航空發(fā)動機(jī)燃油分管斷裂故障分析

田中禮，王少波，曹 陽，柴 昕，李春野，邊 際，朱 宇

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所 燃燒設(shè)計研究室，沈陽 110015)

航空發(fā)動機(jī)被譽(yù)為工業(yè)皇冠上的明珠、飛機(jī)的心臟，其故障直接影響飛機(jī)的性能和安全性。航空發(fā)動機(jī)的故障形式有很多，其中一部分是由管路的裂紋或斷裂引起的。近年來航空發(fā)動機(jī)及地面燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室研制的經(jīng)驗(yàn)表明，航空發(fā)動機(jī)主燃燒室管路故障主要發(fā)生在釬焊結(jié)構(gòu)形式的燃油總管上，有3種故障模式，分別為燃油分管裂紋或斷裂、釬焊套管裂紋或斷裂和三通接頭裂紋或斷裂。后面2種故障為早期故障模式，2011年以后幾乎不再發(fā)生。近年來，航空發(fā)動機(jī)主燃燒室燃油總管故障主要集中在燃油分管上，即燃油分管裂紋或斷裂。燃油分管是主燃燒室的重要件之一，其功能是為主燃燒室供油。使用中，如果燃油分管發(fā)生裂紋或斷裂等故障，輕者會導(dǎo)致燃油泄露、噴嘴供油不足、發(fā)動機(jī)性能降低等問題，重者會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停車、失火等危險性后果。造成燃油分管裂紋或斷裂故障的原因，有很大一部分是沒有控制好初始裝配應(yīng)力，在工作過程中受到振動應(yīng)力作用發(fā)生的疲勞斷裂。

國內(nèi)外多位研究人員對燃油管路的故障原因進(jìn)行了深入的分析工作。Sorokin等[1]以燃油管路為分析對象，對管路的動態(tài)、靜態(tài)特征進(jìn)行了闡述。張杰等[2]對發(fā)動機(jī)燃油管路系統(tǒng)故障診斷方法進(jìn)行了總結(jié)。李哲洙等[3]提出用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法(Empirical Mode Decomposition,EMD)和希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform,HHT)方法的燃油管路裂紋的故障診斷方法，較為真實(shí)地反映了有裂紋燃油管路的頻率和幅值分布情況。鄒炳燕等[4]認(rèn)為分析鋼材管路需要選擇合適的焊接工藝，可以有效地避免產(chǎn)生焊接裂紋并影響管路強(qiáng)度。楊同光等[5]提出一種分形理論的故障診斷方法，可以有效地診斷出航空燃油管路有無裂紋故障，同時能夠識別早期裂紋故障。目前，國內(nèi)在航空發(fā)動機(jī)燃油管路的研制中，主要采用增加卡箍、優(yōu)化管形、優(yōu)化焊接工藝等方法。

本文針對某型航空發(fā)動機(jī)主燃燒室燃油分管在試飛過程中發(fā)生的斷裂故障進(jìn)行分析，確定故障位置及原因，并制定相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 故障現(xiàn)象描述

2019年12月23日，某型飛機(jī)左發(fā)更換噴口作動筒時，檢查發(fā)現(xiàn)外涵機(jī)匣漏油。對主燃油管打壓，發(fā)現(xiàn)主燃油管順航向10點(diǎn)鐘方向的燃油分管存在漏油情況。發(fā)動機(jī)返廠后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)燃油總管有一處分管斷裂，斷裂部位位于20號燃油分管錐面接嘴的轉(zhuǎn)接R處，具體斷裂位置如圖1所示。

圖1 燃油分管斷裂位置示意圖

2 故障分析

2.1 故障定位及故障樹分析

通過現(xiàn)場檢查，僅該處燃油分管出現(xiàn)斷裂故障，其余燃油分管未見異常。燃油分管斷裂為原發(fā)故障，是該故障的頂事件。

針對該燃油分管斷裂故障，分析故障件設(shè)計、生產(chǎn)加工、檢驗(yàn)、裝配和試車的全流程，找出所有可能造成故障的因素，形成故障結(jié)構(gòu)樹[6-7]，如圖2所示，用于指導(dǎo)排故工作和分析故障原因。

