航空發(fā)動機管路振動機理及振動故障分析

聶彥平 辛志東 路天樂

摘 要：航空發(fā)動機管路主要用于運輸燃料、潤滑油和航空等環(huán)境，是航空發(fā)動機附件系統(tǒng)的重要組成部分。航空發(fā)動機的外部管路要么單獨連接到箱體或附件，要么通過套筒或框架連接在一起，形成了一個相對復雜的駕駛系統(tǒng)。管路系統(tǒng)是航空發(fā)動機的心血管，是保證發(fā)動機可靠運行的重要因素，其結構完整性要求符合整個發(fā)動機的要求。振動是頻繁管路故障的主要原因。

關鍵詞：航空發(fā)動機管路;振動振源;振動模式;故障分析框圖

前言

發(fā)動機導管是發(fā)動機的主要燃料、潤滑油和航空運輸工具，是航空發(fā)動機的重要組成部分。振動因素是造成發(fā)動機和導管架導管斷裂的主要原因。由于管路系統(tǒng)的操作環(huán)境溫度變化頻繁且載荷相當復雜，因此管路的壽命與許多因素密切相關，例如管路振動應力、初始裝配應力、焊縫變形以及裝配過程中的操作程度、值在不同時間測量同一導管時，這些因素可能導致應力、振動頻率和共振速度的差異。

一、航空發(fā)動機管路系統(tǒng)振動概述

航空發(fā)動機液壓管路系統(tǒng)是航空發(fā)動機附件系統(tǒng)的重要組成，其為燃油、滑油等介質的輸送中提供了穩(wěn)定途徑，因功能差異影響，在粗細、長短、走向上有較大差異，這些管路工作環(huán)境復雜，在實際運作中，一些管路容易因振動出現(xiàn)斷裂及管道街接頭故障等問題，威脅飛機的飛行安全。有研究顯示，在因航空發(fā)動機故障的所有空停事件中，管路、導線和傳感器失效引起的空停事件占到50%，其中，外部管路斷裂故障占到空中飛行結構故障的52%，這些管路中有較多管道為液壓管路，其因振動而損傷，對于飛機飛行安全具有深刻影響。

二、管路系統(tǒng)振動機理分析

（1）轉子不平衡力。由于轉子材料不均勻、設計缺陷、熱變形、制造和裝配誤差，電機轉子的質量分布不均勻，因此實際轉子的旋轉中心與重心不匹配，必然導致不同程度的不平衡。轉子的靜態(tài)彎曲、熱彎曲、轉子位移、旋轉部件的飛行等。會出現(xiàn)巨大的不平衡。轉子高速轉動時，會產生周期性不平衡的力，其大小取決于轉子不平衡的大小和轉速。不平衡轉子力用作周期激勵，其最終作用在管路系統(tǒng)上，不平衡轉子力的激勵頻率為Fe = n/60 （n為電機轉子轉速）。轉子強度不平衡引起的振動不同于其他原因引起的振動，具有固有的特性，即動態(tài)載荷與轉速平方成正比，頻率與轉速相同。

（2）流體壓力波動。航空發(fā)動機燃油系統(tǒng)或潤滑油系統(tǒng)中的管路由于燃油泵、油泵、回油泵等的作用，定期改變流體壓力。在管路轉動和直徑變化時，管路中的流體壓力脈沖會在管路上產生周期性的激勵力，流體壓力的激勵頻率為f = KN/60 （k是泵的齒數或柱塞數，n是泵的轉速）。

（3）卡門渦街。在某些復雜的管路系統(tǒng)中，電動機內部流道中的管路通常受卡門渦街的影響而振動。當管路放置在均勻的流場中時，當流體穿過管路的圓柱形障礙物時，管路后面的隊列不均勻，但具有離散的湍流，即卡門街。旋轉球以順時針方向和逆時針方向交替進行，并在管線上交替使用橫向激勵力?？ㄩT渦街引起的振動非常復雜，可能導致強迫和自發(fā)的振動。

（4）排氣氣流和格柵密封。在航空發(fā)動機的圓形通道中，總壓力和死葉片下游氣流速度降低。轉子葉片通過該區(qū)域時，氣體功率發(fā)生變化，葉片表面氣流的周期性壓力變化引起葉片振動。密封裝置用于發(fā)動機轉子與定子之間的密封。葉柵排氣電流和密封氣流產生的振動通過箱傳輸到發(fā)動機的外部管路，從而引起管路振動。

（5）燃燒室內振蕩燃燒。在燃燒室中，火焰停留在預定區(qū)域內，火焰管中設置回圈，高溫燃燒產物返回后將混合物加熱到點火溫度，形成自動點火源。

三、航空發(fā)動機管路振動的危害

長期以來，航空發(fā)動機管路系統(tǒng)振動問題一直被突出。由于安裝、焊接、耦合等原因，特別是由于套管振動劇烈以及溫度和壓力等外部環(huán)境的劇烈變化，管路系統(tǒng)經常存在振動缺陷，造成嚴重事故。例如，在液壓系統(tǒng)中，可變柱塞泵的壓力脈動會引起燃油管路的過度振動和管路的裂縫;套筒上的液壓管路因振動而破裂，引起火災;沖擊波與燃料流動的耦合導致系統(tǒng)過載振動，最終導致燃油管路出現(xiàn)一連串的裂縫和漏油。燃油管路振動引起的火災事故及其他損壞。典型的情況是：在模型試驗飛行過程中，渦輪噴氣發(fā)動機油管破裂，造成二型事故;風扇馬達的試驗反饋表明，充油管壞了，管路和車架、管路和配件的振動過多。安裝在某型飛機發(fā)動機殼體上的液壓泵出口處的液壓管路破裂漏油，600℃高溫冷航空管路燃燒，返回飛機油箱，造成嚴重火災。以往的研究表明，航空發(fā)動機的大部分故障是由于管路破裂造成的，而管路的振動是主要原因之一。

四、管路系統(tǒng)振動故障分析

（1）管路斷裂分析，即利用立體放大鏡、光學顯微鏡、光鏡等觀測分析斷裂的形態(tài)及宏觀和微觀特征，以澄清裂紋的性質和出現(xiàn)裂紋的位置，區(qū)分電阻斷裂和疲勞斷裂。（2）檢查和分析斷裂材料的金屬組織、化學成分和硬度，以確定其是否符合設計要求。導管的材料或加工缺陷，例如航空孔、玻璃眼、頭發(fā)、加工質量差等，可以大大降低增益壽命限制并使其易受工作影響。（3）重新檢查故障管路的焊接工藝和處理工藝，確定處理工藝是否符合工藝要求，是否造成焊接損傷、擦傷、擦傷等。大多數管路連接都是焊接的，焊接缺陷是直接影響管路耐久極限的常見驅動因素。（4）檢查有缺陷管路的裝配工藝，確定是否存在過度裝配約束。裝配管線時，由于加工尺寸的差異，在連接和固定管線時會生成裝配約束。裝配時，管材預熱約束導致疲勞裂紋，導管配件的焊接區(qū)也因振動引起的疲勞裂紋而發(fā)生漏油。（5）對故障管路進行振動應力測量試驗，了解管路運行過程中的振動特性和應力水平。

結束語

總之，管路的結構完整性若是沒有得到充分考慮，管路振動故障的頻率使得減振設計問題越來越突出。通過分析引起管路振動故障模式，結合航空發(fā)動機管路系統(tǒng)的結構特點，列出了管路振動故障分析圖，為系統(tǒng)振動故障的設計和故障排除提供參考。

參考文獻：

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