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1、发动机燃油供油导管断裂失效分析081142208郭江淳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
2、,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8mmx1mm,材料为1Cr18Ni9Ti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
3、、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
4、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
5、、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
6、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
7、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
8、,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