圖2 燃油分管斷裂故障樹

根據(jù)故障現(xiàn)象及故障樹，通過故障件斷口分析、管路設(shè)計分析、設(shè)計復(fù)查、動應(yīng)力測試、生產(chǎn)裝配工藝復(fù)查、軟件與試車過程復(fù)查等確定故障原因。

2.2 斷口分析

燃油分管斷裂宏觀形貌如圖3所示。從圖3可以看出，斷裂部位無明顯塑性變形，斷口顏色為銀灰色，斷口表面磨蹭嚴(yán)重，斷口一側(cè)平坦，另一側(cè)有臺階，從斷口的宏觀特征初步判斷燃油分管斷裂為疲勞斷裂。

圖3 燃油分管端口宏觀形貌

燃油分管接嘴錐面內(nèi)部可見不對稱的磨損痕跡，分析認(rèn)為是由裝配時接頭與噴嘴軸線不對正引起的，如圖4所示。

圖4 接嘴錐面內(nèi)部磨損痕跡形貌

將端口放入掃描電鏡中進(jìn)一步放大觀察，斷口磨損嚴(yán)重，已無法觀察形貌，但可見線源起始特征，表明疲勞起始應(yīng)力較大，如圖5所示。斷口上未見明顯的瞬斷特征，只是在源區(qū)對面的斷口上發(fā)現(xiàn)一段反向疲勞弧線，進(jìn)一步說明斷口為疲勞斷口，如圖6所示。斷口上未見材質(zhì)冶金缺陷，可以排除底事件7。

圖5 斷口源區(qū)磨損形貌

圖6 端口疲勞形貌

2.3 管路設(shè)計分析

2.3.1 管路材料分析

一般而言，燃燒室管路可優(yōu)選0Cr18Ni9、GH625、GH536等常用材料[8]。燃油分管材料為GH625合金管材，其余各零件為GH625合金熱軋或鍛制棒材，釬焊焊料為BNi82CrSiB，均為成熟材料。依據(jù)材料手冊[9]，GH625的拉伸性能σb=830 MPa，拉伸率δs=30%，從低溫到980 ℃ 均具有良好的拉伸性能和疲勞性能。釬焊焊料BNi82CrSiB的固相線溫度為970 ℃,液相線溫度為1 000 ℃，遠(yuǎn)高于主燃油總管的最高工作環(huán)境溫度(492.8 ℃)，可以排除底事件1。

2.3.2 管路剛性分析

一般而言，燃油管路的直徑應(yīng)保證管路內(nèi)的燃油流速不能過大，以免產(chǎn)生太大的流阻損失，使燃油泵負(fù)荷過大；燃油管路內(nèi)流阻可通過試驗(yàn)或計算方法確定[10]；燃油管路直徑不宜過大，但要保證足夠的強(qiáng)度及剛度。在管路設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)其使用條件以及所選擇的材料選擇適當(dāng)?shù)谋诤馵8]。燃油管路材料為GH625管材，總管規(guī)格為φ16×1 mm，分管規(guī)格為φ6×0.8 mm。該結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)通過大量長試、試飛考核驗(yàn)證。

對于燃油分管的設(shè)計，在提高剛性的技術(shù)措施上還加入了卡箍的應(yīng)用?？ü吭诠潭ê桶惭b航空發(fā)動機(jī)管路、導(dǎo)線和電纜等方面[11]有廣泛應(yīng)用。用于支撐管路的卡箍具有調(diào)節(jié)管路固有頻率和降低管路振動應(yīng)力的功能，是改善管路系統(tǒng)動態(tài)特性的有效手段[12-14]。每個燃油分管上裝有2個雙聯(lián)卡箍，卡箍與分管間裝有金屬毛氈以減少兩者間的磨損增大阻尼，卡箍組件剛性較大，可以排除底事件3。

