航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片斷裂原因分析

鄭 麗 羅澤明

(中國(guó)人民解放軍海軍航空兵學(xué)院 飛行理論系，遼寧 葫蘆島125001)

0 引言

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最主要的結(jié)構(gòu)件之一，由于其長(zhǎng)期工作在高溫燃?xì)獍鼑拢惺苻D(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片自身的離心力、氣動(dòng)力、熱應(yīng)力以及振動(dòng)負(fù)荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最為惡劣的零件。

在實(shí)際的使用過程中，由于各種原因，渦輪葉片可能發(fā)生斷裂。當(dāng)渦輪葉片斷裂時(shí)，不僅會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)進(jìn)而引起飛機(jī)振動(dòng)，還會(huì)打壞其他機(jī)件、甚至導(dǎo)致飛機(jī)著火等現(xiàn)象，這將嚴(yán)重影響到飛行安全。長(zhǎng)期以來，由于渦輪葉片斷裂引發(fā)的飛行事故在飛行中屢見不鮮。

本文從渦輪葉片的工作條件出發(fā)，分析了引起渦輪葉片斷裂故障的原因，并舉例分析，在此基礎(chǔ)上指出預(yù)防措施。

1 渦輪葉片故障機(jī)理

從理論上看，渦輪葉片斷裂的故障機(jī)理有疲勞、超應(yīng)力、蠕變、腐蝕、磨損等。

1.1 疲勞

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由于經(jīng)常起動(dòng)、加速、減速、停車以及其他條件的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流擾動(dòng)、自激振動(dòng)、流動(dòng)畸變、轉(zhuǎn)子不平衡、燃?xì)鉁囟确植疾痪燃?lì)因素的作用，會(huì)使渦輪各部件承受復(fù)雜的循環(huán)載荷作用，使得葉片經(jīng)受大量彈性應(yīng)力循環(huán)，最終引起高周疲勞、低周疲勞或熱疲勞，使得渦輪葉片斷裂。其中，高周疲勞是指失效循環(huán)數(shù)范圍在105—107 周次的疲勞。低周疲勞是指失效循環(huán)數(shù)低于104—105 周次的疲勞。高周疲勞和低周疲勞都能夠引起渦輪葉片斷裂，實(shí)際使用中，斷裂還會(huì)來自于高低周復(fù)合疲勞[1-3]。熱疲勞是來自于渦輪葉片溫度的循環(huán)變化。渦輪葉片的溫度的循環(huán)變化來自于燃?xì)鉁囟鹊淖兓?/p>

1.2 超應(yīng)力

渦輪葉片的組成包括葉根、葉身和葉冠。由于其形狀的不規(guī)則，葉片中存在應(yīng)力集中部位。盡管在設(shè)計(jì)中已經(jīng)采取了一些措施，實(shí)際上，超應(yīng)力仍然是造成渦輪葉片斷裂的一個(gè)原因。

1.3 蠕變

高溫環(huán)境下，蠕變斷裂是渦輪葉片主要的失效形式之一。隨著渦輪后燃?xì)鉁囟葟?0 世紀(jì)50 年代的1150K 增加到現(xiàn)在的2000K，蠕變將導(dǎo)致葉片的塑性變形過大甚至產(chǎn)生蠕變斷裂。高溫時(shí)，溫度僅增加15℃，其蠕變斷裂壽命就會(huì)縮短一半[4]。對(duì)于設(shè)計(jì)好的渦輪葉片來說，使用中一旦發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入超溫狀態(tài)，如果不進(jìn)行維修換件，必將危及飛行安全。

1.4 腐蝕

腐蝕來自于葉片所受的高溫燃?xì)狻８邷厝細(xì)鈱?duì)葉片的腐蝕既包括沖刷造成的腐蝕，也包括高溫燃?xì)鈱?duì)金屬葉片的氧化腐蝕。腐蝕會(huì)降低葉片的性能，當(dāng)腐蝕達(dá)到一定程度，葉片材料性能不能滿足要求時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷裂。

2 影響渦輪葉片壽命的原因

渦輪葉片使用壽命終結(jié)的特征有：葉片出現(xiàn)影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用功能的超出設(shè)計(jì)允許的變化，或者葉片損傷積累到所允許的極限。在實(shí)際的應(yīng)用中，葉片從生產(chǎn)到應(yīng)用的過程復(fù)雜，涉及到的因素多，往往會(huì)由于各種原因引起葉片發(fā)生斷裂。

2.1 制造和材料缺陷

受發(fā)動(dòng)機(jī)高性能、工作安全性、可靠性以及壽命的要求，渦輪葉片必須具有精確的尺寸、準(zhǔn)確的形狀和嚴(yán)格的表面完整性。但由于葉片型面的復(fù)雜性，呈葉身扭曲彎度，葉片內(nèi)有冷卻通道等特點(diǎn)，葉片復(fù)雜曲面的加工困難，加工精度不易保證。目前存在葉片加工變形、精度低、表面質(zhì)量低等問題。具體體現(xiàn)在：葉片的波紋度和截面形狀精度難以控制；葉片之間一致性差；葉片內(nèi)殘余應(yīng)力、裝夾因素引起的變形；表面完整性難以保證等。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)使用570 小時(shí)25 分，返廠排故時(shí)進(jìn)行熒光檢查，發(fā)現(xiàn)有一片高壓一級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子葉片葉身中部靠近排氣邊葉背面上有一橫向裂紋，裂紋長(zhǎng)約5mm。經(jīng)理化檢測(cè)分析，裂紋宏觀微觀特征呈熱疲勞裂紋特征。疲勞裂紋的產(chǎn)生與部分陶芯變形或偏斜，葉片外型面過拋造成的葉背壁厚偏薄造成。葉背壁厚超差葉片裝機(jī)的原因是由于生產(chǎn)公司檢測(cè)錯(cuò)誤，造成葉片生產(chǎn)質(zhì)量不過關(guān)。

