丁金濤,張麗娜

(中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002)

0 引 言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路主要用于對(duì)燃油、滑油和空氣等介質(zhì)的輸送，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)的重要組成部分。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的外部管路有些單獨(dú)與機(jī)匣或附件相連，有些是通過管接嘴或卡箍彼此相連，共同構(gòu)成較為復(fù)雜的管路系統(tǒng)。管路系統(tǒng)被稱為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的“心血管”，是保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠工作的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)完整性的要求與整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求相一致[1]。

1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路有幾十根至上百根，管路敷設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣和飛機(jī)機(jī)艙之間十分有限的空間中，因功能需求不同而設(shè)計(jì)成粗細(xì)不同、長短各異、走向復(fù)雜的形狀，這就使發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)的復(fù)雜程度大大增加。美國通用電氣公司對(duì)以往研制的發(fā)動(dòng)機(jī)在使用中出現(xiàn)的空停事件進(jìn)行歸納總結(jié)后，發(fā)現(xiàn)50%是是由于外部管路、導(dǎo)線和傳感器的損壞和失效引起的[2]，在我國目前成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)中，外部管路斷裂故障占全部空中飛行結(jié)構(gòu)故障總數(shù)的52%[3]。

以往的調(diào)查研究表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路是故障多發(fā)件，由于工作環(huán)境的惡劣性，導(dǎo)管斷裂及管接頭故障經(jīng)常發(fā)生，而振動(dòng)是導(dǎo)致管路故障的主要原因[4～6]。因此開展管路振動(dòng)研究對(duì)提高管路的安全可靠性，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行具有非常重要的意義。筆者首先分析了引起管路振動(dòng)故障的主要激勵(lì)振源、管路振動(dòng)模式，之后總結(jié)了管路振動(dòng)故障分析框圖，并進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用分析。

1 管路系統(tǒng)振動(dòng)機(jī)理分析

1.1 管路振動(dòng)振源

按照振動(dòng)激勵(lì)的性質(zhì)不同，發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)的振動(dòng)可以分為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩種類型。管路的強(qiáng)迫振動(dòng)，是指管路受到其外界或內(nèi)部的周期性或隨機(jī)性機(jī)械載荷、流體載荷作用所產(chǎn)生的振動(dòng)；管路的自激振動(dòng)，是指管路內(nèi)部介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)與管路的運(yùn)動(dòng)相互耦合作用而形成的振蕩激勵(lì)所產(chǎn)生的振動(dòng)，通常又稱之為管路的流動(dòng)失穩(wěn)。以下對(duì)引起管路系統(tǒng)振動(dòng)的振源進(jìn)行分析。

(1)轉(zhuǎn)子不平衡力 由于轉(zhuǎn)子材質(zhì)的不均勻、設(shè)計(jì)的缺陷、熱變形、制造和裝配的誤差，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布會(huì)有不均勻的問題，使得實(shí)際轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)中心與形心不一致，不可避免地存在不同程度的不平衡。轉(zhuǎn)子靜彎曲、熱彎曲、轉(zhuǎn)子不對(duì)中或旋轉(zhuǎn)件飛出等情況，均會(huì)產(chǎn)生較大的不平衡力。當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生周期性不平衡力，轉(zhuǎn)子不平衡力的大小取決于轉(zhuǎn)子不平衡量的大小和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的高低。轉(zhuǎn)子不平衡力作為一種周期激勵(lì)最后作用在管路系統(tǒng)上，轉(zhuǎn)子不平衡力的激勵(lì)頻率fe=n/60(n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速)。轉(zhuǎn)子不平衡力所引起的振動(dòng)，與其它原因引起的振動(dòng)不同，具有固有特征，即動(dòng)載荷與轉(zhuǎn)速平方成正比，頻率與轉(zhuǎn)速相同。