2.3.3 管形分析

黃燕等[15]、陳志英等[16]、李中祥[17]、樊江等[18]分別介紹了管路數(shù)字化設(shè)計的一些方法。燃油分管管形設(shè)計中運(yùn)用了3D技術(shù)，在計算機(jī)內(nèi)進(jìn)行精確的三維建模并對管路進(jìn)行排布，可以準(zhǔn)確地了解空間位置、形狀尺寸，提高設(shè)計成功率[19]。為了加強(qiáng)燃油分管的變形協(xié)調(diào)能力，在管形設(shè)計上還增加了4處折彎；管路連接上，采用長分管設(shè)計以提高變形協(xié)調(diào)能力，1號分管接2號噴嘴，2號分管接3號噴嘴，依次類推。經(jīng)熱態(tài)尺寸變形協(xié)調(diào)分析，燃油分管上因熱膨脹引起的最大應(yīng)力為300 MPa，滿足需求，可以排除底事件4，如圖7所示。

圖7 熱不協(xié)調(diào)引起的應(yīng)力分布

2.4 設(shè)計復(fù)查

燃油分管裝配如圖8所示。A處為總管支架，為鉸鏈結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)熱膨脹協(xié)調(diào)。為保證燃油分管與燃油噴嘴的裝配，對B處提出了以下幾個技術(shù)要求：(1)對燃油分管進(jìn)行校形以盡可能保證分管接嘴與噴嘴對正；(2)裝配時在螺母和接嘴壓緊面涂潤滑油以減小摩擦力帶來的扭轉(zhuǎn)力矩；(3)限制外套螺母擰緊力矩值。C處對卡箍進(jìn)行分組設(shè)計，管距分別為18.5、19、19.5、20、20.5 mm，裝配時對兩分管實(shí)際間距選配卡箍，有效地減小了裝配應(yīng)力。

圖8 燃油分管裝配示意圖

理論上，當(dāng)20個燃油分管管接嘴與噴嘴接嘴完全對心時，其裝配應(yīng)力最小。受結(jié)構(gòu)條件限制以及尺寸公差、裝配誤差等影響，達(dá)到上述要求幾乎是不可能的，但可以采取相關(guān)技術(shù)和工藝措施對裝配應(yīng)力進(jìn)行控制。在燃油總管設(shè)計過程中，針對裝配應(yīng)力制定了一系列控制和改進(jìn)措施，從設(shè)計角度來看，發(fā)動機(jī)燃油分管的控制措施是可行和有效的，可以排除底事件2和5。

2.5 動應(yīng)力測試

動應(yīng)力測試結(jié)果如表1所示。動應(yīng)力測量得到的頻率值為振動響應(yīng)應(yīng)力峰值頻率，但無法辨認(rèn)出是共振引起還是受迫振動引起，無法排除底事件12。

表1 動應(yīng)力測試統(tǒng)計結(jié)果

2.6 生產(chǎn)裝配與工藝復(fù)查

制造廠與裝配廠對燃油分管的制造工藝、裝配工藝、裝配工裝進(jìn)行復(fù)查，未發(fā)現(xiàn)異常問題，可以排除底事件6、9及10。

結(jié)合故障件斷口分析結(jié)果，即疲勞為線源起始，表明疲勞起始應(yīng)力較大。根據(jù)宏觀觀察，分管接嘴內(nèi)部可見不對稱的磨損痕跡，應(yīng)為裝配時接頭與噴嘴軸線不正導(dǎo)致的，裝配不正會存在裝配應(yīng)力，這可能是疲勞起始應(yīng)力較大的來源，設(shè)計人員認(rèn)為燃油總管接嘴斷裂與裝配應(yīng)力較大有關(guān)，無法排除底事件11。

2.7 零件超差與振動復(fù)查

對故障件質(zhì)量卷宗進(jìn)行復(fù)查，未見相關(guān)不合格品呈報；復(fù)查試車數(shù)據(jù)，發(fā)動機(jī)未出現(xiàn)明顯振動現(xiàn)象，可以排除底事件8和13。

