CFM56-7B发动机起动机连接螺栓失效分析

冯志伟 陶慧敏

摘要：CFM56-7B发动机使用的是3505945系列起动机，装载于波音737NG飞机。连接螺栓的头部发生断裂失效是3505945系列起动机的一个常见故障，该故障导致非计划性拆机，甚至引起航班延误。本文根据3505945系列起动机的现有结构，结合其在发动机上的使用工况，对该起动机的连接螺栓进行了失效分析，总结出相关的改进措施，以提高起动机的持续适航性。

关键词：发动机；起动机；螺栓；失效分析

Keywords：engine；starter；bolt；failure analysis

1 故障现象

3505945系列起动机主要包含进气和涡轮减速输出两部分，如图1所示。卡箍将进气管道和起动机进气部分连接在一起；进气部分和涡轮减速输出部分通过连接螺栓固连成一体；涡轮减速输出部分与发动机AGB通过安装法兰和卡箍固定。发动机AGB的起动机安装法兰上有3个定位销（见图2），为起动机的安装法兰定位，并防止转动和径向移动。该起动机的一个常见故障就是连接螺栓的头部发生断裂失效（见图3），导致非计划性拆机。

2 失效分析

为了便于分析，将该起动机结构外形抽象化（见图4）。在发动机启动时，气流通过进气管道进入起动机进气部分，然后通过涡轮减速输出部分向发动机AGB输出扭矩，带动静止的发动机转动，直到发动机启动。

如图4所示，3505945系列起动机通过进气部分的定子与涡轮减速输出部分的涡轮室径向尺寸配合来实现两者的径向定位。目前构型的定子和涡轮室之间的配合处有一定的间隙t（见图5）。由于零件尺寸有一个公差范围，因此，其间隙t也是一个不确定值，大约为0.10mm。该系列起动机的气流入口通道轴线与涡轮减速输出部分轴线成90°。在发动机启动过程中，气流通断时，会在进气部分产生向下的径向冲击力。在涡轮减速输出部分与发动机AGB固定的情况下，这个冲击力会导致进气部分相对涡轮减速输出部分发生径向往复位移，这个位移的大小与间隙t的大小有关。在一次启动循环过程中，至少会出现一次由于气流通断冲击而产生的径向往复位移。同时，在发动机工作过程中，振动的存在也会导致上述往复位移。

通过连接螺栓的安装形式（见图6）可以发现，涡轮减速输出部分的螺栓孔仅仅是过孔，与螺杆之间有一定的间隙。当进气部分相对涡轮减速输出部分发生径向位移时，由于连接螺栓安装后有预紧力，螺栓头部与涡轮减速输出部分的壳体接触区域存在较大摩擦力，所以，此时的连接螺栓可以抽象成一个悬臂梁结构（见图7）。

发动机启动时产生的径向冲击力以及发动机工作过程中产生的振动，使进气部分相对涡轮减速输出部分发生径向往复位移，在连接螺栓的螺纹端产生位移载荷。通过用ANSYS Workbench对该螺栓进行分析，这个径向位移载荷会在悬臂梁支点处（螺栓头部与螺杆交接处）产生最大应力，并且该应力会随着位移载荷的增大而变大（见图8）。在这个应力的周期性作用下，材料出现疲劳现象，使悬臂梁支点处发生疲劳断裂，即连接螺栓头部发生断裂故障。

3 结论

综上所述，CFM56-7B发动机起动机连接螺栓断裂的根本原因是其螺纹端出现了径向位移载荷。而径向位移的产生，需同时具备激励源和结构条件。激励源主要来自两个方面：一是进气部分的气流入口通道轴线与涡轮减速输出部分轴线成90°，引气通断时会产生径向冲击力；二是发动机工作时产生的振动。3505945系列起动机的整体结构不便改动，并且发动机工作时的振动不可避免，因此产生位移载荷的激励源无法消除，所以只能从结构条件方面来解决。结合3505945系列起动机现有结构和使用工况，可以采取以下措施：

1）使用更高强度的连接螺栓，来承受径向位移载荷；

2）在连接螺栓所在的圆周处增加径向定位销，防止产生径向位移；

3）定子和涡轮室之间使用过盈配合，消除间隙t，防止产生径向位移。

通过对3505945系列起动机连接螺栓断裂故障的分析，参照3505582系列起动机的结构和故障率，本文更偏向于采用消除径向位移的措施，这样可以更有效地解决连接螺栓断裂的问题，进而降低由连接螺栓断裂导致的非计划性拆机频率。

參考文献

[1] Honeywell.CMM80-11-79 Air Turbine Starter Assembly 3505945 [Z]. 2019.

[2] Honeywell.CMM80-11-37 Air Turbine Engine Starter 3505582 [Z]. 2020.

[3]张岩. ANSYS Workbench 15.0有限元分析[M].北京：机械工业出版社，2014.

[4]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学（Ⅰ）[M].北京：高等教育出版社，2009.

作者简介

冯志伟，工程师，主要从事机械设计制造及其自动化研究。

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