江 泉

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

0 引言

航空發(fā)動機外部管路主要用于液壓油、燃油、滑油和空氣等介質的輸送，是航空發(fā)動機附件裝置的重要組成部分，是發(fā)動機上使用最多的零部件之一，被稱為航空發(fā)動機的“心血管”，其結構完整性直接決定著發(fā)動機的工作可靠性[1-2]。美國GE 公司對航空發(fā)動機的空中停車事件進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)有50%是由于外部管路、導線、傳感器損壞、失效引起的。以往的調查研究表明，航空發(fā)動機的故障大多數(shù)是由管路的破裂引起的[3]，而管路振動是引起破裂的主要原因之一[4]。

目前，國內外的理論研究主要集中在管路的固有振動特性方面。賈志剛等[5]使用有限元分析方法，通過仿真計算機研究航空發(fā)動機復雜管路的結構振動，獲得管路固有頻率分布。王本利等[6]采用有限元分析方法，同時考慮哥氏力、慣性力和附加動壓力，在計算中采用小范圍降階求逆、狀態(tài)向量等方法求出壓力、流速對管路系統(tǒng)振動特性的影響。在工程實踐中主要是針對管路斷裂故障進行排故方面的分析。呂鳳軍等[7]對某型發(fā)動機中、后軸供油管的裂紋展開研究，通過斷口觀察、痕跡檢查、X 射線能譜分析，對供油管的裂紋展開研究，通過斷口觀察、痕跡檢查、X 射線能譜分析，判定滑油供油管路的裂紋性質為疲勞裂紋，波紋管存在裝配應力是導致產生疲勞裂紋的原因。

空氣管路系統(tǒng)是航空發(fā)動機的重要組成部分，其可靠與否關系到發(fā)動機的安全性。由于發(fā)動機空氣管路系統(tǒng)的剛性強、空間走向復雜，而且隨著溫度變化與機匣存在熱變形不協(xié)調，易在局部位置產生較大的應力應變，導致該系統(tǒng)發(fā)生低周疲勞斷裂等故障[8]。

發(fā)動機進行150 h 持久摸底試驗，進行第28個階段試驗前（工作約81 h）發(fā)動機檢查時，發(fā)現(xiàn)有一處空氣管在管路與安裝座轉接截面處斷裂。該空氣管的功能是從壓氣機出口引氣，向熱端渦輪部件提供冷卻氣。空氣管和安裝座材料牌號均為0Cr18Ni9，空氣管和安裝座用氬弧焊聯(lián)接，焊后進行密封性打壓試驗，對焊縫進行X 射線檢驗合格后交付裝配使用。

針對管路疲勞斷裂強度問題，從空氣管裂紋位置、宏觀形貌、微觀檢查、結構改進與試驗驗證等方面對失效件進行分析研究，開展管路結構的應力計算與測量，明確失效性質及原因，在工程實踐上具有一定的指導借鑒意義。

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀檢查

空氣管的外形見圖1，空氣管在靠近發(fā)動機熱端的一個安裝座附近斷裂，斷裂位置位于焊縫與安裝座通氣口倒圓上端之間。

圖1 斷裂空氣管外觀圖Fig.1 Appearance of broken air pipe

空氣管端安裝邊裂紋斷口宏觀形貌見圖2，裂紋斷口整體起伏不大，帶安裝孔兩側的斷面較平坦，裂紋的擴展具有明顯的疲勞擴展棱線和疲勞弧線，為典型的疲勞斷裂[9]，裂紋位于兩側空氣管壁外圓，平行于外圓加工痕跡；安裝座法蘭面和斷面上有明顯積碳痕跡。

圖2 管路斷口宏觀形貌Fig.2 Macro fracture of pipe

在體視鏡下安裝座端的斷口放大形貌見圖3，線源位于空氣管外壁。圖3 中左側裂紋源擴展區(qū)的面積比右側大，說明擴展得更充分。其中一處裂紋源附近外圓加工情況見圖4，裂紋斷面內外都有磨光的痕跡，為斷裂后損傷痕跡；裂紋斷口斷面暗沉，氧化嚴重，最后斷裂處位于右下角附近，斷面有溫色。根據(jù)零件使用情況，參考《發(fā)動機關鍵結構材料溫色圖譜》中1Cr11NiW2MoV 和1Cr17Ni2的溫色圖譜，判斷零件經(jīng)歷的溫度約為300～400 ℃。

圖3 安裝座斷口宏觀形貌Fig.3 Macro appearance of mounting base fracture

圖4 安裝座左端裂紋源外圓加工情況Fig.4 Outer machining mark of crack source at the left of the mounting base

1.2 微觀檢查

用掃描電鏡觀察安裝座右端斷口形貌，結果如圖5 所示。圖5a 為安裝座右端裂源，擴展區(qū)可見細密的疲勞條帶特征（圖5b、圖5c），斷面末端疲勞區(qū)與瞬斷區(qū)分界處有明顯的臺階（圖5d）。

圖5 安裝座右端斷口微觀形貌Fig.5 Micro morphology of the right end fracture of mounting seat

空氣管與安裝座裂紋疲勞弧線特征明顯，疲勞條帶細密，說明斷口性質為疲勞斷裂，疲勞擴展的應力水平不高。安裝座有積碳痕跡，可知氣管斷裂后有返氣的現(xiàn)象出現(xiàn)?？諝夤芰鸭y斷口主裂源呈兩側分布，次裂源較多，左側擴展的更充分，可知左裂源先于右裂源開裂和擴展?？諝夤芘c安裝座連接方式為氬弧焊焊接，焊縫內壁經(jīng)打磨光滑，打磨痕跡明顯，無突出魚鱗痕；外壁經(jīng)過修整，焊縫圓潤，魚鱗痕較光滑明顯；因此，空氣管疲勞斷裂可能主要與空氣管安裝應力、工作時振動應力大有關。

