某燃气涡轮发动机燃烧室内窥镜检查可行性分析

2021-01-14董德伟刘宁致

装备制造技术 2020年8期

董德伟，刘宁致

(1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲412002；2.空装驻株洲地区军事代表室，湖南株洲412002)

在航空技术飞速发展的今天，燃气涡轮发动机占据了航空动力的主导地位。燃气涡轮发动机在航空器上的大量应用，给航空器带来了飞速的发展，航空器已经从小型表演观赏型发展为大型通用型，亦经历了从慢速到超音速的过程。随着军民用航空器的大量使用，航空器事故频发也越来越受到人们的关注，在导致航空器事故的诸多因素中，发动机故障是关键原因之一，另据统计资料显示，发动机故障占距了20% ～30%［1］。燃烧室作为发动机的主要构成部分，充分了解并及时发现燃烧室故障，对于保障发动机的安全运行有着关键的意义。

1 燃气涡轮发动机燃烧室介绍

燃气涡轮发动机燃烧室由机匣、火焰筒、燃油喷嘴、旋流杯、点火装置等组成。由压气机扩压段出来的高压空气分成两股：一股(约占1/4～2/5)进入火焰筒前部，与喷嘴喷出来的燃油混合形成油气混合气，经点火装置点火后燃烧。另一股(占3/4～3/5)从火焰筒与外机匣间流过，对火焰筒壁面进行冷却，然后进入火焰筒与高温燃气掺混，使燃气温度降低，达到涡轮所要求的温度。通常要求燃烧室具有燃烧稳定、燃烧效率高、点火边界宽、流动阻力小以及结构简单、尺寸小、安全可靠和寿命长等特性［2］。

燃烧室按气流在燃烧室中流动的方向可分为以下三种：

直流式：气流在燃烧室中沿轴向流动。多数发动机采用这种燃烧室。

折流式：气流由压气机流出后，折成两路流入火焰筒。一般与甩油盘配合使用。

回流式：压气机出口的空气由燃烧室的后端流入火焰筒头部。一般用于采用离心式压气机的发动机中。

本文所讨论的燃烧室类型属于回流式燃烧室，该燃烧室结构简图如图1 所示。

2 故障分析

燃烧室作为燃气涡轮发动机承受热负荷最大的部件，常见的故障现象有火焰筒变形、裂纹、掉块，燃油喷嘴喷口有积炭、腐蚀，旋流杯裂纹、烧蚀等。故障产生的原因可以归纳为以下几点：

2.1 受高温热应力引起的故障

由于燃烧室承受的热负荷大，温度高，同时局部受热不均，会引起很大的热应力，经过一段时间工作而产生变形、裂纹、掉块等。这类故障多发生在火焰筒头部、筒体、排气弯管等部位。

2.2 受机械振动引起的故障

受机械振动引起的故障。多发生在燃烧室内、外部的联接部位。

2.3 积炭和腐蚀引起的故障

在局部高温及富油的条件下容易生成积炭。在燃烧区内，高温燃气容易引起腐蚀。积炭及腐蚀对喷嘴影响最大，它们破坏了喷嘴表面，特别是破坏了燃油出口的结构形状，使燃油雾化受阻。

2.4 燃烧过程组织不善引起的故障

燃油与空气不匹配或者分布不均匀，会引起燃烧室出口温度场及全台发动机的燃气温度场不均匀，从而导致局部扇形区内产生裂纹或烧伤。

3 内窥镜检查的作用

燃烧室作为燃气涡轮发动机的主要部件，由于其结构的特殊性，无法用肉眼直接对其内部结构进行观察，亦无法采用其它技术手段对其进行实时检测。通过引入内窥镜检查技术，可以在不分解发动机的情况下对燃烧室各部件进行100%检查。能够及时发现发动机工作后出现的各种问题，并能够及时对发现的问题进行评估。

内窥镜检查技术(VT)属于无损检测技术手段之一，用于解决人眼无法直接观察到的场所的检查和观察［3］。随着内窥镜检查技术的发展，该项技术在各个行业得到了大量的应用，尤其在航空发动机领域上应用特别广泛，已经成为发动机试车、维护、检修的必备手段之一。内窥镜检查技术随着科技发展的进步，其功能性得到了长足的发展。目前的内窥镜检查手段能够对被观察部位进行拍照、录像、测量以及通过内置软件进行图片后处理，例如对同一部位不同时间段的情况进行实时对比等。

通过内窥镜检查技术的应用，对于燃气涡轮发动机燃烧室而言，仅需要分解一个点火装置或一个特设的窥视孔将内窥镜的插入管插入即可进入燃烧室内部，通过控制插入管前端的镜头，就能够在不需要对发动机进行专门分解即可对燃烧室实现检查工作。内窥镜检查技术的应用，不但能得到用肉眼都无法看到的清晰照片，还能随时了解燃烧室内部的问题或问题的扩展情况。对于保障发动机的安全运行有着不可估量的作用。

4 典型故障

该型号燃气涡轮发动机研制过程中，发动机整机历经了各种科研试车的考验。特别是其燃烧室部件还单独进行了各种科研试验。充分暴露并发现了该燃烧室的故障问题，通过长期的试验、跟踪、总结，该燃烧室的故障问题可以归纳为以下几类：高温热应力引起的变形(图2)及裂纹类故障、机械振动引起的裂纹类故障、腐蚀类故障、积炭类故障。

各类具有代表性的故障图例如图2～图8 所示：