航空发动机空气导管裂纹故障分析

时间：2024-05-17

赵四洋刘彦楠

（1.沈阳黎明航空发动机制造公司军事代表室，辽宁沈阳 110043；2.中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳 110043）

1 发动机润滑系统概述

1.1 润滑系统

润滑系统是向发动机主轴轴承、接触式密封装置、中央传动齿轮轴承等提供用于润滑及冷却的滑油，从而保证其正常工作。

1.2 润滑系统的组成

润滑系统由四个子系统组成：供油系统、回油系统、通气系统、密封装置增压系统。

1.3 通气系统

通气系统的作用是将漏入滑油系统的空气在与滑油分离之后排出发动机。通气系统的组成为：各轴承腔、离心通风器、前通风器、后通风器、滑油箱、油气分离器、通风管组件、高空活门。润滑系统的通气系统有两种方式：一种是前轴承腔、发动机附件机匣、飞机附件机匣及滑油箱的空气管路相连通，从一支点密封装置漏入前轴承腔的空气及中、后轴承腔回油泵抽回的空气经发动机附件机匣内的离心通风器和高空活门排入大气；另一种通气方式是采用轴心通风，即经密封装置漏入中、后轴承腔的空气由低压涡轮轴内的前后轴心通风器从低压涡轮轴轴心排入发动机尾锥后的加力燃烧室。

1.4 密封装置增压系统

密封装置增压系统的作用是对发动机各轴承腔进行密封及各密封装置外增压。密封增压系统的组成是： 1号圆周石墨件；2号圆周石墨件；3号圆周石墨件；4号圆周石墨件；5号圆周石墨件及后盖。前轴承腔密封外增压采用风扇后的空气，中轴承腔密封采用高压三级后的空气。后轴承腔密封外增压采用高压二级后的空气。

1.5 空气导管与滑油系统的关系

航空发动机采用高压压气机三级引气以封严中、后滑油腔，引气方式是：经高压压气机转子鼓筒上的孔及导流片后分为两股气流，一股气流向前经过前轴颈上的孔流到高压轴承腔外部对其进行封严；另一股气流经过高压压气机第4～9盘和篦齿盘以及高压涡轮盘的盘心，然后经过高压涡轮后轴颈上的孔流入低压涡轮第一级盘心腔，过程中为四支点轴承密封及低压涡轮盘冷却。空气导管穿过整个高压、高涡转子，其外鼓筒可以隔开发动机高压转子内腔与滑油腔，保证增压气正常封严滑油腔，内鼓筒用于连通发动机中、后滑油腔，保持压差稳定性。

当空气导管内鼓筒焊缝开裂后，由于高速离心力作用，内鼓筒会撕裂开口，引气直接灌入发动机滑油腔，造成滑油腔压力升高，油气比失调，轴心通风器的油气分离效率急剧降低，滑油随分离的气体大量排出滑油腔，发动机滑油消耗量增大，从而危害飞行安全。

1.6 空气导管结构图

空气导管结构见下图，双层导管筒体之间共有A、B、C、D、E五条焊缝，每条焊缝由六个凸台焊接而成，内、外筒体与空气导管前、后段有四条焊缝焊接。发动机试车后发现的裂纹故障为：内筒体与导管前段焊缝的周向裂纹，延伸至筒体基体的轴向裂纹。在解剖导管检查内、外筒体焊缝时，发现出现裂纹的位置在D、E两条焊缝处，裂纹为疲劳裂纹。

2 发动机空气导管裂纹故障案例浅析

2 012年以来，某型发动机相继出现了滑油消耗量大故障，经分解检查发现导致滑油消耗量大的故障原因是空气导管裂纹导致的。下面介绍三个典型案例：

案例一：某发动机持续工作一段时间，滑油消耗量大超过规定值，发动机分解后检查，发现空气导管内筒体后端轴向斜30度左右出现穿透性裂纹，另有2处分叉。主裂纹在台阶处与圆周裂纹相交。

案例二：某发动机持续工作一段时间，发动机因故障修理时，分解后发现空气导管内筒体与导管后段焊缝处出现穿透性裂纹，裂纹沿周向开裂。

案例三：某发动机试车结束后，进行分解检查，发现空气导管内筒体与导管后段焊缝处出现穿透性裂纹，裂纹为两段。导管前段涂层局部掉块，未发现脱落后的掉块，其余涂层部位起层。

图1

3 故障原因分析

空气导管裂纹属于疲劳裂纹，综合分析认为疲劳裂纹的产生主要是由于故障发动机空气导管的五条焊缝处的凸台断裂造成空气导管裂纹，其次由于空气导管、调整垫存在的磨损未经修复，重新装配时二者配合状态发生变化，使得工作时空气导管和调整垫未被压紧，产生较严重的微动磨蚀，微动磨蚀进一步使得配合状态恶化，引发空气导管产生有害振动，最终在振动应力和热应力综合作用下，导致空气导管焊缝薄弱部位裂纹萌生并扩展。空气导管内筒体外壁上的工艺挡肩与法兰盘形成的未融合缝隙、空气导管前端密封胶圈损坏等对裂纹萌生和扩展也有影响。