某型航空发动机混合器连接螺钉断裂故障分析与预防

王锦邦 杜红喜 董永耀 蔡震

摘要：某型航空发动机外场使用过程中混合器连接螺钉发生断裂。通过对断裂螺钉进行金相检查，从发动机结构、装配、修理流程等方面进行分析，确定了螺钉断裂原因与相关影响因素，制定了相应的改进措施。

关键词：航空发动机;螺钉;断裂

1 故障现象描述

某型航空发动机在外场使用过程中，突发混合器连接螺钉断裂故障，断裂螺钉如图1所示。该螺钉为高温合金制造（GH738），表面镀银，单机共装32件，用以固定带支撑环的混合器和涡轮后机匣，螺钉拧紧后用锁片进行保险。

如果发动机工作过程中该螺钉断裂，断裂的螺钉会随高速气流向后吹出，极易打伤后部加力燃油管，造成发动机损毁，若卡在可调喷口内会导致喷口调节机构受阻，并且螺钉断裂会导致混合器安装边受力不均，在高温、振动的工况下使更多的螺钉出现裂痕，可能出现严重的飞行事故。

2 故障原因分析

2.1 螺钉断裂的原因分析

该螺钉断裂处位于距螺纹根部的第2～3螺纹处，断裂处表面有黑色物质，断口一侧呈高温氧化色，其边缘呈弧形的银白色，该螺钉断口宏观形貌见图2。

通过对断裂螺钉进行金相检查，对螺钉断口进行了断口形态分析，发现在断口处出现了韧窝特征，韧窝特征如图3，说明螺钉的断裂属于过载性质。

对螺钉断口边缘银白色区域进行能谱分析，结果显示该银白色区域主要含银元素。

分析螺钉的制造、使用过程，发现该螺钉在使用前需要经过镀银工序，由此分析认为银元素是由于螺钉镀银时带入，说明螺钉在镀银前已经开裂，即该螺钉装机时已经存在裂纹，装机后在高温、振动工况下裂纹生长，最终导致断裂。

2.2 缺陷螺钉装机的原因分析

采用荧光检测的方法对修理工序检查过的螺钉进行复查，检测出仍有部分螺钉存在裂纹。

经分析，为防止高温烧结，螺钉安装前在螺纹表面涂高温石墨润滑脂。而在修理工序时，由于螺钉表面有难以清洗的黑色石墨润滑脂，按原工艺仅用放大镜目视检查，难以发现螺钉是否有损伤，致使存在裂纹缺陷的螺钉流入装配工序。

2.3 裂纹产生的原因分析

分析存在缺陷的螺钉断裂点，发现较多螺钉裂纹在距螺纹根部第2、第3螺纹处，认为在此处螺钉受到剪切应力。

分析发动机结构，螺钉连接部位有涡轮后机匣与外流道板，外流道板装配在后机匣上，通过下方卡槽与上方凸出的销子进行定位，流道板装配示意图如图4所示。

检查装配过程，在螺钉装配时发现部分后机匣上的外流道组件已经遮挡螺钉孔，如图5所示，螺钉装配后流道板必会贴靠螺钉。

当发动机运转时，此处的温度（即涡轮后温度）在中间状态不高于785℃，加力状态不高于800℃，流道板与螺钉受热膨胀，在高温、振动工况下，螺钉受到剪切力作用，从而引发裂纹。

基于UG三維软件，建立螺钉的有限元分析实体模型。考虑温度影响，在最高温度800℃的工况下对螺钉进行ANSYS模拟仿真，螺钉的仿真形变图证实了螺钉裂纹的产生原因，如图6所示。

3 改进措施

3.1 改良螺钉检查方法

由于螺钉表面有黑色石墨润滑脂，目视检查难以发现螺钉的裂纹损伤，经分析研究，采取增加荧光工序的方式来改良螺钉检查方法。修理工序对分解下来的螺钉进行清洗，检查螺钉外观后送至荧光工序进行荧光检测，对检测出裂纹的螺钉做报废处理，未发现故障的螺钉送入下工序。

3.2 装配时保证同心度

分析发动机结构与装配过程，由于流道板已事先装在涡轮后机匣上，故制作了一种有导正作用的定位销轴来保证同心度，销轴实物如图7所示。

当定位销轴通过混合器上的安装孔旋入后机匣螺钉孔时，销轴上的过度段就会对位于后机匣和混合器之间的流道板起到导正作用，遮挡螺钉孔的外流道板可被校正，此时混合器安装孔、涡轮后机匣安装孔（含外流道组件安装孔）的同心度大幅提升，螺钉可自由拧入涡轮后机匣安装孔，销轴使用前后效果对比如图8所示。

实行了上述两项措施后，经长期验证，螺钉断裂故障率降低至0%。

4 总结

经过对该型发动机混合器连接螺钉断裂故障进行原因分析与措施改进，可以看出，螺钉出现裂纹的原因为机件装配时不同心，以至高温时螺钉受到剪切力。特别是流道板装配与混合器装配分处两个工序，同心度控制方法与要求不统一。新设计的定位销轴则在混合器装配时进行导正，保证装配时混合器安装孔、涡轮后机匣安装孔、外流道组件安装孔同心，预防了连接螺钉断裂故障的发生。