某型發動機高渦葉片掉塊故障分析與排故

鞏孟祥　李中生　韋周慶　鄭麗

摘 要：某型航空發動機在臺架試車過程中出現振動值急劇上升問題，停車后孔探儀檢查發現發動機高渦葉片掉塊燒蝕，對故障件進行質量復查、強度復查、冶金及斷口分析，并對高渦轉子葉片相關機件進行系統分析，最終找到故障原因，同時制定了后續排故措施。

關鍵詞：航空發動機；高渦葉片；掉塊燒蝕

中圖分類號：V231 文獻標志碼：A

1 故障描述

某型發動機在廠內試車過程中，出現振動值急劇上升，機載峰值達到144mm/s，停車后孔探儀檢查發現發動機高渦葉片燒蝕。發動機分解后發現高渦葉片15片出現掉塊燒蝕現象，其余高渦葉片均出現打傷變形及高溫變色現象。

2 高渦葉片質量復查

經復查，高渦葉片所用原材料入廠復驗合格，生產全過程受控、有效，質量記錄完整、齊全，各項理化檢測結果符合技術條件要求，成品葉片質量符合設計要求。

3 高渦葉片強度復查

3.1 靜強度分析

對高渦葉片進行了靜強度復查，葉片前緣中部徑向應力為106MPa，屈服強度儲備為3.81，滿足強度標準要求，葉片前緣出現故障的可能性較小。

3.2 葉尖碰磨分析

在葉尖前緣施加周向1000N的節點力，模擬葉尖碰磨情況，有限元分析結果如圖1、圖2所示。高應力部位出現在前緣葉尖和前緣葉根，葉尖高應力區靠近載荷加載部位，葉尖前緣應力不真實，所以葉尖碰磨最大應力應出現在葉根部位。根據有限元分析結果可知，葉尖前緣碰磨時，葉根比葉身前緣中部更容易發生破壞。

4 高渦葉片故障件冶金及斷口分析

高渦葉片共有72片葉片，按葉片損傷類別大致分為4類：

（a）葉片進氣邊掉塊。

（b）變形及裂紋。

（c）宏觀無明顯變形及裂紋，但進氣邊及靠進氣邊葉盆面橢圓形高溫燒黑。

（d）宏觀無明顯變形及裂紋，僅進氣邊高溫燒黑。

掉塊葉片在圓周位置上集中分布在圓周一側，基本相鄰，也即掉塊葉片在整個轉子圓周上呈扇形分布，未見變形裂紋葉片分布在另一側，則高溫燒黑程度輕的葉片位置也較集中。

對故障葉片進行電鏡掃描，典型故障形貌如圖3所示。

高渦葉片掉塊從距葉根15mm～17mm的進氣邊起始，呈現斜梯形掉塊，在第一段斷面（斜向）上均可見多個類解理刻面，類解理刻面上微觀可見河流及羽毛狀放射棱線特征，可知高渦葉片斷裂性質為疲勞。

掉塊斷口觀察表明，所有斷口起源均從距葉根15mm～17mm高度處的進氣邊區域起始，大多葉片的起源具有多源特征，各個葉片源區微觀位置并不一致，集中在氣膜孔表面、葉背打傷處表面、葉盆表面、次表面等位置，微觀觀察表明，這些源區的共性是結構（氣膜孔）或缺陷導致應力集中處，此外，源區再結晶一般呈現沿晶特征，與組織超溫導致的晶界弱化有關。此外組織觀察表明宏觀未見明顯變形和裂紋的第三、四類損傷葉片上在高溫燒黑處組織均已超溫（第三類損傷葉片進氣邊及靠進氣邊葉盆處組織過燒、第四類葉片中高溫色最輕微的葉片進氣邊組織已過熱），也可推斷整臺發動機高渦葉片在最高溫度處（葉身中部進氣邊）組織已出現超溫現象。

