燃烧丨空军某部队：某系列航空发动机热端部件烧蚀故障分析

近年来，随着训练难度和强度的持续加大，某系列发动机最大、加力状态使用时间大幅增加，由此带来的发动机燃烧室、涡轮装置、加力系统等热端部件的故障率不断攀升。本文结合一起加力燃烧室内隔热屏烧蚀故障的查处情况，对该系列发动机热端部件典型故障进行针对性扩展分析。

1 故障情况

对一架飞机进行航后检查时，发现发动机加力燃烧室扩散器在顺航向3点钟和8点钟方向大稳定器表面陶瓷层局部变色，3点钟方向第一段隔热屏前缘有15mm×10mm烧蚀缺损（见图1），在烧蚀部位前部加力筒体上有160mm×30mm局部过热痕迹，烧蚀部位后部隔热屏（从第一段延伸至第三段）氧化锆涂层存在宽度30～50mm轻微变色，外观检查其他装置无异常。

对故障发动机进行试车检查，发现全加力状态时隔热屏烧蚀部位存在明显高温重叠现象，呈现出一条沿航向分布的灼红色带（见图2）；随着油门收小，灼红色带逐渐变暗；退出加力状态后，故障部位局部过热现象消失。

图1  第一段隔热屏前缘烧蚀

图2  从全加力状态到收小油门烧蚀部位灼红色带变化情况

2 故障原因分析

根据该机典型故障现象，结合该系列发动机加力系统工作原理，分析认为造成发动机隔热屏烧蚀故障的可能原因有以下几点。

1）故障部位加力筒体隔热屏涂层脱落掉块，隔热冷却效果变差。

2）故障部位加力筒体隔热屏变形，隔热冷却效果变差。

3）故障部位隔热屏与外壁之间存在多余物或间隙不合格，影响冷却气流流通，使隔热冷却效果变差。

4）内外圈加力燃油总管出现裂纹，燃油射流集中，在3点钟方向燃烧形成过热区。

5）扩散器外壁固定安装座变形，导致加力外圈总管安装位置发生变化，部分喷杆燃油射流方向发生偏移，热射流直接作用于隔热屏内壁上。

6）扩散器外壁、整流支板、大小稳定器等出现变形，影响气流均布性，加力点火后热射流方向偏移，作用到隔热屏内壁上。

7）发动机工作喷嘴流量分布不均匀或积炭堆积影响雾化效果，导致局部区域燃气流温度偏高，加力接通后，温度场叠加，在3点钟方向形成过热区。

建立加力筒体烧蚀故障树，如图3所示。

依据故障树各子事件分支，逐项检查发动机各部附件技术状态，最终发现故障疑点有4处。

图3  加力筒体烧蚀故障树

1）测量大稳定器端头直径，其中1号和6号方向稳定器端头直径超过设计要求下限5mm，2号和7号方向稳定器端头直径超过设计要求下限3mm，其他符合要求。

2）测量小稳定器端头直径，其中1号和6号方向、4号和9号方向、5号和10号方向稳定器端头直径超过设计要求上限0.5mm，其他符合要求。

3）测量加力筒体3点钟方向筒壁与隔热屏之间的间隙为18mm，超过要求上限5mm。

4）检查该发动机全加力状态供油量为15382L/h，核查同批次8台大修合格发动机全加力状态平均供油量为14161L/h，即该发动机全加力状态供油量偏大8.62%。

综上，由于故障发动机受到全加力状态供油量偏大、第一段隔热屏间隙超差、稳定器直径超出工艺要求等综合因素的影响，造成加力燃烧室内温度场分布不均，加力筒体局部隔热冷却效果变差，最终导致3点钟方向第一段隔热屏前端出现烧蚀。

3 烧蚀故障类型

该系列发动机热端部件主要包括三部分：燃烧室、涡轮和加力燃烧室。受外场维护条件及检查手段制约，很难对燃烧室的先期征兆类故障进行有效检查和预先防范；涡轮装置检查虽受物理空间限制，但目前已广泛采取孔探等先进技术手段，检查结果较目测更加精准可靠；加力燃烧室整体检查便利，且故障占比较为突出，是维护人员检查的重点部位。

