航改燃气轮机燃烧室故障模式、影响及危害性分析

朱 涛

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）

0 引言

燃烧室作为燃气轮机的核心部件，其工作可靠性对整机的使用安全及寿命有重要影响。燃烧室在工作时受到高温气流的热冲击和整机的振动影响，在热应力、蠕变应力和振动应力的交互作用下发生故障的概率较高。采用传统方法只能对已经发生的故障提出相对应的解决措施，如果燃烧室的结构及其使用环境发生重大改变则存在因历史数据覆盖不全面而造成对故障的遗漏和误判。同时传统故障分析方法不能全面地考察系统及组成系统的各功能单元之间的逻辑关系及判断单元故障对系统产生影响的程度，且存在人为因素的干扰，导致判断结果具有较大的差异性。

在大量经验积累的基础上，在20 世纪50 年代初期，美国格鲁曼公司在海军飞机操纵系统的设计研制中提出了故障模式及影响分析（Failure Mode and Ef⁃fects Analysis，FMEA）方法。FMEA 是一种定性分析法，在其基础上增加危害性分析（Criticality Analysis，CA）才能对故障模式进行定量分析，形成故障模式、影响及危害性分析（Failure Mode，Effects and Criticali⁃ty Analysis，FMECA）方法。60 年代美国航空航天局在进行小批量、高费用而又缺少历史使用数据的产品开发过程中应用FMECA 方法保证了系统的可靠性。此后，FMECA 方法被各工业领域所引入，成为可靠性设计的重要方法。

航空发动机作为技术难度较大的工业产品，在其设计过程中也早已引入FMECA方法来提高产品可靠性。罗泽明等总结了FMECA的研究现状，分析了可靠性评估的方法和关键问题；苗雨奇介绍了FMECA在航空发动机研制中的应用和工作方法，并对某系列发动机快卸环故障进行分析，表明采用FMECA 能够全面考虑零部件失效模式，针对危害程度高的故障进行改进能够有效提高系统可靠性；曹茂国等应用FMEA 和FMECA 方法对航空发动机可靠性进行分析，同时指出其存在的缺点，表明从方案设计阶段开始边设计边分析，使其贯穿整个设计过程才能收到良好效果。

本文将FMECA方法应用于航改燃气轮机燃烧室工程研制阶段，通过对燃烧室硬件功能的分析指出其潜在的故障、风险及危害，为后续的维护保养和测试检查等工作提供参考。

1 FMECA方法介绍

FMECA 由故障模式及影响分析（FMEA）和危害性分析（CA）组成，只有在FMEA 的基础上才能根据以往故障的统计数据建立危害性分析。FMECA 方法可以在产品全寿命周期内使用，根据不同的阶段使用不同的FMECA方法。本文重点考察在工程研制阶段的燃烧室结构可靠性，因此选用硬件FMECA方法。

根据GJB/Z 1391-2006《故障模式、影响及危害性分析指南》的建议，硬件FMECA步骤如图1所示。

图1 硬件FMECA步骤[8]

在FMEA阶段，首先进行系统定义，其目的在于使分析人员能够有针对性地对被分析产品在给定任务下进行所有可能的故障模式、原因和影响分析。根据产品的硬件特征，确定其可能的故障模式并进行分析。

针对产品故障模式，找出每个故障产生的原因，进而采取有效的改进措施。一般从导致故障发生的物理、化学等过程中找出直接原因或从外部因素如使用环境、人为因素等方面找出间接原因。

根据每个故障模式产生的最终结果的严重程度进行严酷度分类，为后续危害性分析提供基础。故障检测方法分析是为产品的维修与测试性设计提供依据，一般来说针对潜在的故障模式在设计时应尽量采用事前检测方法。

设计改进和使用补偿分析的目的是在产品设计和使用过程中，对每种故障模式产生的影响采用消除或减轻措施，从而提高系统可靠性。

以FMEA 为基础进行CA，从而能够对产品的每种故障模式产生的综合影响进行全面评估。其常用方法有风险优先系数（Risk Priority Number，RPN）方法及危害矩阵分析方法。

2 燃烧室结构层次及可靠性框图

燃气轮机燃烧室的功能是将燃油的化学能转变为热能，将压气机增压后的高压空气加热到涡轮所需的温度，进入涡轮膨胀作功。

本文所述中等功率燃机燃烧室结构（如图2 所示）由燃烧室机匣外套、机匣内套、火焰筒、带喷嘴的燃油总管、前封严环等组成。燃烧室机匣作为发动机的主要承力构件，承受发动机的轴向力、惯性力和气体压力等；火焰筒是燃烧室进行燃烧的主要场所，承受着高温的作用；燃油总管和喷嘴的作用是输送燃油和燃油雾化，保证油气充分混合和燃烧顺利进行。

图2 燃烧室结构

根据燃机燃烧室的组成、结构层次关系来划分约定层次。初始约定层次为：对于中等功率燃气轮机，约定层次为燃烧室，最低约定层次为燃烧室的零组件。燃烧室的结构层次和可靠性如图3、4所示。