3 故障機(jī)理分析

針對與故障相關(guān)的2個底事件，對燃油分管斷裂故障原因進(jìn)行分析。

(1)裝配時，燃油分管錐面接嘴與噴嘴是無法完全對正的，通常存在一定的偏移量，無法完全對正的情況下錐面接嘴和噴嘴連接后必然存在一定的裝配應(yīng)力。

(2)燃油分管結(jié)構(gòu)設(shè)計上無法設(shè)置反力矩結(jié)構(gòu)，在擰緊外套螺母的過程中，會在分管和接嘴上產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)力。

(3)燃油分管和燃油總管位于外涵通道內(nèi)，氣流溫度較低，在工作中管路內(nèi)為高速流動的燃油，溫度也較低；主燃燒室機(jī)匣受到壓氣機(jī)后的高溫氣流，主燃燒室機(jī)匣和燃油總管之間的溫差為300 ℃左右，兩者之間存在較大的徑向膨脹差，雖然在結(jié)構(gòu)設(shè)計上可以通過燃油分管的變形進(jìn)行協(xié)調(diào)和補(bǔ)償，但在工作中依然會因?yàn)榇嬖跓崤蛎浂a(chǎn)生熱應(yīng)力。

(4)燃油分管和燃油總管在工作中受振動影響還會產(chǎn)生一定的振動應(yīng)力。

其中，裝配應(yīng)力始終存在，可以通過優(yōu)化裝配工藝進(jìn)行控制。對于扭轉(zhuǎn)力，在外套螺母擰緊過程中，在端面涂滑油以降低摩擦力，由于實(shí)際摩擦力較小，裝配中也未發(fā)生過因外套螺母擰緊力矩引起的管路變形。熱膨脹應(yīng)力是工作中相關(guān)構(gòu)件溫差引起的，在結(jié)構(gòu)尺寸限定的情況下，各燃油分管熱應(yīng)力基本一致且無法消除；故障件所屬燃油總管工作時數(shù)458 h 51 min，工作時數(shù)較長，共振可能性較小。

綜上分析認(rèn)為，燃油分管斷裂的故障機(jī)理為裝配帶來較大的初始應(yīng)力，在發(fā)動機(jī)工作中，裝配應(yīng)力和熱膨脹應(yīng)力疊加后導(dǎo)致較大的靜應(yīng)力，在發(fā)動機(jī)振動條件下產(chǎn)生疲勞斷裂。

4 改進(jìn)措施及驗(yàn)證

4.1 改進(jìn)措施

針對故障原因及復(fù)查問題，制定排故措施如下：

(1)改變?nèi)加头止芎附臃绞?，?yōu)化管形設(shè)計，對局部結(jié)構(gòu)如總管三通進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計等，均可有效地降低裝配應(yīng)力。

(2)為有效控制裝配應(yīng)力，對燃油總管裝配工藝規(guī)程進(jìn)行細(xì)化。

(3)為提高燃油分管的使用可靠性，制定相關(guān)措施，減少重復(fù)裝配帶來的裝配應(yīng)力。

4.2 驗(yàn)證情況

某型發(fā)動機(jī)于2016年起全面貫徹焊接方式的改進(jìn)措施，目前已有多臺發(fā)動機(jī)交付外場使用，歷經(jīng)多次例行長試和科研機(jī)長試考核。

上述改進(jìn)措施已在很多型號發(fā)動機(jī)上予以貫徹，在科研試車、廠內(nèi)試車、外場使用中均未發(fā)生過燃油分管裂紋或斷裂故障，從實(shí)際使用上驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)可靠性。

5 結(jié)論

針對某型航空發(fā)動機(jī)燃油分管斷裂故障，采取了結(jié)構(gòu)改進(jìn)、工藝改進(jìn)、裝配工藝完善等改進(jìn)措施，經(jīng)驗(yàn)證有效，并在后續(xù)使用中未再發(fā)生此類故障。為避免此類故障再次發(fā)生，在燃油分管的設(shè)計中要綜合考慮制造、生產(chǎn)、裝配、試車和試飛環(huán)境等多方面因素，以提高燃油分管可靠性。