某型涡轴发动机中介机匣P2引气凸座裂纹故障分析

雷海鸥

(中国南方航空工业(集团)公司,湖南株洲 412002)

某型涡轴发动机中介机匣P2引气凸座裂纹故障分析

雷海鸥

(中国南方航空工业(集团)公司,湖南株洲 412002)

本文针对某型涡轴发动机中介机匣P2引气凸座裂纹故障进行了分析,确定了故障原因和改进措施。

涡轴发动机P2引气凸座裂纹

某型涡轴发动机从离心压气机后引出具有一定温度和压力的P2增压空气作为空气系统的工作气流,进行热部件冷却,密封增压,操纵有关附件及供给燃油调节器(以下简称燃调)实现对燃油的自动调节等。包括内部和外部空气系统。外部空气流路主要通过P2管接头和导管进行引气。如果P2空气泄漏,将会引起滑油消耗量大、附件工作异常、发动机转速明显下降等后果。为确保P2引气系统工作可靠,在地面维护时需经常对其进行检查,以及时发现和排除隐患。

1 故障情况

1.1 故障现象

某型涡轴发动机824号原装于某用户Z9直升机右发位置。2013年3月15日,该架机在进行训练飞行时,直升机起飞离地约半米,机组发现主警告灯、右发滑油压力警告灯、功率损失警告灯亮。着陆后飞参判读：7秒内T4温度由608℃下降到442℃,Ng转速由95%迅速降到53%。地面检查发现中介机匣上通燃调的P2引气凸座根部断裂(见图1和2)。

1.2 尺寸测量

对该中介机匣与凸座断裂有关部位,按设计技术要求进行了相关尺寸检查,结果如下(凸座结构及主要尺寸见图3)。

2 质量复查情况

2.1 制造质量复查

(1)加工及原材料质量复查。824号机配装的中介机匣批次号为00Z1-11,该批次中介机匣上焊接的凸座批次为99Z2A,材料入厂复验合格,加工无超差质量记录。

(2)中介机匣修理质量复查。2009年,824号机工作至首翻期800小时返厂进行大修。中介机匣进行荧光检查时发现通燃调P2管接头安装凸座根部(18部位)存在两条穿透性裂纹,长度分别为14mm、16mm。依据翻修手册规定,将中介机匣转承修车间修理。824号机中介机匣18部位的修理工艺为：“钳工：打磨补焊处,去除裂纹,按72-03-20 RP-04200-3中30～70工序进行”。具体修理工序有：钳工(打磨)→氩弧焊(补焊)→钳工(校正)→荧光检验→钳工(标印)→检验。承修车间在编制修理工艺时未按RP-04200-3修理卡要求,忽略了10～20工序更换凸座的规定,而是对裂纹部位内侧直接进行了补焊修理。

2.2 翻修手册复查

发动机翻修手册对凸座位置出现裂纹规定了判断准则和处理意见,具体见表1。

3 冶金分析

824号机中介机匣凸座断裂冶金分析情况：

(1)经能谱分析,凸座材料符合GH3030成分要求,基体显微组织正常,与中介机匣焊缝的焊接质量良好。

(2)宏观及微观断口分析,裂纹均从中介机匣凸座根部转接R部位(外侧、非补焊面)起始,沿板厚方向及周向扩展,源区为线源,可见较多的放射棱线,扩展区可见明显的疲劳条带,由此判断中介机匣凸座断裂性质为疲劳断裂。

(3)外观检查中介机匣内侧,除可见凸座与中介机匣的正常环形焊缝外,在断面边缘还可见一圈补焊痕迹,剖切后金相检查补焊焊缝熔深仅为疲劳裂纹深度的1/3,在中介机匣外侧未见补焊痕迹。

(4)凸座4个断面的周向长度分别为：1#断面16mm、2#断面14mm、3#断面6mm、4#断面10mm,结合断面的扩展方向及氧化程度,分析认为1#、2#断面疲劳裂纹产生时间较3#、4#要早。

(5)经复查该发动机2009年大修时曾发现凸座部位有2条长度为14mm、16mm的裂纹,并进行了补焊处理,1#、2#断面应该是该发动机2009年翻修时发现的裂纹经补焊后未完全去除,在工作过程中,再次疲劳扩展导致断裂。