图3 燃烧室结构层次

图4 燃烧室可靠性

3 燃烧室FMECA

航改燃气轮机燃烧室以某航空发动机燃烧室为原型，针对燃气轮机的使用环境进行适应性改进。原型机燃烧室在使用过程中发生过的故障见表1。

表1 原型机燃烧室发生过的故障

3.1 燃烧室机匣FMECA

燃烧室机匣由机匣外套和机匣内套组成，内外套均为承力部件，主要承受气体压差、气体轴向力、由机匣后安装边传入的涡轮机匣以后各部件的轴向力、扭矩和惯性力等。

采用定性分析法判断故障模式发生概率的等级，其划分标准见表2；对燃烧室机匣进行FMECA，结果见表3。

表2 故障模式发生概率等级

从表3 中可见，燃烧室机匣的主要故障模式是焊缝开裂和壁面破裂。作为发动机的主要承力部件之一，其故障发生的直接后果是丧失承力功能并导致高温气体外泄，造成火灾、人员受伤等严重后果，为避免此类严重事故的发生，在设计与制造燃烧室机匣时，应对焊接方法和工艺参数进行严格规定，对加工质量进行严格控制。

表3 燃烧室机匣FMECA

3.2 火焰筒FMECA

火焰筒由导流罩、内外壁、套筒、挡溅盘、支撑壁及头部组件组成，是燃料和空气混合并发生化学反应释放热量的主要场所，其工作时受到强烈的热冲击和气动力作用，是燃烧室中发生故障概率较大的部件。对其进行FMECA，见表4。

表4 火焰筒FMECA分析（续）

表4 火焰筒FMECA分析

在燃烧室工作时，火焰筒壁面长时间受到高温气流的冲击，其主燃孔、掺混孔、气膜孔等开孔的边缘在热应力的作用下易萌生初始裂纹，随着使用时间的增长，当裂纹扩展到一定程度形成闭合时就会造成火焰筒壁面掉块。掉落的碎块在气流的作用下会对下游的涡轮部件造成一定的危害；同时，火焰筒受到的静力载荷较小，其壁面掉块并不会对燃烧室及整机的安全性造成严重的危害。因此，在使用过程中定期对其进行孔探仪验视，根据检查情况来判断是继续使用还是返厂维修。

3.3 带喷嘴的燃油总管FMECA

喷嘴和燃油总管组成了燃油喷射系统，其主要功能是对燃油进行雾化，喷嘴的性能稳定性对燃烧室性能有较大影响。对其进行FMECA，结果见表5。

表5 喷嘴及燃油总管FMECA

对喷嘴和燃油总管进行FMECA 可知，喷嘴的故障模式以油路堵塞和端面积炭为主，主要后果是影响燃烧室的出口温度分布，进而影响涡轮使用寿命。在设计和使用过程中应采取相应的办法减少故障的发生。对于燃油总管，其主要故障模式是管路连接处的焊缝开裂，会造成燃油泄漏引起火灾等严重后果，在设计及加工、装配等过程中应采取加强焊缝质量控制、减少装配应力等措施，保证燃油总管的使用安全。

3.4 前封严环FMECA

前封严环的主要作用是与压气机篦齿形成气流封严结构，如果发生故障，则会造成漏气，影响整机效率。对其进行FMECA，结果见表6。

表6 前封严环FMECA

在发动机运行过程中，由于各部件的温度不同，造成转动部件和静止部件之间的间隙会随着发动机状态的变化而变化，采用金属片制成的蜂窝结构能够较好地实现不同腔体之间的空气密封。而篦齿磨损造成蜂窝损坏会在一定程度上影响密封性，因此需要在生产中通过控制加工工艺参数来保证配合部件间的间隙，减少蜂窝的磨损，保证其密封性。

3.5 危害性矩阵的建立

根据前述各零组件的FMECA 建立危害性矩阵，如图5所示。

图5 危害性矩阵

每种故障模式在OP线上的投影距O 点越远则其危害性越大。从图中可见，代码为05、07和16的故障模式对燃烧室系统的危害性最大，其所代表的故障模式分别为火焰筒内、外壁壁面掉块和燃油总管焊缝开裂。分别制定了定期检查及提高焊缝质量、减小装配应力的措施。

4 结论

（1）火焰筒壁面掉块及燃油总管焊缝开裂会对燃烧室及整机的性能、结构完整性和使用安全性造成较大影响，应采取相应措施降低其发生概率和严重程度；

（2）针对发生故障概率较低及严重程度较低的故障部件可以适当降低其设计成本；

（3）运用FMECA 能够比较客观地找出系统的薄弱环节，指出产品的使用维护方向；

由于产品的历史使用数据不多，因此不能建立更为准确的定量危害性矩阵，在今后的使用过程中需要积累更丰富的数据，从而更精确地建立可靠性模型。