某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管斷裂故障分析及改進(jìn)

龍思海，彭志軍，李 彬，張海東

(航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

排氣管是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的重要部件之一，它的工作情況直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性、耐久性、動(dòng)力性和廢氣排放情況［1］。此外發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度較高，排氣管長(zhǎng)期處于高溫下工作，排氣管還需要承受在飛機(jī)機(jī)動(dòng)載荷下的自身重量產(chǎn)生的載荷作用。當(dāng)前，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管使用的材料主要集中在鑄鋼、鑄鐵以及不銹鋼等，這些材料均具備較好的耐熱特性，但是在這種日趨惡劣的工作環(huán)境下，排氣管仍然會(huì)出現(xiàn)疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)，這些風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)為應(yīng)力過(guò)于集中和疲勞開(kāi)裂等［2-4］。

1 故障情況

某型飛機(jī)晝間飛行時(shí)，發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，無(wú)法維持飛行狀態(tài)，導(dǎo)致場(chǎng)內(nèi)迫降的飛行事故征候。 經(jīng)檢查分析，判定故障原因?yàn)椋喊l(fā)動(dòng)機(jī)第5 號(hào)氣缸排氣管焊縫處疲勞斷裂，進(jìn)氣溫度從35 度急劇上升到150 度，高溫廢氣噴入發(fā)動(dòng)機(jī)左進(jìn)氣口，燒熔進(jìn)氣加溫盒濾網(wǎng)框架，熔融物堵塞汽化器濾網(wǎng)，導(dǎo)致進(jìn)氣溫度急增，進(jìn)氣量急降，發(fā)動(dòng)機(jī)富油燃燒轉(zhuǎn)速下降，飛機(jī)難以保持姿態(tài)，發(fā)生場(chǎng)內(nèi)迫降。排氣管裂紋故障如圖1 所示。

圖1 排氣管裂紋故障圖

2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣總管由右排氣總管和左排氣總管兩個(gè)單獨(dú)部分組成，將廢氣從飛機(jī)下部排出。右排氣總管由右部的四段排氣管組成，相應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的五個(gè)氣缸相連接；左排氣總管由左部的四段排氣管組成，相應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)氣缸相連接，見(jiàn)圖2。

圖2 排氣管安裝示意圖

某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)第5 號(hào)氣缸排氣管整體由0.8mm的不銹鋼1Cr18Ni9Ti 焊接而成，為“Y”字形管，與加溫管連接端焊有環(huán)狀法蘭，與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接端焊有帶坡度喇叭口，與第5 號(hào)氣缸連接的排氣管結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 第5 號(hào)氣缸排氣管結(jié)構(gòu)示意圖

3 裂紋失效分析

針對(duì)斷裂故障件開(kāi)展了失效分析，失效分析表明造成排氣管疲勞斷裂的主要原因是：排氣管靠發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的接管嘴與管體周向搭接焊縫焊趾處存在較大的裝配彎曲應(yīng)力；焊縫處存在漏焊、寬度超差等焊接缺陷從而降低了焊趾處疲勞強(qiáng)度，促進(jìn)了疲勞裂紋的產(chǎn)生，結(jié)論為疲勞斷裂。

4 制造裝配分析

4.1 制造分析

排氣管斷裂處焊縫結(jié)構(gòu)為空間變截面組合焊接的支管插入球面管嘴形成的搭接焊縫，支管橢圓度允許不大于3mm，搭接焊縫焊接前焊接間隙延圓周存在不均勻情況，當(dāng)制造過(guò)程中校正不到位時(shí)，局部（圖4）會(huì)存在超出1.5mm 乃至2mm 以上的情況，焊接后會(huì)造成連接兩構(gòu)件的焊縫與母材出現(xiàn)劇烈過(guò)渡的情況，構(gòu)件在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，進(jìn)而造成疲勞斷裂。 同時(shí)搭接焊縫背面焊漏未去除，會(huì)進(jìn)一步加大應(yīng)力集中的趨勢(shì)。

圖4 搭接焊縫截面

4.2 裝配分析

安裝排氣管以及外場(chǎng)更換其中一段排氣管的過(guò)程中，由于排氣管屬焊接件，互換性較差，如果各排氣管先剛性固定與各氣缸接頭，再安裝各排氣管之間的金屬石棉墊并用卡箍裝緊，則可能會(huì)出現(xiàn)支管軸線超過(guò)2mm 偏心的情況。 此種情況將在排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接處產(chǎn)生較大裝配應(yīng)力，導(dǎo)致使用過(guò)程中故障件斷裂位置出現(xiàn)疲勞斷裂。