(2)流體脈動(dòng)壓力 航空發(fā)動(dòng)機(jī)上燃油系統(tǒng)或滑油系統(tǒng)的管路，由于受到燃油泵、滑油泵和回油泵等油泵的作用，會(huì)使管內(nèi)的流體壓力發(fā)生周期性變化。在管路的彎曲處、變管徑處，管路內(nèi)流體的壓力脈動(dòng)將產(chǎn)生作用于管路的周期性激勵(lì)力，流體脈動(dòng)壓力的激勵(lì)頻率為f=kn/60(k為泵的齒數(shù)或柱塞數(shù)，n為泵的轉(zhuǎn)速)。

(3)卡門渦街 在一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的管路系統(tǒng)中，處在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流通道中的管路，通常會(huì)受到卡門渦街的作用而產(chǎn)生振動(dòng)。管路放置在一個(gè)均勻流場(chǎng)中，當(dāng)流體通過管路這一圓柱形障礙物時(shí)，在管路后面的尾流將不是均勻的，而是呈現(xiàn)出離散的渦狀流動(dòng)，即卡門渦街。漩渦交替地為順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向并伴隨一個(gè)交變地作用于管路上的橫向激勵(lì)力(卡門力)。卡門渦街引起的振動(dòng)現(xiàn)象非常復(fù)雜，可引起強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)[7]。

(4)葉柵尾流和密封氣流 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形氣流通道中，由于靜子葉片的存在，使得葉片下游的氣流總壓和流速有所降低，當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片通過這段區(qū)域時(shí)，所受的氣動(dòng)力將有所改變，氣流對(duì)葉片表面周期性壓強(qiáng)的變化，激起葉片的振動(dòng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子之間采用封嚴(yán)裝置進(jìn)行封嚴(yán)，氣體在封嚴(yán)腔內(nèi)的周向旋轉(zhuǎn)將產(chǎn)生滯后于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的不均勻壓力分布，合成后會(huì)產(chǎn)生垂直于轉(zhuǎn)子位移的切向力，進(jìn)而誘發(fā)轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定振動(dòng)。葉柵尾流和密封氣流產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)通過機(jī)匣傳遞至發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路，引起管路振動(dòng)。

(5)燃燒室振蕩燃燒 在燃燒室中，火焰駐定在預(yù)定區(qū)域，在火焰筒內(nèi)建立回流區(qū)，依靠高溫燃燒產(chǎn)物的回流將混合氣體加熱到著火溫度，形成自動(dòng)點(diǎn)火源。當(dāng)燃燒室在富油或貧油工作時(shí)，回流氣體流量太小或回流溫度太低，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)振蕩燃燒，產(chǎn)生軸向、橫向的振蕩，其頻率等于外部管路的固有頻率時(shí)，將引起管路的共振。

1.2 管路振動(dòng)模式

由以上分析可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)上的管路處于強(qiáng)烈振動(dòng)環(huán)境下，受到各種振動(dòng)源的激勵(lì)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)振動(dòng)故障以疲勞破壞為主，其主要表現(xiàn)形式包括接頭松動(dòng)破裂、管體疲勞損傷、焊縫裂紋、密封失效等，按振動(dòng)模式主要包括徑向振動(dòng)和橫向彎曲振動(dòng)。

(1)徑向振動(dòng) 導(dǎo)管的徑向振動(dòng)，一般是由于管內(nèi)流體的壓力脈動(dòng)所引起的。在管內(nèi)壓力作用下，導(dǎo)管沿徑向產(chǎn)生變形，由于管內(nèi)壓力存在周期性變化，因此導(dǎo)管徑向變形也會(huì)產(chǎn)生周期性變化，即產(chǎn)生徑向振動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)管振幅較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)縱向的疲勞裂紋，這種裂紋一般出現(xiàn)在導(dǎo)管剛度變化較大的地方(如靠近接頭或卡箍的部位)或?qū)Ч軓澖翘帯?/p>

