[paragraph]NG后机身涡流发生器断裂分析，请按需下载！转自《航空维修与工程》
波音737NG飞机后机身涡流发生器断裂分析
Analysis on the Fracture of B737NG After-fuselage Vortex Generators
陈江/厦门航空有限公司
摘 要：介绍了X航波音737NG飞机后机身涡流发生器频繁发生的断裂以及在役丢失状况,并从涡流发生器的运行环境和安装参数等方面着手，对其断裂的原因和预防措施进行探讨。
关键词：涡流发生器；断裂；腐蚀
Keywords：vortex generators；fracture；corrosion
1 故障描述
2013年上半年X航波音737NG系列飞机发生了6起后机身涡流发生器丢失的不安全事件，汇总历年断裂丢失的总数竟多达19片。
涡流发生器断裂丢失的主要原因是其根部产生裂纹并持续扩展。对其中一片断裂的涡流发生器断口（图1）进行分析后，发现根部萌生多处裂纹源，并持续扩展形成穿透性裂纹，瞬间断裂前的裂纹总长度约3.6英寸，符合韧性断裂的特征。
2 涡流发生器简介
涡流发生器（VG）是以某一安装角垂直安装在机体表面上的小展弦比小机翼。由于涡流发生器的展弦比较小，翼尖涡流的强度较强，这种高能量的翼尖涡流与其下游的低能量边界层流动混合后，把能量传递给边界层，使处于逆压梯度中的边界层流场获得附加能量后能够继续贴附在机体表面而不至于过早分离。安装涡流发生器有助于降低飞机失速速度，提高临界马赫数，延缓激波产生，改善飞机方向舵的操纵性。由于涡流发生器的控制效果明显，增加的重量和成本较少，且容易实现，因此在飞机的机翼、后机身、增升装置、动力装置中得到了广泛的应用。
3 涡流发生器的数据分析
3.1 无损检测结果分析
2013年上半年X航发生了6起波音737NG飞机后机身涡流发生器丢失的不安全事件，因此要求在航后目视检查工卡的基础上，增加对在役涡流发生器进行无损检测的检查。随后，无损检测工作参照波音无损检测手册，采用高频涡流（HFEC）进行检查。检查发现有裂纹并更换的涡流发生器共计25片（见表1），且裂纹长度在0.05～0.15英寸之间。
波音737NG系列飞机的后机身共装配有8片涡流发生器，在垂直安定面左右两侧各分布4片。由于后机身涡流发生器的安装呈对称分布，相同编号的左右两片涡流发生器受力基本相同。因此，把编号相同的左右两片归为一组。对有裂纹的涡流发生器归类分析，发现编号四的涡流发生器更换件的比例高达68%，如图2所示。
3.2 与其他公司丢失数据的对比
查询其他航空公司波音737NG飞机后机身涡流发生器断裂丢失情况，其中有三家航空公司（S航、Z航、N航）也有丢失情况发生（见表2）。
从表2数据可以发现，X航丢失的数量最多。查询X航波音737NG飞机后机身涡流发生器的丢失状况，其中编号四的数量高达14片，占丢失总数的74%。其他航空公司断裂丢失的也是编号四的涡流发生器。这表明编号四更容易出现裂纹。但其他航空公司均表示除了航后目视检查外，并未增加无损检测检查。而X航认为若不及时检查更换，将会丢失更多的后机身涡流发生器。
4 涡流发生器断裂原因分析
4.1腐蚀损伤是涡流发生器断裂的主要原因
对更换件仔细观察发现，多数更换件的根部表面有黑色的斑点，如图3所示。经分析确认，黑斑是由点蚀引起的。点蚀发展到临界尺寸，会使铝合金产生裂纹。已有的研究表明[1]，铝合金在存在腐蚀损伤情况下的裂纹萌生寿命会大幅度下降，裂纹扩展寿命将成为材料疲劳寿命的主要部分。查阅波音资料，后机身涡流发生器材质为2024-T3铝合金。这种材料具有较高的强度和优良的耐疲劳性，但耐腐蚀性较低。
飞机结构的腐蚀损伤在沿海地区比内陆地区严重，南方地区比北方地区严重[2]。以地处南方沿海的厦门高崎国际机场和福州长乐国际机场为主要运行基地的X航，飞机结构很容易产生腐蚀损伤。通过S航与X航的运行基地的环境（包括机场距海边的距离和当地降雨量、温度、湿度）对比（见表3），详细分析运行环境对飞机结构腐蚀的影响。