2.2 裝配和維修誤差

裝配誤差是指由于加工過程中零件內(nèi)部形成的殘余應(yīng)力因素影響，裝配面出現(xiàn)接觸不良，配合面例如葉片與渦輪盤榫槽間隙超差等。實(shí)踐表明，上述誤差累積至最終裝配誤差，將不可避免的要影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。維修誤差與之類似，只是產(chǎn)生的過程是在維修過程。

2.3 外來物損傷

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來說，外來物損傷一方面是指在飛行過程中發(fā)動(dòng)機(jī)吸入異物，地面滑跑過程中進(jìn)氣道內(nèi)留有異物等，也包括飛行過程中發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部其他部件故障后，可能產(chǎn)生的殘片造成的損傷。但是，對(duì)于渦輪葉片來說，由于其距離進(jìn)氣道和壓氣機(jī)較遠(yuǎn)，其外來物損傷主要是指發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部其他部件故障后，例如燃燒室掉快等，產(chǎn)生的殘片進(jìn)入渦輪后打傷甚至打斷葉片。

2.4 超限

超限包括超溫和超轉(zhuǎn)。超溫是指渦輪后燃?xì)鉁囟瘸^規(guī)定值，此時(shí)，燃燒室出口溫度必定過高，溫度過高會(huì)使渦輪葉片承受的熱載荷增大。超轉(zhuǎn)是指發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過最大轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速過大會(huì)使渦輪葉片承受的離心載荷過大。當(dāng)載荷超過葉片所能承受的最大載荷時(shí)，葉片就會(huì)斷裂。一般說來，超轉(zhuǎn)勢(shì)必引起超溫。

在葉片斷裂失效案例中，由于超溫造成葉片斷裂失效占的比例并不最高，但其危害很大，瞬時(shí)的超溫即可造成某個(gè)葉片折斷從而打斷其他葉片，乃至整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法工作。

某飛機(jī)在完成地面通電檢查、9min 地面開車、武器系統(tǒng)的檢查和加載后飛機(jī)離地。在離地約3 秒時(shí)，尾噴管出現(xiàn)大量油霧，隨后出現(xiàn)火焰，緊急停車。對(duì)此發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查，發(fā)現(xiàn)燃?xì)鉁u輪一、二級(jí)葉片全部斷裂，原因是由于葉片在異常高溫狀態(tài)下工作出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。

3 預(yù)防措施

為了保證飛行安全，除了嚴(yán)格把好生產(chǎn)質(zhì)量關(guān)以外，平時(shí)在外場(chǎng)的維護(hù)和飛行中應(yīng)該做好以下預(yù)防措施[5]：

（1）飛機(jī)停放時(shí)，蓋好蒙布，堵好機(jī)頭蓋，防止雨水進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)造成潮濕，銹蝕葉片。

（2）地面試車和飛機(jī)滑出時(shí)，要保證場(chǎng)道清潔，防止雜物、砂石進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部損傷葉片，造成疲勞源，使葉片產(chǎn)生裂紋或斷裂。

（3）飛行前后加強(qiáng)對(duì)葉片的外觀質(zhì)量檢查，按要求對(duì)葉身進(jìn)行無(wú)損探傷檢查。

（4）地面試車、飛行過程中操縱油門不能過猛，起動(dòng)溫度、慢車溫度嚴(yán)格控制在允許范圍內(nèi)； 嚴(yán)格按試車曲線進(jìn)行試車，適當(dāng)延長(zhǎng)冷、暖機(jī)時(shí)間，正確調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)；防止發(fā)動(dòng)機(jī)超溫、超轉(zhuǎn)和超時(shí)使用。

［1］李曉甫.發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅲ級(jí)渦輪葉片高低周復(fù)合疲勞壽命研究[J].機(jī)械制造與研究，2010，39（3）：11-12，36.

［2］盧文海，劉麗玉，白明遠(yuǎn).發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪葉片斷裂分析[J].失效分析與預(yù)防，2010，5（4）：252-256.

［3］劉慶瑔.某型發(fā)動(dòng)機(jī)第Ⅰ級(jí)渦輪葉片延伸段斷裂原因分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2007：31-34.

［4］周勇.定向凝固渦輪葉片蠕變?cè)囼?yàn)及理論分析[J].大連理工大學(xué)，2010，7.

［5］張慶民，張萬(wàn)秋，王立波.發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪Ⅱ級(jí)葉片斷裂原因分析[J].失效分析與預(yù)防，2010，5（1）：35－18.