1.3 管路應力計算與測量

1）應力計算。

為獲取空氣管在工作中的應力分布情況，運用有限元方法對空氣管進行應力計算分析，采用十節(jié)點四面體單元（Solid 187 單元）對空氣管劃分有限元網(wǎng)格（共52 902 個單元，90 721 個節(jié)點），約束空氣管兩端安裝面的全部位移，計算獲取空氣管的應力分布圖，從圖6 可以看出，管路計算應力最大約為15～20 MPa，應力最大處即位于空氣管斷裂的焊接位置。

圖6 空氣管應力計算分布圖Fig.6 Stress distribution diagram of air pipe

2）管路應力測量。

空氣管的固有頻率落入發(fā)動機工作轉速范圍內，會引起管路的共振，導致瞬態(tài)應力過大。為獲取空氣管在發(fā)動機上的固有頻率，分析其產生共振的可能性，對空氣管路在發(fā)動機上安裝狀態(tài)下進行測頻。將被測管路在發(fā)動機上安裝靜止狀態(tài)下人為激勵（脈沖激振），采集其振動響應輸出信號，通過DEWE 動態(tài)信號分析儀進行傅里葉頻譜分析獲得管路的頻譜圖，從而得到其靜態(tài)固有頻率，采用此方法獲得的空氣管在工作范圍內的頻譜分析見圖7。從結果可以看出，管路固有頻率比較密集，在發(fā)動機最大工作轉速范圍（45 000 r/min，750 Hz）內存在多階固有頻率，均有共振的可能性。

圖7 發(fā)動機工作轉速范圍內空氣管頻譜分析圖Fig.7 Spectrum analysis diagram of air pipe in the working speed range of engine

通過對空氣管斷裂處進行理化分析得知，空氣管斷裂與工作時振動應力過大有關。因此，在發(fā)動機的工作轉速范圍內，通過在空氣管計算應力最大處粘貼應變片的方式測量管路在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工作下的振動應力。從管路振動應力測量結果可知，在管路沒有發(fā)生共振時，即只存在強迫振動，管路應力不大；在最大轉速45 000 r/min 工作范圍內，所貼位置應變片可分析出存在的共振轉速及對應的最大應力，見表1。

表1 空氣管路應力測量結果（共振）Table 1 Stress measurement results of air pipe (resonance)

2 管路斷裂原因分析

2.1 管路振動應力過大

振動環(huán)境中管路的破壞主要是因為振動疲勞導致的疲勞失效。振動疲勞是結構所受動態(tài)交變載荷的頻率分布與結構固有頻率分布具有交集或相接近，從而使結構產生共振所導致的疲勞破壞現(xiàn)象，也可直接說成是結構受到重復載荷作用激起結構共振所導致的疲勞破壞[10-11]。

通過對斷口的理化分析可知，空氣管斷口性質為疲勞，斷裂主要與管路安裝應力、工作時振動應力有關。通過對同批次空氣管應力計算及測量可知，管路在發(fā)動機工作轉速范圍內存在多階固有頻率，且在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)停留轉速36 917 r/min（地面慢車附近）及45 000 r/min 起飛狀態(tài)工作轉速）下存在共振，產生共振時空氣管與安裝座焊接位置應力較大，斷口位置的應力達到84.6 MPa。

2.2 安裝座結構設計不合理

空氣管安裝座結構示意圖見圖8，由于焊接面與轉接圓角處的垂直距離較短，焊接可能對圓角處材料產生影響，降低材料的抗疲勞性能。同時，由于空氣管的壁厚只有1 mm，法蘭接頭采用等壁厚結構難以保證空氣管在發(fā)動機各種工況下的結構強度滿足要求。

圖8 空氣管安裝座法蘭接頭結構示意圖Fig.8 Structure diagram of flange joint of mounting base

綜上分析，空氣管的斷裂主要是由于管路在穩(wěn)態(tài)工作轉速下存在共振，斷口處應力過大，且安裝座結構設計不合理，抗振能力弱，空氣管在長時間工作后在焊接處產生疲勞斷裂。

3 改進驗證

根據(jù)上述原因分析，結合外部管路應力測量結果，參考其它發(fā)動機管路連接結構的設計經(jīng)驗，對其進行局部結構改進或剛度調整，達到避開共振、提高管系剛度、降低振動應力等目標[12]，主要改進措施如下：

1）改進安裝邊法蘭接頭的結構，使焊接區(qū)域遠離法蘭接頭的斷裂圓角處，避免焊接對圓角處材料的影響（圖9）。

圖9 安裝座法蘭接頭改進前、后結構示意圖Fig.9 Structure diagram of flange joint of mounting base before and after improvement

2）將法蘭接頭的壁厚由等壁厚改為漸變壁厚，增加圓角處的壁厚，從而提高結構強度。

3）優(yōu)化管路形狀，使管子的共振轉速遠離發(fā)動機停留的工作轉速。

采取以上改進措施后的空氣管裝整機順利通過60 h 考核、150 h 持久摸底，累計完成600 余h 的整機試驗，空氣管未出現(xiàn)裂紋及斷裂情況，驗證改進措施的有效性。

4 結論

1）空氣管斷口的性質為疲勞，主裂源位于安裝座通氣孔左右兩側外圓處。

2）斷口左側裂源擴展比右側更充分，擴展區(qū)面積更大，左側裂源先于右側開裂和擴展。

3）空氣管斷裂主要與空氣管安裝應力、工作時的振動應力有關。

4）改進安裝邊結構可提高空氣管的結構強度及抗振性，優(yōu)化空氣管形狀可降低空氣管的安裝應力。