了連接螺釘斷裂故障的發生。