发动机燃油供油导管断裂失效分析

　　1 引言

　　某型发动机连续发生两起空中燃油泄漏故障, 导致发动机空中停车, 严重影响飞行安全。具体过程是: 飞机飞行中发现后侧有白色雾状油带出现, 同时燃油耗量表和分组油量表指示异常。地面检查时, 有大量燃油从包皮内流出, 认定为发动机漏油。进一步检查, 两发动机的故障基本相同, 均为发动机主输油圈连接12#喷嘴的U 型导管在靠近工作喷嘴接头处断裂。该导管断裂后,导致大量燃油从该处喷出。

　　两发动机总寿命相差不多, 均较长。至故障发生时, 其修后寿命分别为24. 4h和15. 5h。断裂的两根导管中一根为发动机制造出厂时原台装配, 另一根为发动机大修时更换的新导管。两导管在修理中, 均按工艺要求进行了探伤检查和密封性试验, 未见异常。

　　本文从痕迹、断口和应力等方面对该故障进行了分析, 确定了导管断裂的性质, 并对其断裂原因进行了分析。

　　2 示例的试验过程与结果

　　2. 1 断裂导管检查

　　断裂导管的规格为8mm x 1mm, 材料为1C r18N i9T i不锈钢, 管接头与管体为手工火焰钎焊连接。

　　完好U 型供油导管在发动机上的安装位置。断裂后导管的情况, 断裂位置在U 形管的短边一侧接头根部焊缝处, 两侧明显错位, U 型导管开口端两侧向内侧收, 说明导管存在较大的向外张开的安装应力。

　　将断裂导管拆下检查, 表面有一些规则的、与表面呈一定角度的擦痕。检查断裂处附近的安装螺帽, 可见一侧边缘有明显的挤压痕迹。

　　拆下U 形导管上方的燃油总管检查, 一根总管表面未见异常, 无明显的与U 形导管接触、碰磨痕迹; 另一根总管在与导管上方对应的位置有一挤压凹坑，说明总管与导管之间有局部挤压、触碰。

　　2. 2 开车检查

　　为确定U 形导管及燃油总管在发动机工作时各自的振动情况, 是否存在干涉现象, 选择一架完好飞机进行开车检查。燃油总管振幅很小或基本无振动; 而U 形管高频大幅度振动, 振动方向垂直于U 形平面, 无明显的平行于U 形面的振动。

　　2. 3 断口分析

　　两根U 形导管的宏观特征基本相同, 断裂位置均在导管与接管嘴连接的焊缝根部。断口基本垂直于导管轴线。导管断裂部位呈椭圆形, 尺寸约为8mm .. 8. 5mm, 导管壁厚约1. 25mm。两个断口均可分为疲劳区和瞬断区两部分, 其中疲劳区面积约占整个断口面积的80%。两个断口的宏、微观特征基本相同, 整个断口平整, 源区有多个疲劳台阶,扩展区可见放射棱线和疲劳弧线; 1#断口源区与2#断口主疲劳源位置相同, 均位于U 形导管的外侧, 但2#断口上有一疲劳台阶明显的次疲劳源,位于U 形导管内侧。

　　微观观察发现, 两个断口的特征基本相同, 疲劳源区均为多源; 扩展中期可见细密的疲劳条带特征; 扩展后期可见大量二次裂纹。1#断口源区在钎焊缝部位, 存在未焊合、疏松等焊接缺陷; 2#断口疲劳源区位于焊缝根部, 源区未见明显缺陷。

　　2. 4 痕迹分析

　　U 形导管上侧、内侧和外侧均有不同范围的擦伤。进一步放大观察发现, 这些擦伤痕迹由大量细小划痕组成, 分析认为这些擦伤痕迹是在导管表面挫修时形成的。

　　与U 形导管相邻的燃油软管上有一椭圆形凹坑, 放大观察可见坑底有摩擦痕迹。从凹坑的位置和形状判断, 该凹坑是U 形导管与燃油软管之间互相接触留下的痕迹。检查与导管断裂处接管嘴匹配的螺帽内部, 发现局部区域有较深的压痕。

　　3 原因分析

　　3. 1 导管断裂性质

　　两个导管断口的宏微观分析结果表明, 两个导管的断口特征基本相同: 疲劳区面积大, 扩展区条带细密, 具有高周疲劳的断裂特征。疲劳源区具有多个疲劳台阶, 具有大应力起始特征。因此,两导管的断裂性质为起始应力较大的高周疲劳断裂。

　　3. 2 断裂原因

　　导管断裂故障是发动机上的常见故障 。在结构设计上, U 形导管在断裂部位主要承受装配应力、振动应力、燃油脉动应力和焊接残余应力的作用。

　　断口分析表明, 疲劳裂纹起始于导管U 形面的内侧或外侧表面, 向相对的一侧扩展, 特别是2#导管分别在U 形面的外侧和内侧对称分布着一大一小两个疲劳区, 说明导致疲劳裂纹萌生和扩展的应力为平行于U 形面的弯曲应力。根据燃油总管与U 形供油导管的安装结构, 这种弯曲应力主要来源于两个方面, 一是高压燃油从软管流向主输油圈时, 对输油圈将产生冲击应力, 使输油圈移动, 在U 形导管根部产生弯曲应力; 燃油的脉动, 相应地会在U 形导管根部产生交变的弯曲应力。二是该导管属于U 型结构, 一端连接于主输油圈, 另一端连接于12#喷嘴, 由于主输油圈上安装有12个供油导管, 不可避免地会在个别导管上存在装配应力, 使U 型管在开口端向外张开或向内压缩, 从而在导管断裂部位的内侧或外侧受到较大的弯曲应力。导管断裂后, 断裂位置两侧明显错位、拧紧螺帽局部存在压痕也说明存在较大的装配应力。显然燃油冲击引起的弯曲应力相对较小, 虽是疲劳裂纹扩展的主要应力来源, 但对裂纹的萌生影响小。而装配应力的数值较大, 对裂纹的萌生影响较大, 是导致导管大应力疲劳裂纹萌生的主要原因。

　　U 型导管在发动机上的安装相当于悬臂结构,其振动应是沿与导管平面垂直的方向, 发动机开车检查也证明了这一点, 这说明导管振动引起的振动应力对裂纹萌生与扩展的应力方向不一致, 因此对断裂的贡献不大。尽管燃油总管与断裂导管之间有时存在干涉现象, 但由于燃油总管有3处与其它部件接触, 被减振, 因此, 在发动机工作时, 燃油总管的振动很小, 几乎感觉不到, 而干涉的形成主要是两者之间间隙小, 供油导管沿与导管平面垂直方向振动引起的, 故两者之间的干涉对断裂没有明显影响。

　　另外, 导管焊缝处存在的未焊合、疏松等缺陷,破坏了结构的完整性, 同时还会产生较大的应力集中, 对裂纹的萌生具有促进作用。

　　4 结论

　　1)两起发动机空中漏油故障的直接原因相同, 均是由于与主输油圈12#喷嘴连接的燃油供油导管在连接处断裂造成的。

　　2)燃油供油导管的断裂性质为起始应力较大的高周疲劳断裂, 疲劳裂纹起始于U 形导管内侧或外侧的焊缝部位。

　　3)导管装配应力大是导致导管疲劳裂纹早期萌生的主要原因; 高压燃油冲击和脉动引起的弯曲应力对裂纹的萌生也有一定的影响; 导管焊缝处存在的焊接缺陷对裂纹的萌生具有促进作用。

来源：互联网

更多资讯，欢迎扫描下方二维码关注中国润滑油信息网微信公众号（sinolub）