(2)橫向彎曲振動(dòng) 導(dǎo)管的橫向彎曲振動(dòng)，一般是由于轉(zhuǎn)子不平衡力、葉柵尾流和密封氣流傳遞來的氣動(dòng)激勵(lì)以及燃燒室火焰脈動(dòng)激勵(lì)等載荷傳遞至導(dǎo)管安裝位置時(shí)，誘發(fā)導(dǎo)管垂直于管線的反復(fù)彎曲振動(dòng)。導(dǎo)管彎曲振動(dòng)的現(xiàn)象和琴弦振動(dòng)相似，導(dǎo)管受到反復(fù)的彎曲力矩作用，在其橫截面內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的拉伸/壓縮應(yīng)力。導(dǎo)管的彎曲振動(dòng)往往引起橫向疲勞裂紋和斷裂。

2 管路系統(tǒng)振動(dòng)故障分析

2.1 管路振動(dòng)故障分析框圖

依據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和振動(dòng)故障產(chǎn)生的機(jī)理，結(jié)合多個(gè)管路振動(dòng)故障案例，梳理出航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路振動(dòng)故障分析框圖(見圖1)，主要包括以下幾個(gè)方面。

圖1 管路振動(dòng)故障分析框圖

(1)首先對(duì)管路進(jìn)行斷口分析，即利用實(shí)體放大鏡、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡等對(duì)斷口的宏觀、微觀形貌及特征進(jìn)行觀察和分析，用于明確裂紋性質(zhì)以及裂紋起始發(fā)生的位置，區(qū)分其是強(qiáng)度破壞斷口還是疲勞破壞斷口。

(2)對(duì)斷口部位材料的金相組織、化學(xué)成分和硬度進(jìn)行檢查分析，確定材料是否滿足設(shè)計(jì)要求。導(dǎo)管材料或加工缺陷，如氣孔、砂眼、發(fā)紋以及加工質(zhì)量不好等原因，將導(dǎo)致管路疲勞極限明顯降低，工作中易出現(xiàn)破壞。

(3)對(duì)故障管路的焊接工藝及加工過程進(jìn)行復(fù)查，確定其加工過程是否符合工藝要求，是否造成較大的焊接損傷、壓傷、劃傷等。導(dǎo)管連接處大多采用焊接的方式，焊縫缺陷是導(dǎo)致管路破壞的常見誘發(fā)因素，將直接影響管路的疲勞極限。

(4)對(duì)故障管路的裝配過程進(jìn)行復(fù)查，確定其是否存在過大的裝配應(yīng)力。在管路裝配過程中，由于加工的尺寸偏差，導(dǎo)致管路在連接、固定過程中產(chǎn)生裝配應(yīng)力。導(dǎo)管裝配時(shí)的預(yù)緊應(yīng)力過大會(huì)引發(fā)疲勞裂紋，導(dǎo)管的管接頭焊縫區(qū)也易因振動(dòng)原因造成疲勞裂紋而漏油。

(5)對(duì)故障管路進(jìn)行振動(dòng)應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)，以了解管路工作時(shí)的振動(dòng)特性和應(yīng)力水平。在完成管路的振動(dòng)頻率和故障位置的振動(dòng)應(yīng)力測(cè)量之后，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可分析管路的振動(dòng)性質(zhì)、激振源、振動(dòng)應(yīng)力與故障的因果關(guān)系，確定引起管路振動(dòng)故障的原因。

2.2 應(yīng)用案例分析

某發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中，軸承腔滑油回油管組件存在裂紋見圖2，以此為案例，驗(yàn)證管路振動(dòng)故障分析框圖的主要工作。

圖2 故障裂紋部位圖

(1)斷口分析 對(duì)裂紋宏觀檢查，可見裂紋位于零件擴(kuò)口根部R處內(nèi)側(cè)，裂紋區(qū)域管路外表面陽極化膜有龜裂和不完整現(xiàn)象。在實(shí)體放大鏡下觀察斷面，斷口高低起伏，未見宏觀塑性變形，源區(qū)可見多個(gè)點(diǎn)腐蝕微坑，疲勞區(qū)可見疲勞弧線和疲勞臺(tái)階；在掃描電鏡下觀察斷面，斷裂起源于擴(kuò)口根部外表面，由外表面向內(nèi)表面擴(kuò)展，源區(qū)可見多個(gè)點(diǎn)腐蝕坑，擴(kuò)展區(qū)可見疲勞條帶。如圖3、4所示。

