航空发动机滑油供油管裂纹分析

吕 彪 ， 吴根牛 ， 何刘海

（1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002；2.中国航发南方工业有限公司，湖南 株洲 412002）

0 引言

航空发动机外部管路输送燃料、润滑油和空气等工作介质，其工作的可靠性直接影响发动机的稳定性，管路的故障可能导致发动机严重故障，甚至影响飞机飞行安全[1-2]。发动机外部管路装配时会产生装配应力[3-6]，工作过程中承受发动机转子、内部流体脉动引起的振动、冲击力、内部流体的压力和温度载荷，受力情况复杂多变，断裂故障时有发生[7-13]。航空发动机滑油供油管发生裂纹故障，结合断口观察、金相组织分析、有限元分析、装配应力和振动应力测试结果，分析裂纹产生的原因，并提出改进措施。

1 断口分析

滑油供油管材料为1Cr8Ni9Ti，图1为滑油供油管裂纹外观，在供油管与盖板钎焊缝焊角部位可见一条沿周向扩展的裂纹，长度约占整个圆周的4/5，裂纹部位未见明显宏观塑性变形。图2为断口宏观形貌，可见端面起始部位较平坦，颜色为灰色，呈疲劳断裂特征，源区位于供油管外壁焊角部位，为线源，由外壁向管内壁及周向扩展，扩展区存在明显的放射棱线。图3为断口微观形貌，可以看出，管路裂纹起始于供油管外壁，呈线源特征，源区未见材质及冶金缺陷，扩展区可见细密的疲劳条带。

图1 供油管裂纹外观Fig.1 Appearance of pipe crack

图2 断口宏观形貌Fig.2 Macro-appearance of the fracture surface

图3 断口微观形貌Fig.3 Micro-appearance of the fracture surface

2 有限元计算和应力测试结果分析

2.1 有限元计算分析

使用有限元软件ANSYS中10节点4面体单元对滑油供油管、盖板和卡箍进行网格划分，共有55 771个单元，107 006个节点。计算得到供油管第1、2阶固有频率分别为357、637 Hz，供油管前2阶振型可能会被发动机动力涡轮转子和燃气发生器转子不平衡载荷产生的激励力激起。供油管前2阶振型的振动应力分布如图4所示，可以看出，第1阶最大振动应力位于盖板与供油管转接的焊缝处，与裂纹位置吻合；第2阶最大振动应力位置在卡箍位置附近，螺母附近也存在较高的振动应力。

为获得供油管的装配应力和工作过程中的振动应力，在供油管前2阶振型振动应力较大位置处贴应变片，共确定4个贴片位置，贴片方向均沿管路轴线，如图5所示。其中，S1测点位于裂纹起始处，S2测点与S1测点位于同一截面，周向成90°，S3测点位于卡箍附近，S4测点位于滑油管另一端螺母安装处附近。

2.2 装配应力测试结果分析

按照实际装配顺序安装滑油供油管，并测量安装过程中的应力变化。安装前将应变计较零，安装完成后，S1测点的应力为160 MPa，S2测点应力为280 MPa，S3测点应力为12 MPa，S4测点应力为−85 MPa。裂纹所在截面存在较大的装配应力，S2测点应力已超过材料的弹性极限（205 MPa），裂纹起始处（S1测点）的装配应力小于S2测点。由于加工存在分散性，不同管路校形角度可能不同，最大装配应力的周向位置也可能发生改变。

图4 前2阶振动应力分布Fig.4 Vibration stress distribution of pipe

图5 应力测点贴片位置Fig.5 Strain gauge position

2.3 振动应力测试结果分析

发动机正常工作时，在全转速范围内测量了供油管的振动应力，图6、图7分别为S1、S2测点的振动应力瀑布图，可以看出，管路振动应力主要频率成分为动力涡轮转子基频、燃气发生器转子基频和2倍频，其中动力涡轮转子基频站主要成分。供油管第1阶固有频率与动力涡轮转子基频重合而发生共振，图8为共振状态下S1和S2测点的频谱图，S1测点最大振动应力为21.0 MPa，S2测点最大振动应力为5.6 MPa，S3测点的振动应力为2.3 MPa，S4测点的振动应力为1.7 MPa。

从应力测试结果可以看出，供油管裂纹起始于振动应力最大位置（S1测点）。S2测点的装配应力最大，但考虑到加工存在分散性，不同管路校形角度可能不同，最大装配应力的周向位置也可能发生改变，故障供油管的最大装配应力也可能出现在S1测点。因此，滑油供油管疲劳裂纹是由振动应力和装配应力共同作用导致。

3 改进措施

1）在靠近盖板附近增加卡箍，改变滑油供油管固有频率并增加阻尼，减小滑油供油管的振动应力。

2）加强管路校形，并在校形后去除残余应力，保证校形后供油管装配时与管接头对中，外套螺母拧紧前，应可以用手自由地将螺母轻松地拧至螺纹长度的2/3以上。

图6 S1测点振动应力瀑布图Fig.6 Vibration stress waterfall diagram of S1 measuring point

图7 S2测点振动应力瀑布图Fig.7 Vibration stress waterfall diagram of S2 measuring point

图8 测点振动应力频谱图Fig.8 Vibration stress spectrum of S1 and S2

4 结论

1）滑油供油管裂纹性质为疲劳裂纹，裂纹起源于管路外壁表面，振动应力较大位置。

2）发动机转子不平衡激励力激起了滑油供油管较大的振动应力，管路校形不到位，导致装配过程中产生较大的装配应力，2个因素共同作用导致了滑油供油管发生疲劳裂纹。