某燃氣渦輪發動機燃燒室內窺鏡檢查可行性分析

董德偉，劉寧致

(1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲412002；2.空裝駐株洲地區軍事代表室，湖南 株洲412002)

在航空技術飛速發展的今天，燃氣渦輪發動機占據了航空動力的主導地位。燃氣渦輪發動機在航空器上的大量應用，給航空器帶來了飛速的發展，航空器已經從小型表演觀賞型發展為大型通用型，亦經歷了從慢速到超音速的過程。隨著軍民用航空器的大量使用，航空器事故頻發也越來越受到人們的關注，在導致航空器事故的諸多因素中，發動機故障是關鍵原因之一，另據統計資料顯示，發動機故障占距了20% ～30%［1］。燃燒室作為發動機的主要構成部分，充分了解并及時發現燃燒室故障，對于保障發動機的安全運行有著關鍵的意義。

1 燃氣渦輪發動機燃燒室介紹

燃氣渦輪發動機燃燒室由機匣、火焰筒、燃油噴嘴、旋流杯、點火裝置等組成。由壓氣機擴壓段出來的高壓空氣分成兩股：一股(約占1/4～2/5)進入火焰筒前部，與噴嘴噴出來的燃油混合形成油氣混合氣，經點火裝置點火后燃燒。另一股(占3/4～3/5)從火焰筒與外機匣間流過，對火焰筒壁面進行冷卻，然后進入火焰筒與高溫燃氣摻混，使燃氣溫度降低，達到渦輪所要求的溫度。通常要求燃燒室具有燃燒穩定、燃燒效率高、點火邊界寬、流動阻力小以及結構簡單、尺寸小、安全可靠和壽命長等特性［2］。

燃燒室按氣流在燃燒室中流動的方向可分為以下三種：

直流式：氣流在燃燒室中沿軸向流動。多數發動機采用這種燃燒室。

折流式：氣流由壓氣機流出后，折成兩路流入火焰筒。一般與甩油盤配合使用。

回流式：壓氣機出口的空氣由燃燒室的后端流入火焰筒頭部。一般用于采用離心式壓氣機的發動機中。

本文所討論的燃燒室類型屬于回流式燃燒室，該燃燒室結構簡圖如圖1 所示。

2 故障分析

燃燒室作為燃氣渦輪發動機承受熱負荷最大的部件，常見的故障現象有火焰筒變形、裂紋、掉塊，燃油噴嘴噴口有積炭、腐蝕，旋流杯裂紋、燒蝕等。故障產生的原因可以歸納為以下幾點：

2.1 受高溫熱應力引起的故障

由于燃燒室承受的熱負荷大，溫度高，同時局部受熱不均，會引起很大的熱應力，經過一段時間工作而產生變形、裂紋、掉塊等。這類故障多發生在火焰筒頭部、筒體、排氣彎管等部位。

2.2 受機械振動引起的故障

受機械振動引起的故障。多發生在燃燒室內、外部的聯接部位。

2.3 積炭和腐蝕引起的故障

在局部高溫及富油的條件下容易生成積炭。在燃燒區內，高溫燃氣容易引起腐蝕。積炭及腐蝕對噴嘴影響最大，它們破壞了噴嘴表面，特別是破壞了燃油出口的結構形狀，使燃油霧化受阻。

2.4 燃燒過程組織不善引起的故障

燃油與空氣不匹配或者分布不均勻，會引起燃燒室出口溫度場及全臺發動機的燃氣溫度場不均勻，從而導致局部扇形區內產生裂紋或燒傷。

3 內窺鏡檢查的作用

燃燒室作為燃氣渦輪發動機的主要部件，由于其結構的特殊性，無法用肉眼直接對其內部結構進行觀察，亦無法采用其它技術手段對其進行實時檢測。通過引入內窺鏡檢查技術，可以在不分解發動機的情況下對燃燒室各部件進行100%檢查。能夠及時發現發動機工作后出現的各種問題，并能夠及時對發現的問題進行評估。

內窺鏡檢查技術(VT)屬于無損檢測技術手段之一，用于解決人眼無法直接觀察到的場所的檢查和觀察［3］。隨著內窺鏡檢查技術的發展，該項技術在各個行業得到了大量的應用，尤其在航空發動機領域上應用特別廣泛，已經成為發動機試車、維護、檢修的必備手段之一。內窺鏡檢查技術隨著科技發展的進步，其功能性得到了長足的發展。目前的內窺鏡檢查手段能夠對被觀察部位進行拍照、錄像、測量以及通過內置軟件進行圖片后處理，例如對同一部位不同時間段的情況進行實時對比等。

通過內窺鏡檢查技術的應用，對于燃氣渦輪發動機燃燒室而言，僅需要分解一個點火裝置或一個特設的窺視孔將內窺鏡的插入管插入即可進入燃燒室內部，通過控制插入管前端的鏡頭，就能夠在不需要對發動機進行專門分解即可對燃燒室實現檢查工作。內窺鏡檢查技術的應用，不但能得到用肉眼都無法看到的清晰照片，還能隨時了解燃燒室內部的問題或問題的擴展情況。對于保障發動機的安全運行有著不可估量的作用。

4 典型故障

該型號燃氣渦輪發動機研制過程中，發動機整機歷經了各種科研試車的考驗。特別是其燃燒室部件還單獨進行了各種科研試驗。充分暴露并發現了該燃燒室的故障問題，通過長期的試驗、跟蹤、總結，該燃燒室的故障問題可以歸納為以下幾類：高溫熱應力引起的變形(圖2)及裂紋類故障、機械振動引起的裂紋類故障、腐蝕類故障、積炭類故障。

各類具有代表性的故障圖例如圖2～圖8 所示：

圖3 燃燒室大彎管裂紋

圖4 燃燒室大彎管裂紋兩個階段的對比圖

圖5 燃燒室火焰筒掉快現象

圖6 燃燒室大彎管與燃氣渦輪連接處開裂機械振動

圖7 燃燒室內腐蝕圖例

圖8 燃燒室渦流器積碳

5 結論

通過引進內窺鏡檢查技術對該燃氣渦輪發動機燃燒室檢查，能夠觀察到燃燒室內部各個部位；能夠及時發現內部出現的各種故障情況；能夠及時對發現的故障情況進行分析；能夠及時了解燃燒室的工作狀態水平。為了保障燃氣渦輪發動機的安全試車，內窺鏡檢查技術在該燃氣渦輪發動機燃燒室是完全可行的。