航空發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：航空發動機管路主要用于運輸燃料、潤滑油和航空等環境，是航空發動機附件系統的重要組成部分。航空發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。管路系統是航空發動機的心血管，是保證發動機可靠運行的重要因素，其結構完整性要求符合整個發動機的要求。振動是頻繁管路故障的主要原因。

關鍵詞：航空發動機管路;振動振源;振動模式;故障分析框圖

前言

發動機導管是發動機的主要燃料、潤滑油和航空運輸工具，是航空發動機的重要組成部分。振動因素是造成發動機和導管架導管斷裂的主要原因。由于管路系統的操作環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、航空發動機管路系統振動概述

航空發動機液壓管路系統是航空發動機附件系統的重要組成，其為燃油、滑油等介質的輸送中提供了穩定途徑，因功能差異影響，在粗細、長短、走向上有較大差異，這些管路工作環境復雜，在實際運作中，一些管路容易因振動出現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。轉子的靜態彎曲、熱彎曲、轉子位移、旋轉部件的飛行等。會出現巨大的不平衡。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。航空發動機燃油系統或潤滑油系統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。卡門渦街引起的振動非常復雜，可能導致強迫和自發的振動。

（4）排氣氣流和格柵密封。在航空發動機的圓形通道中，總壓力和死葉片下游氣流速度降低。轉子葉片通過該區域時，氣體功率發生變化，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、航空發動機管路振動的危害

長期以來，航空發動機管路系統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境的劇烈變化，管路系統經常存在振動缺陷，造成嚴重事故。例如，在液壓系統中，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過載振動，最終導致燃油管路出現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及宏觀和微觀特征，以澄清裂紋的性質和出現裂紋的位置，區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、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，導管配件的焊接區也因振動引起的疲勞裂紋而發生漏油。（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，結合航空發動機管路系統的結構特點，列出了管路振動故障分析圖，為系統振動故障的設計和故障排除提供參考。

參考文獻：

[1]李艷華，柳貢民，張寅豹.流體管路橫向振動的頻域傳遞矩陣法[J].振動工程學報，2009，22（6）：597-601.3AF959C8-366D-4BEB-A440-C217C82F8B99