某型渦軸發動機中介機匣P2引氣凸座裂紋故障分析

雷海鷗

(中國南方航空工業(集團)公司,湖南株洲 412002)

某型渦軸發動機中介機匣P2引氣凸座裂紋故障分析

雷海鷗

(中國南方航空工業(集團)公司,湖南株洲 412002)

本文針對某型渦軸發動機中介機匣P2引氣凸座裂紋故障進行了分析,確定了故障原因和改進措施。

渦軸發動機P2引氣凸座裂紋

某型渦軸發動機從離心壓氣機后引出具有一定溫度和壓力的P2增壓空氣作為空氣系統的工作氣流,進行熱部件冷卻,密封增壓,操縱有關附件及供給燃油調節器(以下簡稱燃調)實現對燃油的自動調節等。包括內部和外部空氣系統。外部空氣流路主要通過P2管接頭和導管進行引氣。如果P2空氣泄漏,將會引起滑油消耗量大、附件工作異常、發動機轉速明顯下降等后果。為確保P2引氣系統工作可靠,在地面維護時需經常對其進行檢查,以及時發現和排除隱患。

1 故障情況

1.1 故障現象

某型渦軸發動機824號原裝于某用戶Z9直升機右發位置。2013年3月15日,該架機在進行訓練飛行時,直升機起飛離地約半米,機組發現主警告燈、右發滑油壓力警告燈、功率損失警告燈亮。著陸后飛參判讀：7秒內T4溫度由608℃下降到442℃,Ng轉速由95%迅速降到53%。地面檢查發現中介機匣上通燃調的P2引氣凸座根部斷裂(見圖1和2)。

1.2 尺寸測量

對該中介機匣與凸座斷裂有關部位,按設計技術要求進行了相關尺寸檢查,結果如下(凸座結構及主要尺寸見圖3)。

2 質量復查情況

2.1 制造質量復查

(1)加工及原材料質量復查。824號機配裝的中介機匣批次號為00Z1-11,該批次中介機匣上焊接的凸座批次為99Z2A,材料入廠復驗合格,加工無超差質量記錄。

(2)中介機匣修理質量復查。2009年,824號機工作至首翻期800小時返廠進行大修。中介機匣進行熒光檢查時發現通燃調P2管接頭安裝凸座根部(18部位)存在兩條穿透性裂紋,長度分別為14mm、16mm。依據翻修手冊規定,將中介機匣轉承修車間修理。824號機中介機匣18部位的修理工藝為：“鉗工：打磨補焊處,去除裂紋,按72-03-20 RP-04200-3中30～70工序進行”。具體修理工序有：鉗工(打磨)→氬弧焊(補焊)→鉗工(校正)→熒光檢驗→鉗工(標印)→檢驗。承修車間在編制修理工藝時未按RP-04200-3修理卡要求,忽略了10～20工序更換凸座的規定,而是對裂紋部位內側直接進行了補焊修理。

2.2 翻修手冊復查

發動機翻修手冊對凸座位置出現裂紋規定了判斷準則和處理意見,具體見表1。

3 冶金分析

824號機中介機匣凸座斷裂冶金分析情況：

(1)經能譜分析,凸座材料符合GH3030成分要求,基體顯微組織正常,與中介機匣焊縫的焊接質量良好。

(2)宏觀及微觀斷口分析,裂紋均從中介機匣凸座根部轉接R部位(外側、非補焊面)起始,沿板厚方向及周向擴展,源區為線源,可見較多的放射棱線,擴展區可見明顯的疲勞條帶,由此判斷中介機匣凸座斷裂性質為疲勞斷裂。

(3)外觀檢查中介機匣內側,除可見凸座與中介機匣的正常環形焊縫外,在斷面邊緣還可見一圈補焊痕跡,剖切后金相檢查補焊焊縫熔深僅為疲勞裂紋深度的1/3,在中介機匣外側未見補焊痕跡。

(4)凸座4個斷面的周向長度分別為：1#斷面16mm、2#斷面14mm、3#斷面6mm、4#斷面10mm,結合斷面的擴展方向及氧化程度,分析認為1#、2#斷面疲勞裂紋產生時間較3#、4#要早。

(5)經復查該發動機2009年大修時曾發現凸座部位有2條長度為14mm、16mm的裂紋,并進行了補焊處理,1#、2#斷面應該是該發動機2009年翻修時發現的裂紋經補焊后未完全去除,在工作過程中,再次疲勞擴展導致斷裂。

