航改燃氣輪機燃燒室故障模式、影響及危害性分析

朱 濤

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

燃燒室作為燃氣輪機的核心部件，其工作可靠性對整機的使用安全及壽命有重要影響。燃燒室在工作時受到高溫氣流的熱沖擊和整機的振動影響，在熱應力、蠕變應力和振動應力的交互作用下發生故障的概率較高。采用傳統方法只能對已經發生的故障提出相對應的解決措施，如果燃燒室的結構及其使用環境發生重大改變則存在因歷史數據覆蓋不全面而造成對故障的遺漏和誤判。同時傳統故障分析方法不能全面地考察系統及組成系統的各功能單元之間的邏輯關系及判斷單元故障對系統產生影響的程度，且存在人為因素的干擾，導致判斷結果具有較大的差異性。

在大量經驗積累的基礎上，在20 世紀50 年代初期，美國格魯曼公司在海軍飛機操縱系統的設計研制中提出了故障模式及影響分析（Failure Mode and Ef?fects Analysis，FMEA）方法。FMEA 是一種定性分析法，在其基礎上增加危害性分析（Criticality Analysis，CA）才能對故障模式進行定量分析，形成故障模式、影響及危害性分析（Failure Mode，Effects and Criticali?ty Analysis，FMECA）方法。60 年代美國航空航天局在進行小批量、高費用而又缺少歷史使用數據的產品開發過程中應用FMECA 方法保證了系統的可靠性。此后，FMECA 方法被各工業領域所引入，成為可靠性設計的重要方法。

航空發動機作為技術難度較大的工業產品，在其設計過程中也早已引入FMECA方法來提高產品可靠性。羅澤明等總結了FMECA的研究現狀，分析了可靠性評估的方法和關鍵問題；苗雨奇介紹了FMECA在航空發動機研制中的應用和工作方法，并對某系列發動機快卸環故障進行分析，表明采用FMECA 能夠全面考慮零部件失效模式，針對危害程度高的故障進行改進能夠有效提高系統可靠性；曹茂國等應用FMEA 和FMECA 方法對航空發動機可靠性進行分析，同時指出其存在的缺點，表明從方案設計階段開始邊設計邊分析，使其貫穿整個設計過程才能收到良好效果。

本文將FMECA方法應用于航改燃氣輪機燃燒室工程研制階段，通過對燃燒室硬件功能的分析指出其潛在的故障、風險及危害，為后續的維護保養和測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 的基礎上才能根據以往故障的統計數據建立危害性分析。FMECA 方法可以在產品全壽命周期內使用，根據不同的階段使用不同的FMECA方法。本文重點考察在工程研制階段的燃燒室結構可靠性，因此選用硬件FMECA方法。

根據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，首先進行系統定義，其目的在于使分析人員能夠有針對性地對被分析產品在給定任務下進行所有可能的故障模式、原因和影響分析。根據產品的硬件特征，確定其可能的故障模式并進行分析。

針對產品故障模式，找出每個故障產生的原因，進而采取有效的改進措施。一般從導致故障發生的物理、化學等過程中找出直接原因或從外部因素如使用環境、人為因素等方面找出間接原因。

根據每個故障模式產生的最終結果的嚴重程度進行嚴酷度分類，為后續危害性分析提供基礎。故障檢測方法分析是為產品的維修與測試性設計提供依據，一般來說針對潛在的故障模式在設計時應盡量采用事前檢測方法。

設計改進和使用補償分析的目的是在產品設計和使用過程中，對每種故障模式產生的影響采用消除或減輕措施，從而提高系統可靠性。

以FMEA 為基礎進行CA，從而能夠對產品的每種故障模式產生的綜合影響進行全面評估。其常用方法有風險優先系數（Risk Priority Number，RPN）方法及危害矩陣分析方法。

2 燃燒室結構層次及可靠性框圖

燃氣輪機燃燒室的功能是將燃油的化學能轉變為熱能，將壓氣機增壓后的高壓空氣加熱到渦輪所需的溫度，進入渦輪膨脹作功。

本文所述中等功率燃機燃燒室結構（如圖2 所示）由燃燒室機匣外套、機匣內套、火焰筒、帶噴嘴的燃油總管、前封嚴環等組成。燃燒室機匣作為發動機的主要承力構件，承受發動機的軸向力、慣性力和氣體壓力等；火焰筒是燃燒室進行燃燒的主要場所，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行。