冶金分析结论：中介机匣凸座材质正常,断裂性质为疲劳断裂。

4 设计结构及受力分析

4.1 结构及功能说明

通燃调的P2引气管接头安装座--凸座(材料为GH3030)以氩弧焊焊在中介机匣(材料为GH625)上,凸座上安装管接头,并通过燃调P2管给燃调提供P2空气。中介机匣上除该凸座外,还焊有另外两个图号相同的凸座,分别提供P2空气给起动喷嘴吹风和控制放气活门开闭。安装结构示意见图4。通燃调P2管的长度500mm,管径Φ6,两头分别安装在中介机匣和燃调的引气管接头上,中间没有支撑点;放气活门P2管的长度245mm,管径Φ6,起动电磁活门P2管的长度185mm,管径Φ4,中间都没有支撑点。

表1

表2

图1 断裂处外观图

图2 管接头安装座断裂后的孔形貌

图3 凸座结构及主要尺寸

图4 凸座在中介机匣上的安装结构示意图

图5 支架及卡箍安装示意图

4.2 凸座受力分析

凸座主要承受三种载荷：(1)振动载荷：通过燃调P2空气管路传递过来的振动载荷。(2)P2压力：0.8MPa。(3)温度热应力：3MPa。

5 振动应力分析

(1)现有结构,在发动机工作转速范围内,燃调P2管路的振动频率(静频)为878.9Hz,在燃气发生器转速51709r/min附近,燃调P2管接头处存在共振响应,振动幅值为195g,凸座根部径向(垂直起始裂纹方向)振动应力为99.9MPa。

(2)中介机匣上三个凸座的振动应力,燃调P2管凸座最大,最大值99.9MPa;放气活门P2管凸座次之,最大值20.7MPa;起动喷嘴P2吹风凸座振动应力最小,最大值4.4MPa。

(3)加装固定卡箍后燃调P2管路振动频率增大至1076.7Hz,在发动机工作转速内,燃调P2管路不会产生共振;P2管接头的最大振动降为15.7g,较原结构降低了92%;凸座的最大振动应力为17.4MPa,较原结构降低了82.6%。

(4)振动应力对凸座裂缝的影响分析。凸座材料为GH3030,室温下的高周疲劳强度为216MPa,考虑工作温度和残余应力,由GH3030的等寿命曲线得知,材料的高周疲劳强度120.9MPa。在现有结构情况下,凸座根部最大振动应力99.9MPa,相对120.9MPa的高周疲劳强度仍有裕度。但是,如凸座根部靠近R处存在较深的刀痕或表面粗糙度较差等缺陷,导致应力集中加剧,可能会产生疲劳裂纹。

6 结论

(1)824号机通燃调P2管接头凸座根部转接R部位断裂的原因：824号机大修发现凸座存在根部穿透性裂纹时,未按规定的修理工艺要求更换凸座,而是对凸座裂纹处内侧补焊,且补焊深度只有裂纹深度的1/3,工作时在振动应力等因素的作用下,外侧转接R处残留的裂纹扩展,同时原未裂纹部位因强度下降,萌生新的裂纹并扩展,导致凸座根部疲劳断裂。

(2)大修前824号机通燃调P2管接头凸座根部裂纹的原因：振动测试表明工作时通往燃调P 2的管路在发动机燃气发生器转速51709r/min附近存在共振响应,使凸座根部产生较大的径向振动应力。824号凸座根部R0.75处存在深0.04的加工刀痕,且表面较粗糙,使该处应力集中加剧,工作中产生疲劳裂纹。

7 改进措施

(1)对某型涡轴发动机通燃调P2管路全部加装固定支架及卡箍。通过加装支架及卡箍的方式固定燃调P2空气管路。支架安装在附件机匣结合面上,与压气机前轴承滑油供油管路共用1个双头螺栓,卡箍安装在距中介机匣端长度约占整个管路长度的1/3位置,如图5所示。

(2)修改翻修手册中介机匣凸座18部位裂纹处理准则：发现穿透性裂纹或非穿透性裂纹长度超过1/4整圈的中介机匣直接报废。

(3)细化加工工艺要求,加强凸座尺寸检查。

[1]《某型涡轴发动机维护手册》：中国南方航空工业(集团)有限公司,2008.

[2]《某型涡轴发动机翻修手册》：中国南方航空工业(集团)有限公司,1999.

雷海鸥,男,工程师,专业主攻方向：航空发动机产品诊断维护技术。