航空发动机管路振动机理及振动故障分析

聂彦平 辛志东 路天乐

摘 要：航空发动机管路主要用于运输燃料、润滑油和航空等环境，是航空发动机附件系统的重要组成部分。航空发动机的外部管路要么单独连接到箱体或附件，要么通过套筒或框架连接在一起，形成了一个相对复杂的驾驶系统。管路系统是航空发动机的心血管，是保证发动机可靠运行的重要因素，其结构完整性要求符合整个发动机的要求。振动是频繁管路故障的主要原因。

关键词：航空发动机管路;振动振源;振动模式;故障分析框图

前言

发动机导管是发动机的主要燃料、润滑油和航空运输工具，是航空发动机的重要组成部分。振动因素是造成发动机和导管架导管断裂的主要原因。由于管路系统的操作环境温度变化频繁且载荷相当复杂，因此管路的寿命与许多因素密切相关，例如管路振动应力、初始装配应力、焊缝变形以及装配过程中的操作程度、值在不同时间测量同一导管时，这些因素可能导致应力、振动频率和共振速度的差异。

一、航空发动机管路系统振动概述

航空发动机液压管路系统是航空发动机附件系统的重要组成，其为燃油、滑油等介质的输送中提供了稳定途径，因功能差异影响，在粗细、长短、走向上有较大差异，这些管路工作环境复杂，在实际运作中，一些管路容易因振动出现断裂及管道街接头故障等问题，威胁飞机的飞行安全。有研究显示，在因航空发动机故障的所有空停事件中，管路、导线和传感器失效引起的空停事件占到50%，其中，外部管路断裂故障占到空中飞行结构故障的52%，这些管路中有较多管道为液压管路，其因振动而损伤，对于飞机飞行安全具有深刻影响。

二、管路系统振动机理分析

（1）转子不平衡力。由于转子材料不均匀、设计缺陷、热变形、制造和装配误差，电机转子的质量分布不均匀，因此实际转子的旋转中心与重心不匹配，必然导致不同程度的不平衡。转子的静态弯曲、热弯曲、转子位移、旋转部件的飞行等。会出现巨大的不平衡。转子高速转动时，会产生周期性不平衡的力，其大小取决于转子不平衡的大小和转速。不平衡转子力用作周期激励，其最终作用在管路系统上，不平衡转子力的激励频率为Fe = n/60 （n为电机转子转速）。转子强度不平衡引起的振动不同于其他原因引起的振动，具有固有的特性，即动态载荷与转速平方成正比，频率与转速相同。

（2）流体压力波动。航空发动机燃油系统或润滑油系统中的管路由于燃油泵、油泵、回油泵等的作用，定期改变流体压力。在管路转动和直径变化时，管路中的流体压力脉冲会在管路上产生周期性的激励力，流体压力的激励频率为f = KN/60 （k是泵的齿数或柱塞数，n是泵的转速）。

（3）卡门涡街。在某些复杂的管路系统中，电动机内部流道中的管路通常受卡门涡街的影响而振动。当管路放置在均匀的流场中时，当流体穿过管路的圆柱形障碍物时，管路后面的队列不均匀，但具有离散的湍流，即卡门街。旋转球以顺时针方向和逆时针方向交替进行，并在管线上交替使用横向激励力。卡门涡街引起的振动非常复杂，可能导致强迫和自发的振动。

（4）排气气流和格栅密封。在航空发动机的圆形通道中，总压力和死叶片下游气流速度降低。转子叶片通过该区域时，气体功率发生变化，叶片表面气流的周期性压力变化引起叶片振动。密封装置用于发动机转子与定子之间的密封。叶栅排气电流和密封气流产生的振动通过箱传输到发动机的外部管路，从而引起管路振动。

（5）燃烧室内振荡燃烧。在燃烧室中，火焰停留在预定区域内，火焰管中设置回圈，高温燃烧产物返回后将混合物加热到点火温度，形成自动点火源。

三、航空发动机管路振动的危害

长期以来，航空发动机管路系统振动问题一直被突出。由于安装、焊接、耦合等原因，特别是由于套管振动剧烈以及温度和压力等外部环境的剧烈变化，管路系统经常存在振动缺陷，造成严重事故。例如，在液压系统中，可变柱塞泵的压力脉动会引起燃油管路的过度振动和管路的裂缝;套筒上的液压管路因振动而破裂，引起火灾;冲击波与燃料流动的耦合导致系统过载振动，最终导致燃油管路出现一连串的裂缝和漏油。燃油管路振动引起的火灾事故及其他损坏。典型的情况是：在模型试验飞行过程中，涡轮喷气发动机油管破裂，造成二型事故;风扇马达的试验反馈表明，充油管坏了，管路和车架、管路和配件的振动过多。安装在某型飞机发动机壳体上的液压泵出口处的液压管路破裂漏油，600℃高温冷航空管路燃烧，返回飞机油箱，造成严重火灾。以往的研究表明，航空发动机的大部分故障是由于管路破裂造成的，而管路的振动是主要原因之一。

四、管路系统振动故障分析

（1）管路断裂分析，即利用立体放大镜、光学显微镜、光镜等观测分析断裂的形态及宏观和微观特征，以澄清裂纹的性质和出现裂纹的位置，区分电阻断裂和疲劳断裂。（2）检查和分析断裂材料的金属组织、化学成分和硬度，以确定其是否符合设计要求。导管的材料或加工缺陷，例如航空孔、玻璃眼、头发、加工质量差等，可以大大降低增益寿命限制并使其易受工作影响。（3）重新检查故障管路的焊接工艺和处理工艺，确定处理工艺是否符合工艺要求，是否造成焊接损伤、擦伤、擦伤等。大多数管路连接都是焊接的，焊接缺陷是直接影响管路耐久极限的常见驱动因素。（4）检查有缺陷管路的装配工艺，确定是否存在过度装配约束。装配管线时，由于加工尺寸的差异，在连接和固定管线时会生成装配约束。装配时，管材预热约束导致疲劳裂纹，导管配件的焊接区也因振动引起的疲劳裂纹而发生漏油。（5）对故障管路进行振动应力测量试验，了解管路运行过程中的振动特性和应力水平。

结束语

总之，管路的结构完整性若是没有得到充分考虑，管路振动故障的频率使得减振设计问题越来越突出。通过分析引起管路振动故障模式，结合航空发动机管路系统的結构特点，列出了管路振动故障分析图，为系统振动故障的设计和故障排除提供参考。

参考文献：

[1]李艳华，柳贡民，张寅豹.流体管路横向振动的频域传递矩阵法[J].振动工程学报，2009，22（6）：597-601.3AF959C8-366D-4BEB-A440-C217C82F8B99