綜合宏觀損傷觀察、斷口宏微觀觀察、組織及溫度場分析可知葉片先超溫后疲勞開裂。

5 故障原因分析

高壓渦輪葉片斷口分析結果表明，葉片為超溫疲勞斷裂。下面就高渦葉片超溫原因分析排查。

5.1 環境超溫

（1）經過復查試車情況，發動機在試車過程中未發生發動機超溫的情況。

（2）從高渦轉子葉片損傷周向分布情況看，損傷掉塊且超溫的葉片集中在1/4的區域內，距離較遠的葉片有過熱，但無超溫現象，可以說明高渦轉子葉片環境溫度無明顯異常。

5.2 高渦葉片自身冷卻問題

（1）冷卻流路不通暢

根據主燃燒室故檢結果，預旋噴嘴處未發現異常，復查高渦前封嚴盤與主燃蜂窩配合，配合間隙未發現異常。因此認為冷卻流路未發現堵塞不通暢問題。

（2）高渦葉片頂端蓋板脫落或翹曲

高渦葉片蓋板缺失可造成葉片內冷卻空氣從頂端流出，葉片氣模孔無冷卻氣流出，葉片氣膜冷卻失效，會造成葉片燒蝕掉塊。檢查葉片蓋板。大掉塊的葉片由于前緣掉塊其蓋板在前緣位置完全損傷，除這些掉塊葉片上蓋板前緣缺失外，其他宏觀未裂葉片其蓋板無明顯掉塊，僅存在較為嚴重的刮磨，及葉背葉尖棱邊變形缺失，因此認為，此次故障由于蓋板原因引起的可能性較低。

（3）葉片內冷卻通道堵塞

外來物堵塞高壓渦輪葉片冷卻通道，有可能導致葉片冷卻的逆流裕度不足而發生超溫。

①分解檢查故障葉片榫頭底部進氣窗口，未發現堵塞物。

②通過解剖葉片亦未發現異常。

③根據復查情況葉片水流量均合格。

因此，認為葉片內冷卻通道堵塞可能性較低。

5.3 渦輪葉片損傷導致冷卻失效

（1）分解檢查過程中發現一個高渦導向器堵塊脫落缺失。材料為K40M，裝配于高壓導向葉片上緣板后端，兩件用真空釬焊方法固定，主要作用是封堵葉片緣板鑄造時的工藝退渣口。

（2）能譜分析結果表明 14#葉片表面存在K40M，葉片表面未見其他異常外來成分。表明高導葉片堵塊脫落，并且撞擊了高渦轉子葉片。

分析認為如果高渦葉片受到外物打傷產生裂紋或裂口，裂紋或裂口損傷隨著高渦轉子工作出現擴展，使得高渦葉片內部冷卻空氣從損傷處流出，也會使葉片氣模冷卻失效造成葉片超溫燒蝕，在對高渦葉片進行電鏡掃描時發現有3片葉片疲勞起源特征，均有打傷坑。因此，高渦葉片是受到外物打傷引起葉片冷卻失效而超溫。

5.4 堵塊脫落原因分析

堵塊裝配定位不牢靠，真空釬焊時堵塊自由下落到工藝孔孔口處，后續磨加工工藝孔孔口，將1.2mm余量去除，即將堵塊焊接質量良好的1.2mm部分去除，僅留下焊接質量較差的小部分封堵在工藝孔孔口處，在后續工作過程中焊縫強度不足，造成堵塊脫落打傷渦輪葉片。

結論

（1）高渦導向葉片堵塊脫落是造成此次故障的首發因素。

（2）故障模式：發動機工作時，高渦導向葉片一個堵塊發生脫落，掉落在高壓渦輪導向器與高壓渦輪葉片之間的流道內。堵塊隨著氣流撞擊到高渦轉子葉片前緣，對某些葉片產生傷害，形成裂紋或裂口。裂紋或裂口損傷在熱應力、離心應力及振動應力等的共同作用下，逐步擴展，高渦葉片冷卻失效，致使葉片超溫造成材質疲勞性能下降，進而發生撕裂掉塊的情況。撕裂掉塊的葉片殘骸四散，對相鄰高渦葉片繼續產生傷害。葉片的撕裂掉塊影響了附近其他葉片的冷卻效果，致使其他葉片也發生了超溫的情況。多個葉片的損傷使得高渦轉子平衡被破壞，高渦轉子發生振動異常，發動機振動值激增，振動引起高渦轉子位置串動，高渦轉子葉片與附近其他機件發生異常碰磨。

（3）針對堵塊脫落故障，已經貫徹改進措施：將工藝孔處真空釬焊堵塊改為氬弧焊封堵，并通過評審。

參考文獻

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