5 結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及應(yīng)力分析

5.1 有限元模型

根據(jù)制造分析結(jié)果可知，排氣管在制造過(guò)程中容易出現(xiàn)偏差，為分析制造偏差對(duì)排氣管受力的影響，建立了兩個(gè)排氣管有限元分析模型。模型1 中考慮發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接處環(huán)向焊縫階差2mm，過(guò)渡區(qū)域5mm；模型2 中考慮發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接處環(huán)向焊縫階差3mm，過(guò)渡區(qū)域3mm。為模擬可能存在的強(qiáng)迫裝配對(duì)排氣管強(qiáng)度的影響，在排氣管與加溫管連接口中心施加不同的強(qiáng)迫位移，以便分析強(qiáng)迫裝配的影響趨勢(shì)。

排氣管采用殼單元模擬，約束排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接處節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)系下X、Y、Z 三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和X、Y 兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在排氣管與加溫管連接口中心建立一個(gè)加載節(jié)點(diǎn)，采用RBE2 單元將節(jié)點(diǎn)與管口周?chē)?jié)點(diǎn)耦合在一起，加溫管慣性載荷和強(qiáng)迫位移均施加在這個(gè)節(jié)點(diǎn)上。排氣管本體厚度為0.8mm，與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸和加溫管連接端頭處局部為1.6mm，排氣管材料為1Cr18Ni9Ti，彈性模量為196000MPa，泊松比為0.3，密度為7.9×103kg／m3，有限元模型見(jiàn)圖5。

圖5 第5 號(hào)氣缸排氣管有限元模型示意圖

材料1Cr18Ni9Ti 在不同溫度下的力學(xué)性能見(jiàn)表1，排氣管采用氬弧焊的焊接方法，焊后不進(jìn)行熱處理，考慮0.6 的焊縫削弱系數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度約500℃，焊縫處的實(shí)際強(qiáng)度極限值σb＝441×0.6＝265MPa。

表1 不同溫度下1Cr18Ni9Ti 的材料性能

5.2 載荷情況

有限元應(yīng)力分析的載荷情況見(jiàn)表2。

表2 有限元應(yīng)力分析載荷情況

5.3 計(jì)算結(jié)果及分析

各載荷情況下排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接段有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6，圖6（c）為施加1mm 強(qiáng)迫位移的計(jì)算結(jié)果，其他位移的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 載荷情況3 在施加不同強(qiáng)迫位移情況下排氣管最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖6 有限元計(jì)算結(jié)果

由上述計(jì)算結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

1） 從圖6（a）可以看到，當(dāng)焊縫階差為2mm 時(shí)，在最大當(dāng)?shù)剡^(guò)載的慣性載荷作用下，排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接處應(yīng)力僅為25.5MPa，應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于排氣管焊縫處的實(shí)際強(qiáng)度極限值265MPa；

2） 圖6（b）給出了在相同受載條件下，焊縫階差為3mm 的排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接處應(yīng)力為42.1MPa ，這表明焊縫階差越大，排氣管焊縫處的應(yīng)力集中越大,應(yīng)力水平越高；

3） 圖6（c）給出了1.0mm 的強(qiáng)迫裝配位移下，排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接處的應(yīng)力為189MPa，小于強(qiáng)度極限值265MPa，但應(yīng)力水平明顯大于正常受載情況下的應(yīng)力水平，表明強(qiáng)迫裝配對(duì)排氣管的強(qiáng)度影響較大；

4） 在安裝排氣管時(shí)，如果存在強(qiáng)迫裝配，排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸連接處的應(yīng)力會(huì)隨著強(qiáng)迫位移的增大而明顯增大。

6 優(yōu)化改進(jìn)措施

在確定了排氣管斷裂原因的基礎(chǔ)上，制定了如下優(yōu)化改進(jìn)措施［5-6］：

1） 將排氣管管口環(huán)向焊縫由原來(lái)的搭接焊縫改為對(duì)接，可以有效避免由焊縫與母材劇烈過(guò)渡而導(dǎo)致的應(yīng)力集中，改進(jìn)后焊接形式見(jiàn)圖7；

圖7 焊接形式對(duì)比圖

2） 對(duì)于排氣管的裝配工藝也進(jìn)行了優(yōu)化， 明確了排氣管拆裝時(shí)應(yīng)在松開(kāi)所有與氣缸相連接的螺套狀態(tài)下調(diào)整連接各段排氣管對(duì)接部位，盡量避免強(qiáng)迫裝配。

7 結(jié)論

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管斷裂故障，從制造、裝配、結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與應(yīng)力水平分布和失效等方面進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，產(chǎn)生裂紋的主要原因是：

1） 排氣管管口環(huán)向焊縫與母材劇烈過(guò)渡，焊縫尺寸不均勻，背面焊漏未打平，造成應(yīng)力集中，局部應(yīng)力增大；

2） 排氣管裝配過(guò)程中偏差過(guò)大，存在強(qiáng)迫裝配，造成排氣管管口焊接區(qū)域承受附加應(yīng)力；

3） 在以上兩種因素及交變載荷的作用下，排氣管管口環(huán)向焊縫出現(xiàn)了疲勞裂紋并最終發(fā)生斷裂。