航空發動機加力燃燒室內錐組件故障原因分析

【摘 要】文章首先針對故障臺份發動機的內錐組件進行檢查，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錐組件的設計、制造情況進行復查，分析相關零部件是否存在設計不合理和制造質量問題，最后根據復查情況建立故障樹，并對故障樹的底端事件進行逐一分析排查，進而得到燃燒室內錐組件的故障原因。

【關鍵詞】航空發動機；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

某型航空發動機在車臺進行PFRT（初始壽命）試車，停車例行檢查時發現發動機加力燃燒室的內錐體組件（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象開展設計工藝復查、故障原因分析等研究工作，為后續針對故障問題制定糾正措施提供依據。

1 故障件檢查

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

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

（2）對拆下的錐底檢查發現其外緣沿圓周方向已產生嚴重的“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處螺栓孔均變為長圓孔，且孔邊緣外側存在較深的與螺栓頭擠壓、磨損痕跡。

（3）對拆下的螺栓檢查，發現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量和燒蝕嚴重的程度與發動機工作時間和加力工作時間存在直接聯系，有必要結合已有的部件故障現象從設計角度出發開展深入的分析研究。

2 設計情況及制造質量復查

2.1 內錐組件結構[1]

在結構上內錐組件通過21件螺栓由安裝邊固定于渦輪后支撐內機匣上，為便于拆裝錐體設計為分段結構，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成內錐體組件，組件最大外輪廓為φ418 mm，總長為588 mm，內錐組件主要構件材料為高溫合金[2]，為確保中心錐組件在高溫環境下可靠地工作，在錐體壁面垂直法線的方向上開設了φ0.8 mm的氣模冷卻孔。由于內錐體本身置于高溫燃氣環境中工作，其軸向及周向溫度梯度影響最為顯著，極易導致變形、裂紋和燒蝕，并受高溫熱燃氣腐蝕作用[3]。

2.2 實物狀態及制造質量復查

設計人員在現場分別對001、002、003、004臺份內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量的主要尺寸進行實測，實際結果與設計圖紙要求相符。

經過復查，第004臺份發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。內錐體及下屬零組件未辦理過不合格品審理單、代料單和設計偏離文件，內錐組件實物狀態符合設計圖紙要求，產品無制造質量問題。

3 故障樹梳理

本節針對錐底螺栓斷裂、錐底屈曲變形和孔邊開裂故障進行了故障樹梳理，故障分析過程中發掘鎖緊墊圈燒蝕、螺栓斷裂、錐底螺栓孔開裂間的關系，從設計、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 結論

通過對三類故障相關底事件的梳理、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快，在內錐錐底燃燒回流區前移導致錐底尾部位置局部回火燃燒，錐底工作環境溫度過高且不均勻，導致錐底熱應力過大，且長期高溫環境中由于材料屈服強度下降而發生蠕變翹曲。錐底在熱應力和蠕變翹曲的綜合作用下沿孔邊產生裂紋并開裂。

（2）螺栓故障件發生彎曲、縮頸現象，表明材料在工作溫度下，屈服強度已發生大幅度降低，導致零件發生塑性變形，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，導致其發生沿晶斷裂。

參 考 文 獻

[1]劉風坤，賈赟.航空發動機高壓渦輪轉子試驗段靜強度研究[J].中國設備工程，2017（12）.

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

[3]陳光.航空燃氣渦輪發動機結構設計[M].北京：北京航空學院出版社，1987.

[責任編輯：陳澤琦]