低空大气含盐量与海岸距离有极大的关系。一般离海岸2千米起，空气中含盐量比海上降低50～100倍。所以，距离海岸越近，空气中含盐量越多，腐蚀就越严重。表4列出了钢的腐蚀速度与海岸距离的关系。从表中可以看出，钢在距海岸45米处的腐蚀速度几乎是离海岸400米处的腐蚀速度的8倍。同样的，离海岸越近对后机身涡流发生器的腐蚀损伤越严重。
涡流发生器的腐蚀是在水膜下的电化学腐蚀。水在电化学腐蚀中是一个不可或缺的因素。飞机昼夜温差和飞行空地循环温差导致含盐的水蒸汽变成凝露，大量的凝露形成水膜覆盖在涡流发生器的表面，构成了腐蚀条件。半径小、穿透力极强的氯离子在破坏铝合金表面的氧化膜后，以被破坏呈活化状态的铝合金为阳极，未被破坏保持钝化的部分为阴极，组成活化—钝化电池。起初很小的破坏点就形成了小阳极大阴极，并很快产生较深的点蚀。当运行环境的年平均相对湿度大于70%时，氯离子对铝合金腐蚀的催化作用明显加快[3]。而厦门高崎国际机场和福州长乐国际机场的年平均湿度都远高于70%。另外，当平均相对湿度在临界相对湿度以上时，温度越高，铝合金腐蚀就越严重。厦门机场和福州机场的当地年平均温度比S航的运行基地高很多。
从两家航空公司运行基地的比较中可以得出，X航的运行环境使飞机结构更容易产生腐蚀。再次证明X航机队后机身涡流发生器断裂丢失的主要原因是腐蚀损伤。
4.2 探讨编号四涡流发生器的断裂原因
涡流发生器的尺寸大小、安装角度和安装位置是影响飞机机身后体流动分离的主要参数[4]，也是影响涡流发生器受力的主要参数。由于后机身涡流发生器的尺寸大小相同，影响其受力的主要因素是安装角度和安装位置。从后机身涡流发生器安装示意图（图4）看出，相比其他编号的涡流发生器，编号四的涡流发生器与飞机飞行状态下空气的气流方向的夹角更大（θ1<θ2<θ3<θ4）。这说明，编号四的涡流发生器承受的气流冲击力更大，更易发生应力疲劳，更易出现断裂丢失。另外，根据飞机的气流特征分析，相比其他编号的涡流发生器，编号四的安装位置更接近风口处，承受的气流扰动较大。
分析17片编号四更换件的裂纹原因，其中有15片是由腐蚀损伤萌生的裂纹。同时，腐蚀都分布在涡流发生器朝向水平安定面的一面。这种腐蚀现象是因为编号四的涡流发生器安装位置特殊，靠近水平安定面，腐蚀物易附着，且在日常维修中不易清洁和维护。
5 预防措施
由于飞机在停放时后机身涡流发生器在腐蚀环境中产生腐蚀，而且飞机飞行时又在腐蚀环境和交变应力的共同作用下加速腐蚀损伤，因此后机身涡流发生器性能明显降低，使用寿命显著缩短。
现阶段，日常维护要及时安排后机身涡流发生器的清洁和防腐，尤其是编号四涡流发生器。争取做到腐蚀随时发现，随时清除。同时，合理制定检查周期，做好预防性维修工作。X航在综合考虑检查区域、检查间隔以及现有区域检查工卡等因素后，要求每隔三个A检对后机身涡流发生器进行一次高频涡流检查。从目前的检查效果来看，基本能够及时发现裂纹，降低丢失的风险。
参考文献
[1] 领才，谷岸，刘慧丛，姜同敏.海洋环境下服役飞机铝合金零件腐蚀失效分析[J].北京航空航天大学学报，2008（10）.
[2] 陈跃良. 海军飞机结构腐蚀控制及强度评估[M].北京：国防工业出版社,2009-12.
[3] 刘世兴，杜洪增，白杰.MD-82型飞机的腐蚀损伤及影响因素分析[J].中国民航学院学报, 2005, 23 (6).
[4] 杜希奇，蒋增，佟胜喜，何宏伟. 基于涡流发生器控制民机后体流
动分离与减阻机理的实验研究[J].工程力学, 2012(8).
作者简介
陈江，助理工程师，主要从事波音飞机无损检测工作。 | 
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发表于 2014-12-23 22:24:03
