某發動機燃油泄漏故障研究

馬安權 黃小衛

摘要：基于某型航空發動機結構及表面完整性要求，通過對本次燃油泄漏故障的機理進行研究，提出了同類結構及表面完整性維修改進設計要點。

關鍵詞：發動機；燃油導管；泄漏；卡箍；襯套

Keywords：engine；fuel pipe；leakage；clamp；bush

0 引言

某型發動機在役使用過程中發生一起燃油泄漏故障，危及飛行安全。經在翼檢查發現，發動機高壓燃油泵至高壓燃油過濾器間燃油導管卡箍固定處管壁磨穿，導致燃油泄漏。為進一步明晰故障機理，杜絕同類故障再次發生，對故障部位導管、卡箍及銅襯套的安裝狀態、磨損情況進行了宏觀檢查，對故障機理進行了系統研究，并對維修技術進行了設計改進。

1 故障模式

某飛機進行跨晝夜飛行，再次出動前檢查發現右發動機艙下部燃油滲漏。進一步檢查發現，右發動機高壓燃油泵出口導管卡箍松動（見圖1），導管與卡箍存在異常磨損，銅襯套與機匣相鄰弧面嚴重磨損（缺失近1/3），導管與機匣相鄰弧面磨穿（見圖2），導致高壓燃油嚴重泄漏，危及飛行安全。

2 故障機理分析

根據故障發動機返廠檢查情況，從結構完整性設計、制造、維修、使用和維護等方面進行了系統梳理，結合其工作特點進行分析，具體如下。

2.1 導管裝配結構設計要求

1）利用“卡箍、銅襯套、導管同軸度控制點1”處的卡箍定位點間距離等結構尺寸及其與導管軸線安裝角度，控制三者間的同軸度，以降低安裝應力，其中導管與卡箍同軸度要求不大于2.0mm，安裝到位后，卡箍上下兩部分對接部位基本平齊、無明顯錯位。

2）以“導管固定支點與導管軸線相對位置關系控制點2”作為剛性固定支點，利用附件機匣阻尼作用降低發動機工作過程中的導管振動應力。

3）利用厚度1mm的M3（軟態）（俄方選材，對應國產T3（軟態）紫銅，國內同類件設計選材提升為紫銅T2（軟態））銅襯套良好的延展性和較低的抗拉強度特性，在預期的裝配應力下易變形，以達到對卡箍和導管配合間隙局部不均勻的補償效能，使三者間形成理想的約束狀態（充分接觸、小緊度配合），工作時不產生相對運動。

4）導管選材對應國產1Gr18Ni9Ti的Φ12×0.8無縫鋼管，其具有較好的彈性和延展性，可進行冷彎校形。根據發動機通用設計準則，該導管為無圖樣設計，制造時根據發動機裝配實樣進行彎管制作標準樣件，因此其外形空間幾何尺寸設計時無準確定義，允許裝配時進行局部冷彎校形或更換以滿足裝配要求。

5）卡箍選材對應國產1Gr11NiW-2MoV鋼板，成型厚度為2mm。

2.2 導管、卡箍、銅襯套維修、裝配設計

參照發動機結構、表面完整性要求，核查該型發動機維修設計輸出的大修指南及使用維護說明書等文獻，發現存在以下不足：

1）未針對銅襯套材質及該部位工作易產生冷作硬化的特點將其規定為必換件，也未明確要求對銅襯套進行退火軟化、光亮處理。

2）卡箍修理技術要求僅定義為無明顯變形及外觀損傷，對其外觀尺寸無明確檢查要求，也無標準樣件對比進行校形及驗收要求。

3）對導管僅有外觀明顯機械損傷、焊縫無損檢查及壓力密封檢查要求，無外形空間尺寸標準樣件比對檢查要求。

4）對裝配狀態下銅襯套與卡箍、導管的約束配合無明確規定。

5）導管、銅襯套、卡箍間磨損應力閾值和實際工作中產生的磨損應力未經詳細分析計算、驗證。

2.3 故障機理分析

通過對故障關聯件的裝配狀態、失效模式、失效形貌等宏觀查驗和外形尺寸測量，參照故障導管、卡箍和銅襯套及最終組合狀態的結構和表面完整性設計要求，對故障原因進行分析。

1）裝配狀態未達到設計預期

最終裝配狀態下，導管外壁與銅襯套之間或銅襯套與卡箍之間存在不合理的間隙，導致發動機工作時因必然存在的振動激勵而產生相對運動，造成接觸面發生微動磨損。隨著工作時間的增加，接觸面間隙逐漸變大，逐步演變為異常碰磨，直至將接觸部位銅襯套磨穿，隨后使卡箍與導管直接碰磨，加速了導管磨損進程，最終磨穿失效。

2）導管外形問題

發動機外形尺寸多采用自由公差，對導管的空間幾何尺寸（即外形尺寸）精度等級要求較低，裝配時允許對導管的空間尺寸校形或更換導管進行匹配調整。該臺發動機存在裝配時導管空間尺寸不合理，未按要求進行校形或選配，導致卡箍與導管的同軸度大于2mm，裝配應力過大；同時造成導管、卡箍和銅襯套的裝配狀態未能達到設計預期的約束要求，裝配后狀態檢查驗收也未發現卡箍、銅襯套、導管間局部存在的不合理間隙，致使發動機工作時因振動造成導管、卡箍和銅襯套間產生微動磨損。

3）卡箍維修設計不足

該發動機裝配時，卡箍變形超出預期，使之對導管、銅襯套定位約束性能下降。

4）銅襯套維修設計不足

該發動機裝配時，銅襯套在上次工作中已發生了冷作硬化，未進行退火軟化、光亮處理，硬度及抗拉強度大幅增加，在相同的裝配約束應力下大大降低了其變形填充補償功效，降低了導管、卡箍和銅襯套的預期約束效果，導致發動機工作時因振動激勵產生的磨損應力超出了導管及銅襯套的磨損應力閾值，產生異常磨損。

5）裝配過程控制要求設計不足

最終裝配技術狀態控制點的選擇及驗收標準設計不足，不能有效確保裝配質量。

3 維修設計改進

基于上述分析，為確保同類安裝部位的預期約束效果，應從以下幾方面對維修性設計進行改進。

1）建立導管外形標準樣件，完善檢查要求。

2）制定卡箍外形標準樣件或變形修復檢查樣板。

3）對使用過的銅襯套進行退火軟化、光亮處理。

4）細化裝配過程控制要點及驗收標準。

作者簡介

馬安權，工程師，研究方向為航空發動機維修設計與管理。

黃小衛，工程師，研究方向為航空發動機維修設計。