3.1 涡轮叶片烧蚀

发动机在外场使用中曾发生过多起涡轮叶片烧蚀故障，严重威胁飞行安全。例如，某部航后检查发现一台发动机喷口有轻微挂铝，检查各级压气机叶片均无异常，进一步分解检查发现1～3点钟方向高压涡轮导向器叶片有大面积烧蚀痕迹，对应部位的低压涡轮导向器叶片也有不同程度的烧蚀，高、低压涡轮转子叶片有不同程度挂铝。对高、低压涡轮导向叶片和转子叶片进行金相检查，发现高、低压涡轮导向器的局部位置曾达到限制以上温度，但高、低压涡轮转子叶片均未出现过热现象，这说明发动机燃烧室出口存在不均匀的温度场，局部超温导致了涡轮导向器叶片烧蚀故障。因此，尽管该起故障表象是涡轮叶片烧蚀，但问题的根源却是发动机燃烧室出口温度场不均匀。主要原因包括：

1）喷嘴积炭

分解检查故障发动机，可以看到个别喷嘴存在积炭现象。由于积炭造成喷嘴局部堵塞，导致喷油不均、燃油雾化质量不良，进而导致燃油浓度场不稳、燃烧效率降低。富油区域燃气在高速气流带动下，来不及充分燃烧及掺混降温就被推送至涡轮进口，造成燃烧室出口温度场分布不一致，甚至存在局部带火气流直接作用在涡轮导向器叶片上的情况，核心温度最高可达主流温度的两倍，极易导致燃烧室尾端、涡轮导向器及转子叶片的烧蚀。

2）油压异常

当因燃油泵气塞、定压活门卡滞或其他原因造成燃油泵供压脉动或实际流量比设计流量减少过多时，将导致喷嘴雾化效果变差、喷雾锥角偏斜过大甚至超出规范允许范围。在这些情况下起动点火时，油气混合气着火点将后移，致使部分燃油没有在火焰筒中燃尽便在气流的吹动下流向燃烧室下游，在涡轮导向器表面形成驻点燃烧，致使涡轮导向器叶片烧蚀。

3.2 加力筒体裂纹烧蚀

加力燃烧室气流速度快，进口温度高，除承受燃气压力和轴向应力引起的静载荷外，还承受气流振动、热应力等引起的交变载荷，容易导致筒体疲劳破坏、烧蚀变形等问题。

1）加力筒体裂纹

加力筒体裂纹是发动机的常见故障之一，主要集中在防振屏、隔热屏焊缝、火焰稳定器固定点根部、快卸环安装边等部位。分析试验表明，当T4超温或筒体局部富油燃烧时，将造成燃气压力脉动严重，易导致筒壁裂纹。另外，由于结构原因，在每个整流支板后会形成一条高温带，当加力喷嘴和支板相对位置不当，受支板尾迹影响，易在支板后形成不均匀燃油分布，形成局部高温区，导致筒体裂纹。

2）加力筒体烧蚀

加力筒体烧蚀是加力燃烧室内一种典型的危险性故障，是前期故障积累造成的一种严重破坏性后果。故障在隔热屏及筒体上均有显现，部位一般集中在距加力输油圈后0.5～1m范围内。造成隔热屏和筒体烧蚀的原因主要有加力输油圈焊缝裂纹和加力供油喷嘴局部堵塞，使加力燃烧室内局部燃油分布异常，导致可燃混合气在加力筒体及隔热屏前段与壁面接触，形成挂火燃烧后烧蚀筒体。

