航空發(fā)動機滑油供油管裂紋分析

呂 彪 ， 吳根牛 ， 何劉海

（1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002）

0 引言

航空發(fā)動機外部管路輸送燃料、潤滑油和空氣等工作介質，其工作的可靠性直接影響發(fā)動機的穩(wěn)定性，管路的故障可能導致發(fā)動機嚴重故障，甚至影響飛機飛行安全[1-2]。發(fā)動機外部管路裝配時會產(chǎn)生裝配應力[3-6]，工作過程中承受發(fā)動機轉子、內部流體脈動引起的振動、沖擊力、內部流體的壓力和溫度載荷，受力情況復雜多變，斷裂故障時有發(fā)生[7-13]。航空發(fā)動機滑油供油管發(fā)生裂紋故障，結合斷口觀察、金相組織分析、有限元分析、裝配應力和振動應力測試結果，分析裂紋產(chǎn)生的原因，并提出改進措施。

1 斷口分析

滑油供油管材料為1Cr8Ni9Ti，圖1為滑油供油管裂紋外觀，在供油管與蓋板釬焊縫焊角部位可見一條沿周向擴展的裂紋，長度約占整個圓周的4/5，裂紋部位未見明顯宏觀塑性變形。圖2為斷口宏觀形貌，可見端面起始部位較平坦，顏色為灰色，呈疲勞斷裂特征，源區(qū)位于供油管外壁焊角部位，為線源，由外壁向管內壁及周向擴展，擴展區(qū)存在明顯的放射棱線。圖3為斷口微觀形貌，可以看出，管路裂紋起始于供油管外壁，呈線源特征，源區(qū)未見材質及冶金缺陷，擴展區(qū)可見細密的疲勞條帶。

圖1 供油管裂紋外觀Fig.1 Appearance of pipe crack

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro-appearance of the fracture surface

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Micro-appearance of the fracture surface

2 有限元計算和應力測試結果分析

2.1 有限元計算分析

使用有限元軟件ANSYS中10節(jié)點4面體單元對滑油供油管、蓋板和卡箍進行網(wǎng)格劃分，共有55 771個單元，107 006個節(jié)點。計算得到供油管第1、2階固有頻率分別為357、637 Hz，供油管前2階振型可能會被發(fā)動機動力渦輪轉子和燃氣發(fā)生器轉子不平衡載荷產(chǎn)生的激勵力激起。供油管前2階振型的振動應力分布如圖4所示，可以看出，第1階最大振動應力位于蓋板與供油管轉接的焊縫處，與裂紋位置吻合；第2階最大振動應力位置在卡箍位置附近，螺母附近也存在較高的振動應力。

為獲得供油管的裝配應力和工作過程中的振動應力，在供油管前2階振型振動應力較大位置處貼應變片，共確定4個貼片位置，貼片方向均沿管路軸線，如圖5所示。其中，S1測點位于裂紋起始處，S2測點與S1測點位于同一截面，周向成90°，S3測點位于卡箍附近，S4測點位于滑油管另一端螺母安裝處附近。

2.2 裝配應力測試結果分析

按照實際裝配順序安裝滑油供油管，并測量安裝過程中的應力變化。安裝前將應變計較零，安裝完成后，S1測點的應力為160 MPa，S2測點應力為280 MPa，S3測點應力為12 MPa，S4測點應力為?85 MPa。裂紋所在截面存在較大的裝配應力，S2測點應力已超過材料的彈性極限（205 MPa），裂紋起始處（S1測點）的裝配應力小于S2測點。由于加工存在分散性，不同管路校形角度可能不同，最大裝配應力的周向位置也可能發(fā)生改變。

圖4 前2階振動應力分布Fig.4 Vibration stress distribution of pipe

圖5 應力測點貼片位置Fig.5 Strain gauge position

2.3 振動應力測試結果分析

發(fā)動機正常工作時，在全轉速范圍內測量了供油管的振動應力，圖6、圖7分別為S1、S2測點的振動應力瀑布圖，可以看出，管路振動應力主要頻率成分為動力渦輪轉子基頻、燃氣發(fā)生器轉子基頻和2倍頻，其中動力渦輪轉子基頻站主要成分。供油管第1階固有頻率與動力渦輪轉子基頻重合而發(fā)生共振，圖8為共振狀態(tài)下S1和S2測點的頻譜圖，S1測點最大振動應力為21.0 MPa，S2測點最大振動應力為5.6 MPa，S3測點的振動應力為2.3 MPa，S4測點的振動應力為1.7 MPa。

從應力測試結果可以看出，供油管裂紋起始于振動應力最大位置（S1測點）。S2測點的裝配應力最大，但考慮到加工存在分散性，不同管路校形角度可能不同，最大裝配應力的周向位置也可能發(fā)生改變，故障供油管的最大裝配應力也可能出現(xiàn)在S1測點。因此，滑油供油管疲勞裂紋是由振動應力和裝配應力共同作用導致。

3 改進措施

1）在靠近蓋板附近增加卡箍，改變滑油供油管固有頻率并增加阻尼，減小滑油供油管的振動應力。

2）加強管路校形，并在校形后去除殘余應力，保證校形后供油管裝配時與管接頭對中，外套螺母擰緊前，應可以用手自由地將螺母輕松地擰至螺紋長度的2/3以上。

圖6 S1測點振動應力瀑布圖Fig.6 Vibration stress waterfall diagram of S1 measuring point

圖7 S2測點振動應力瀑布圖Fig.7 Vibration stress waterfall diagram of S2 measuring point

圖8 測點振動應力頻譜圖Fig.8 Vibration stress spectrum of S1 and S2

4 結論

1）滑油供油管裂紋性質為疲勞裂紋，裂紋起源于管路外壁表面，振動應力較大位置。

2）發(fā)動機轉子不平衡激勵力激起了滑油供油管較大的振動應力，管路校形不到位，導致裝配過程中產(chǎn)生較大的裝配應力，2個因素共同作用導致了滑油供油管發(fā)生疲勞裂紋。