圖2 燃燒室結構

根據燃機燃燒室的組成、結構層次關系來劃分約定層次。初始約定層次為：對于中等功率燃氣輪機，約定層次為燃燒室，最低約定層次為燃燒室的零組件。燃燒室的結構層次和可靠性如圖3、4所示。

圖3 燃燒室結構層次

圖4 燃燒室可靠性

3 燃燒室FMECA

航改燃氣輪機燃燒室以某航空發動機燃燒室為原型，針對燃氣輪機的使用環境進行適應性改進。原型機燃燒室在使用過程中發生過的故障見表1。

表1 原型機燃燒室發生過的故障

3.1 燃燒室機匣FMECA

燃燒室機匣由機匣外套和機匣內套組成，內外套均為承力部件，主要承受氣體壓差、氣體軸向力、由機匣后安裝邊傳入的渦輪機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生概率的等級，其劃分標準見表2；對燃燒室機匣進行FMECA，結果見表3。

表2 故障模式發生概率等級

從表3 中可見，燃燒室機匣的主要故障模式是焊縫開裂和壁面破裂。作為發動機的主要承力部件之一，其故障發生的直接后果是喪失承力功能并導致高溫氣體外泄，造成火災、人員受傷等嚴重后果，為避免此類嚴重事故的發生，在設計與制造燃燒室機匣時，應對焊接方法和工藝參數進行嚴格規定，對加工質量進行嚴格控制。

表3 燃燒室機匣FMECA

3.2 火焰筒FMECA

火焰筒由導流罩、內外壁、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生化學反應釋放熱量的主要場所，其工作時受到強烈的熱沖擊和氣動力作用，是燃燒室中發生故障概率較大的部件。對其進行FMECA，見表4。

表4 火焰筒FMECA分析（續）

表4 火焰筒FMECA分析

在燃燒室工作時，火焰筒壁面長時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力的作用下易萌生初始裂紋，隨著使用時間的增長，當裂紋擴展到一定程度形成閉合時就會造成火焰筒壁面掉塊。掉落的碎塊在氣流的作用下會對下游的渦輪部件造成一定的危害；同時，火焰筒受到的靜力載荷較小，其壁面掉塊并不會對燃燒室及整機的安全性造成嚴重的危害。因此，在使用過程中定期對其進行孔探儀驗視，根據檢查情況來判斷是繼續使用還是返廠維修。

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，其主要功能是對燃油進行霧化，噴嘴的性能穩定性對燃燒室性能有較大影響。對其進行FMECA，結果見表5。

表5 噴嘴及燃油總管FMECA

對噴嘴和燃油總管進行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，進而影響渦輪使用壽命。在設計和使用過程中應采取相應的辦法減少故障的發生。對于燃油總管，其主要故障模式是管路連接處的焊縫開裂，會造成燃油泄漏引起火災等嚴重后果，在設計及加工、裝配等過程中應采取加強焊縫質量控制、減少裝配應力等措施，保證燃油總管的使用安全。

3.4 前封嚴環FMECA

前封嚴環的主要作用是與壓氣機篦齒形成氣流封嚴結構，如果發生故障，則會造成漏氣，影響整機效率。對其進行FMECA，結果見表6。

表6 前封嚴環FMECA

在發動機運行過程中，由于各部件的溫度不同，造成轉動部件和靜止部件之間的間隙會隨著發動機狀態的變化而變化，采用金屬片制成的蜂窩結構能夠較好地實現不同腔體之間的空氣密封。而篦齒磨損造成蜂窩損壞會在一定程度上影響密封性，因此需要在生產中通過控制加工工藝參數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 點越遠則其危害性越大。從圖中可見，代碼為05、07和16的故障模式對燃燒室系統的危害性最大，其所代表的故障模式分別為火焰筒內、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量、減小裝配應力的措施。

4 結論

（1）火焰筒壁面掉塊及燃油總管焊縫開裂會對燃燒室及整機的性能、結構完整性和使用安全性造成較大影響，應采取相應措施降低其發生概率和嚴重程度；

（2）針對發生故障概率較低及嚴重程度較低的故障部件可以適當降低其設計成本；

（3）運用FMECA 能夠比較客觀地找出系統的薄弱環節，指出產品的使用維護方向；

由于產品的歷史使用數據不多，因此不能建立更為準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據，從而更精確地建立可靠性模型。