冶金分析結論：中介機匣凸座材質正常,斷裂性質為疲勞斷裂。

4 設計結構及受力分析

4.1 結構及功能說明

通燃調的P2引氣管接頭安裝座--凸座(材料為GH3030)以氬弧焊焊在中介機匣(材料為GH625)上,凸座上安裝管接頭,并通過燃調P2管給燃調提供P2空氣。中介機匣上除該凸座外,還焊有另外兩個圖號相同的凸座,分別提供P2空氣給起動噴嘴吹風和控制放氣活門開閉。安裝結構示意見圖4。通燃調P2管的長度500mm,管徑Φ6,兩頭分別安裝在中介機匣和燃調的引氣管接頭上,中間沒有支撐點;放氣活門P2管的長度245mm,管徑Φ6,起動電磁活門P2管的長度185mm,管徑Φ4,中間都沒有支撐點。

表1

表2

圖1 斷裂處外觀圖

圖2 管接頭安裝座斷裂后的孔形貌

圖3 凸座結構及主要尺寸

圖4 凸座在中介機匣上的安裝結構示意圖

圖5 支架及卡箍安裝示意圖

4.2 凸座受力分析

凸座主要承受三種載荷：(1)振動載荷：通過燃調P2空氣管路傳遞過來的振動載荷。(2)P2壓力：0.8MPa。(3)溫度熱應力：3MPa。

5 振動應力分析

(1)現有結構,在發動機工作轉速范圍內,燃調P2管路的振動頻率(靜頻)為878.9Hz,在燃氣發生器轉速51709r/min附近,燃調P2管接頭處存在共振響應,振動幅值為195g,凸座根部徑向(垂直起始裂紋方向)振動應力為99.9MPa。

(2)中介機匣上三個凸座的振動應力,燃調P2管凸座最大,最大值99.9MPa;放氣活門P2管凸座次之,最大值20.7MPa;起動噴嘴P2吹風凸座振動應力最小,最大值4.4MPa。

(3)加裝固定卡箍后燃調P2管路振動頻率增大至1076.7Hz,在發動機工作轉速內,燃調P2管路不會產生共振;P2管接頭的最大振動降為15.7g,較原結構降低了92%;凸座的最大振動應力為17.4MPa,較原結構降低了82.6%。

(4)振動應力對凸座裂縫的影響分析。凸座材料為GH3030,室溫下的高周疲勞強度為216MPa,考慮工作溫度和殘余應力,由GH3030的等壽命曲線得知,材料的高周疲勞強度120.9MPa。在現有結構情況下,凸座根部最大振動應力99.9MPa,相對120.9MPa的高周疲勞強度仍有裕度。但是,如凸座根部靠近R處存在較深的刀痕或表面粗糙度較差等缺陷,導致應力集中加劇,可能會產生疲勞裂紋。

6 結論

(1)824號機通燃調P2管接頭凸座根部轉接R部位斷裂的原因：824號機大修發現凸座存在根部穿透性裂紋時,未按規定的修理工藝要求更換凸座,而是對凸座裂紋處內側補焊,且補焊深度只有裂紋深度的1/3,工作時在振動應力等因素的作用下,外側轉接R處殘留的裂紋擴展,同時原未裂紋部位因強度下降,萌生新的裂紋并擴展,導致凸座根部疲勞斷裂。

(2)大修前824號機通燃調P2管接頭凸座根部裂紋的原因：振動測試表明工作時通往燃調P 2的管路在發動機燃氣發生器轉速51709r/min附近存在共振響應,使凸座根部產生較大的徑向振動應力。824號凸座根部R0.75處存在深0.04的加工刀痕,且表面較粗糙,使該處應力集中加劇,工作中產生疲勞裂紋。

7 改進措施

(1)對某型渦軸發動機通燃調P2管路全部加裝固定支架及卡箍。通過加裝支架及卡箍的方式固定燃調P2空氣管路。支架安裝在附件機匣結合面上,與壓氣機前軸承滑油供油管路共用1個雙頭螺栓,卡箍安裝在距中介機匣端長度約占整個管路長度的1/3位置,如圖5所示。

(2)修改翻修手冊中介機匣凸座18部位裂紋處理準則：發現穿透性裂紋或非穿透性裂紋長度超過1/4整圈的中介機匣直接報廢。

(3)細化加工工藝要求,加強凸座尺寸檢查。

[1]《某型渦軸發動機維護手冊》：中國南方航空工業(集團)有限公司,2008.

[2]《某型渦軸發動機翻修手冊》：中國南方航空工業(集團)有限公司,1999.

雷海鷗,男,工程師,專業主攻方向：航空發動機產品診斷維護技術。