3.3 加力输油圈裂纹、喷嘴堵塞

加力输油圈变形、裂纹、断裂和喷嘴堵塞是加力系统最常见故障，是日常检查维护的重点。

1）加力输油圈裂纹

据统计，加力输油圈较其他热端部件故障率更高，其中又以焊缝裂纹故障最为突出。故障原因一般是焊接时存在原始缺陷（如气孔、焊瘤、弧坑、咬边、夹渣等），或预热温度和焊后缓冷措施不合适、焊缝附近产生硬脆组织等，可通过严格落实焊接工艺流程、环境技术条件及对成品件进行影像分析、技术检验加以控制。

2）加力燃油喷嘴堵塞

喷嘴堵塞故障也较常见，故障原因一是相关零件的金属削末或碎片进入喷嘴，二是加力喷嘴内留有残积油，在高温下蒸发、结焦、积炭引起堵塞。外场最常见的故障现象是加力喷嘴“点灯”，即在加力试车关车后个别加力喷嘴上出现挂火燃烧现象。该问题将加速喷嘴积炭，往往造成发动机工作时间不长而喷嘴出现严重堵塞情况。随着燃油裂解结焦喷嘴堵塞越来越严重，发动机加力燃烧室内的油气混合质量逐步变差，发生加力爆燃、筒体裂纹、烧蚀类故障的可能性将越来越大。

另外，火焰稳定器支臂磨损断裂、扩口螺栓脱落等问题也时有发生。故障原因包括：加力燃烧室内振荡燃烧气流的激振力使火焰稳定器振动频繁；由于支臂与螺栓材质不同，耐磨性不足，在寿命周期内磨损速度快，发生提前磨豁（穿）等问题；扩口螺栓保险裕度不足，在微动磨损下，扩口部分失去保险效能，造成螺栓松动脱落。

4 检查维护措施

针对发动机热端部件故障的严重危害性后果，应从日常检查维护角度入手，提高飞机检查维护的规范性及精准度，最大限度减少此类故障发生。

4.1 燃烧室出口燃气温度场管理

针对涡轮装置烧蚀故障，应重点防止燃烧室出口燃气温度场变化。

1）严格遵守发动机各工作状态使用管理规定。按规定进行发动机暖机和冷机，防止因排气温度过高、使用时间过长或燃烧室骤冷骤热造成裂纹、烧蚀和掉块等故障。严寒季节发动机关车后，应及时加盖防护堵盖，以防止发动机骤冷产生热应力损伤。

2）严格保持燃油清洁，防止工作喷嘴堵塞、锈蚀或划伤。在日常维中，应定期清洗油滤，经常保持加油口周围清洁，把好加油、拆装燃油系统附件和使用地面设备关口，防止脏物和金属屑进入燃油系统。

3）严格落实降温降转使用措施，加强对排气温度的监控。排气温度接近

上限时，应及时调整发动机最大转速至规定值下限，温度下调量不少于20℃;当发动机起动不成功，再次起动前必须进行冷开车以吹除燃烧室内积油，防止再次起动时燃烧室富油烧坏机件。

4）严格落实起动发动机的各项规定，防止起动烧坏发动机。为防止起动超温，试车时应避免顺风开车；正确调整发动机起动和加速性能，防止起动超温或“热悬挂”。当出现排气温度过高或喷口喷火故障时，必须在查明原因、排除故障后方能再次起动。

4.2 加力燃烧室工作环境优化

针对加力燃烧室部附件裂纹、烧蚀、变形等故障，应重点优化加力燃烧室工作环境。

1）合理调整飞机加力系统供油、点火及喷口控制电路匹配关系，检查喷口收放时间应符合规定，减小进出加力状态时的气流激振力损伤。

2）严格调整加力燃油总管压力、加力状态T4等参数，防止加力燃烧室内各部附件产生过热疲劳损伤。

3）检查加力燃油总管、加力输油圈焊缝应无裂纹、开焊，喷嘴无积炭，保证加力燃油雾化质量（外场加力试车时，在尾喷口侧方安全区域观察加力筒体或隔热屏有无灼烧过热现象，从而对烧蚀类故障征兆进行准确判断）。