圖3 宏觀斷口

通過裂紋宏觀和微觀形貌分析認(rèn)為：該管路開裂是疲勞裂紋，裂紋起源于擴(kuò)口根部外表面。

(2)冶金分析 對(duì)管路的冶金分析包括金相組織、化學(xué)成分和硬度的檢查分析。對(duì)管路進(jìn)行金相組織分析，分析結(jié)果表明該材料符合GJB2379-95技術(shù)條件要求。在斷口附近取樣，制樣后在光學(xué)顯微鏡下觀察，零件外表面膜層有明顯開裂和不完整現(xiàn)象，表面有多處輕微點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象(見圖5)；腐蝕深度為32 μm；基體組織正常，為α+第二相，無過燒現(xiàn)象，膜層厚度約為10 μm。擴(kuò)口部位的基體顯微硬度HV0.2=58。

圖4 微觀斷口

圖5 擴(kuò)口處管外表面膜層和腐蝕

通過冶金分析的結(jié)果，可知：該管路化學(xué)成分、顯微組織、硬度均符合GJB2379A-2015技術(shù)條件要求。

(3)加工過程復(fù)查 該管路為兩端擴(kuò)口，管路的擴(kuò)口按標(biāo)準(zhǔn)HB4-52-2002進(jìn)行。查看該管路相關(guān)加工資料，擴(kuò)口過程符合工藝規(guī)程要求，擴(kuò)口檢查無劃傷、壓傷等加工缺陷。

(4)裝配過程復(fù)查 對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路進(jìn)行了裝配應(yīng)力測(cè)試，在發(fā)生裂紋故障一端處粘貼應(yīng)變片。測(cè)試時(shí)，先安裝未發(fā)生裂紋故障的一端，再安裝發(fā)生裂紋故障的一端，測(cè)得管路的裝配應(yīng)變?yōu)? 372 με。鋁合金管路6A02的彈性模量E為71 GPa，因此該管路的裝配應(yīng)力為97.4 MPa。

(5)振動(dòng)應(yīng)力測(cè)量 按原破裂的鋁管走向重新取樣加工一根鋁管，該鋁管技術(shù)狀態(tài)與故障件鋁管狀態(tài)基本一致。管路粘貼應(yīng)變片后選擇在發(fā)生故障的發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中，當(dāng)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速93.6%、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速100%時(shí)，管路的振動(dòng)應(yīng)力最大達(dá)47.1 MPa。

(6)故障原因分析 綜合以上分析，可以認(rèn)為管路故障的原因是由于管路裝配應(yīng)力較大，疊加發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的較大振動(dòng)應(yīng)力，擴(kuò)口根部萌生裂紋，裂紋擴(kuò)展，繼而開裂。根據(jù)故障分析結(jié)果，可采取完善加工、裝配工藝規(guī)程，控制管路的形狀和尺寸誤差、安裝誤差，以減小該管路組件的裝配應(yīng)力；通過增加卡箍、橡膠襯套等調(diào)整固有頻率、增加結(jié)構(gòu)阻尼，以控制管路的響應(yīng)水平，減小管路的振動(dòng)應(yīng)力。

3 結(jié) 語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)的振動(dòng)故障是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造裝配和使用三方面的原因所造成。在我國，管路的結(jié)構(gòu)完整性問題尚未得到足夠重視，而管路振動(dòng)故障的頻繁發(fā)生使得管路的減振和設(shè)計(jì)問題日益突出。通過對(duì)引起管路振動(dòng)故障的主要激勵(lì)振源、管路振動(dòng)模式進(jìn)行分析，并結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，梳理出了管路振動(dòng)故障分析框圖，并進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用，以期為航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)及振動(dòng)排故提供借鑒。