某型航空发动机前紊流板裂纹故障分析

陈凡 王李军 路珲/国营锦江机器厂

1 故障描述

某型航空发动机外场300h定检时，机务人员发现发动机燃烧室外环前紊流板根部（第一排掺混孔）存在穿透性裂纹，裂纹沿圆周方向扩展角度约190°，超过维护手册规定。前紊流板上出现裂纹一般是允许的，发生在小孔之间的周向裂纹如沿圆周方向扩展到等于或大于180°时，需将发动机返厂检修。如果有数条裂纹，则应考虑第一条裂纹的起点至最后一条裂纹终点的范围：当0°<α<90°时，继续使用，每100h 作一次孔探仪检查；当90°<α<180°时，继续使用，每50h 作一次孔探仪检查；α≥180°时，发动机返厂检修。前紊流板根部断裂会造成前紊流板上的限位衬套与转子轴上安装的甩油盘端面摩擦，严重时导致发动机转子轴卡死，危及飞行安全。

2 断口失效分析

2.1 宏观检查

从图1 可以看出，发动机燃烧室前紊流板裂纹位于转角根部位置，为弧度约190°的周向穿透性裂纹。前紊流板分内外侧两个面，工作后外表面颜色呈灰蓝色，内表面颜色呈棕黄色。

2.2 微观检查

检查裂纹断口发现，断口及孔表被腐蚀物覆盖，其中孔表腐蚀严重，受热面孔口边缘存在多条微裂纹（见图2）；裂纹起源于受热面孔的边缘，沿紊流板圆周方向扩展，裂纹源区可见沿晶脆断特征（见图3）；裂纹扩展区可见明显的疲劳条带（见图4）；裂纹瞬断区微观呈现韧窝形貌（见图5）。

图1 前紊流板转角根部裂纹

图2 受热面孔口微裂纹

图3 源区（靠受热面）沿晶脆断形貌特征

2.3 能谱分析

在前紊流板断口裂纹源区、扩展区域各选择两处进行能谱分析，结果表明，除含GH188 基体材料主要元素外，源区和扩展区均含有O、S 等腐蚀元素，源区所含腐蚀性元素S 明显多于扩展区（见表1）。

2.4 分析结论

根据前紊流板工作特点和结构，该零件在发动机工作时主要受拉应力作用，第一排掺混孔处受力大且处于应力集中部位。结合前述检查情况分析，前紊流板第一排掺混孔在工作环境下发生热腐蚀，并在拉应力作用下萌生裂纹，随着工作时间延长，裂纹沿周向疲劳扩展，扩展过程中伴随热气流的腐蚀作用。前紊流板裂纹性质为腐蚀疲劳。

3 裂纹故障原因分析

3.1 结构组成

前紊流板和混合器组件组成火焰筒外环组件，为发动机燃烧室零件。前紊流板通过20 颗螺栓固定在混合器组件前端（见图6），功用是引导流入发动机离心压气机后的压缩空气通过前紊流板上的掺混孔均匀进入燃烧室，促进燃烧室内燃气的稳定燃烧。

3.2 工作原理

图4 扩展区疲劳条带

图5 瞬断区形貌

表1 紊流板断口能谱分析结果（wt%）

图6 前紊流板安装图

图7 燃烧室气流路径及工作温度分布

图8 火焰筒外环组件区域位置

发动机燃烧室零件是在高温、高负荷下工作，承受气体力、惯性力产生的静载荷和振动载荷，还受热应力和热腐蚀的作用。燃烧室火焰筒为薄壁钣金结构件，表面开有大量的掺混孔，受结构的相互约束，掺混孔边缘处的应力极为复杂，不仅存在应力集中，还有内外表面温度梯度变化不同步造成的热应力耦合。

前紊流板为薄壁钣金结构件，与火焰筒内环组成的半包围区为燃烧室主燃区，焰心温度可达2500℃（见图7）。前紊流板转角处的第一排掺混孔为直排孔，气流对该处壁板的冷却效果较其余部位的斜排掺混孔差，且该部位靠近甩油盘燃料出口处，受到的热应力影响更大，燃烧产生的沉淀物质更易附着积累在该处孔口边缘表面。此外，发动机起动后，燃烧室总体受向后的气体力、惯性力的合力作用，前紊流板随火焰筒外环组件向后移动，前紊流板上的齿状限位挡边与喷射油道轴颈齿状限位凸台会相互接触，承受向前的拉力，而前紊流板转角处为径向形状急剧变化的应力集中部位，相对前紊流板其他部位将承受更大的拉应力作用。因此，前紊流板转角处若产生腐蚀和裂纹缺陷，容易在复杂应力作用下开裂和扩展。

3.3 修理方法

现行技术文件中有清洗积炭、清洗后腐蚀检查、尺寸测量及无损检测要求。对照图8 所示的火焰筒外环组件区域位置，荧光探伤检查标准为：前紊流板“1”处，允许存在长度不大于5mm 的裂纹，裂纹长度大于5mm 则更换前紊流板；前紊流板钎焊“2”“3”处，允许存在总长度不大于20mm、间距不小于60mm 的裂纹，超过上述标准报废。

复查该发动机前紊流板大修质量记录。前紊流板清洗后检查表面无异常，荧光探伤无裂纹，各尺寸及形位公差符合工艺要求，可排除大修过程中前紊流板转角处存在腐蚀和裂纹的可能。

3.4 原因分析

综合上述情况分析，发动机前紊流板转角处裂纹为外场使用期间掺混孔边缘受到热腐蚀作用产生的表面缺陷，在应力集中作用下进一步发生疲劳扩展所致。热腐蚀是金属材料在高温工作环境中与表面沉积的硫化物、氧气和其他腐蚀性气体（来源于燃料、空气）共同作用下产生的。

4 措施

1）对该台前紊流板裂纹的发动机进行检修，修理合格后继续使用。

2）采用喷砂工艺去除前紊流板受热面（特别是掺混孔）残留的腐蚀物，降低热腐蚀带来的影响。

3）在用户按照维护手册定期开展检查工作的基础上，工厂将前紊流板裂纹检查纳入发动机巡检巡修范围，确保发动机外场使用安全。