某型發動機復合材料外涵燒傷故障預防

■ 杜紅喜 王錦邦/成都航利（集團）實業有限公司

某型發動機外涵機匣由Т300/BMP-316復合材料制成，外涵機匣上安裝的附件與核心機形成外涵流道，工作中承受著殼體內外靜壓差、氣動軸向力及機動載荷。

該型某臺發動機試車后檢查發現，復合材料外涵機匣內表面出現鼓包現象，工作中受到高溫氣流灼燒，外涵機匣燒傷報廢，見圖1。

1 故障原因分析

圖1 外涵機匣燒傷

圖2 燃氣倒流導致的外涵機匣燒傷

外涵機匣使用的復合材料Т300/BMP-316最高長期使用溫度為280℃。檢查外涵機匣，燒傷位置均布在機匣上，位于五級引氣管后約100mm處。發動機工作狀態下五級引氣處氣流溫度超過300℃，如五級引氣管連接處密封不良，五級引氣管內高溫氣流泄漏后可能導致外涵機匣燒傷。

發動機起動過程中，如低壓轉子未轉動或轉速很低時，風扇未對外涵進口空氣進行增壓，外涵氣流流量較小、壓力較低，對五級引氣管處泄漏氣流摻混冷卻效果較差，加劇外涵燒傷。

圖3 復合材料外涵燒傷故障樹

此外，當主燃燒室點火高壓轉子轉速較高后，如果低壓轉子仍未轉動，高壓壓氣機進口壓力和外涵道空氣壓力基本等于大氣壓力，高壓壓氣機將從外涵道吸氣，此時，渦輪后燃氣壓力高于外涵空氣壓力，在高壓壓氣機抽吸及壓差作用下導致渦輪后燃氣倒流入外涵中，亦有可能引發外涵機匣燒傷，見圖2。

2 故障排查及處置

對外涵機匣燒傷進行故障樹分析，以確定可能的故障因素并進行排查，如圖3所示。

2.1 減少五級引氣管內氣流泄漏

1）五級引氣管與燃燒室機匣密封不嚴

五級引氣管與燃燒室機匣通過螺釘相連接，兩者之間裝有封嚴墊。該處密封不嚴主要原因為：燃燒室機匣安裝座、封嚴片或五級引氣管轉接座表面質量及平面度差。

通過增加研磨、校正、著色印痕密接度檢查等措施保證封嚴片零件表面質量及平面度，提高五級引氣管與燃燒室機匣結合面質量。

2） С型密封圈密封性能衰減

封嚴墊由封嚴片及С型密封圈組成。封嚴墊安裝在主燃燒室與五級引氣管之間，С型密封圈起著密封五級引氣管內氣流作用。檢查發現，С型密封圈表面鍍層有脫落現象，且С型密封圈ΦD尺寸較小，見圖4。

圖4 C型密封圈剖面示意圖

圖5 五級引氣管轉接座局部變形

С型密封圈ΦD尺寸較小及表面鍍層質量對其密封性能均產生不良影響。為恢復С型密封圈密封性能，進行表面鍍層及ΦD尺寸恢復。修理后，С型密封圈尺寸及表面鍍層質量改善。

3） 裝配因素

裝配五級引氣管時發現五級引氣管存在扭曲及變形情況。

a. 五級引氣管扭曲

五級引氣管為兩段式結構，修理時前段與后段連接為整體進行密封試驗，使用整體進行裝配時在五級引氣管一端容易出現扭曲現象，影響連接密封性。

針對該情況調整五級引氣管裝配流程，通過先裝配前后兩段、再連接前后段的方法，解決了五級引氣管扭曲引起的密封不嚴問題。

b. 五級引氣管轉接座變形

表1 密封試驗情況

五級引氣管轉接座安裝螺栓處端面厚度為3mm，其余部位厚度為3.5mm，承力位置壁厚小于非承力位置，裝配后受力作用下薄弱區域因應力作用產生變形，導致安裝面局部存在縫隙，見圖5。

為消除轉接座變形對密封性能的影響，裝配時在主燃燒室五級引氣管座、封嚴墊、五級引氣管端面涂H61-1環氧有機硅耐熱漆進行密封。

4） 密封試驗驗證

分別使用舊品封嚴墊、修理合格封嚴墊、新品封嚴墊進行煤油密封試驗，驗證上述修理措施對五級引氣管內氣流泄漏的影響，試驗壓力為1.80MPa，試驗情況見表1。

試驗數據表明，對五級引氣管與燃燒室機匣密封不嚴、С型密封圈密封性能衰減、裝配因素等進行攻關后，解決了五級引氣管內氣流泄漏問題，有效避免了泄漏氣流燒傷復合材料外涵機匣。

2.2 預防燃氣倒流

燃氣倒流原因為主燃燒室點火高壓轉子轉速較高時低壓轉子未轉動。低壓轉子未轉動的原因有以下幾種：一是冷態轉靜子間隙小，發動機停車狀態下轉子下沉，使轉靜子下半部間隙進一步減小，導致起動時低壓轉靜子間碰磨力大；二是停車后轉子出現熱彎曲現象，導致起動過程中局部碰磨力增大；三是發動機起動時，轉靜子升溫速度不一致，熱不協調導致轉靜子間配合間隙發生變化，碰磨力變大。針對燃氣倒流導致外涵燒傷采取以下措施進行控制。

1） 起動控制

針對低壓轉子未轉動現象，試車工序進行規定：一是起動前增加冷運轉措施，改善發動機內部溫度分布；二是高壓轉子轉速達到3300r/min、低壓轉子未轉動時，立刻緊急停車。

2） 轉靜子間隙控制

在低壓轉子轉動故障還未發生前進行的故檢中發現，低壓渦輪轉子與后機匣前封嚴環配合處碰磨痕跡明顯、磨痕較深。

微分測量數據分析表明，在低壓轉子未發生轉動故障的發動機中，該位置配合普遍偏小且跳動偏大。因此制定控制措施：一是修理時將低壓渦輪轉子與前封嚴環配合間隙控制在規定上限；二是將前封嚴環涂層加工由單件加工調整為組合加工，保證加工后的同心度。

3） 試車驗證情況

進行轉靜子間隙、起動控制后，廠內試車只出現1起起動過程中低壓轉子未轉動故障，有效預防了燃氣倒流導致的外涵機匣燒傷故障。

3 結論

復合材料外涵機匣燒傷故障的原因為五級引氣管內氣流泄漏或起動過程中低壓轉子未轉動引起的燃氣倒流，通過降低五級引氣管內氣流泄漏、預防燃氣倒流措施可有效預防復合材料外涵燒傷。