某型航空發動機鋸齒冠渦輪葉片葉冠間隙擴展規律研究

栗尼娜

（中國航發貴州航空發動機研究所，貴陽550081）

0 引言

航空發動機轉子葉片裝配數量多，工作條件惡劣，因此在使用的過程中失效概率相對較大。據統計，在發動機零部件的失效事件中，轉子葉片故障占發動機結構故障的45%左右[1]。轉子葉片的失效模式隨工作條件的不同而有所不同，主要有外物損傷、變形伸長和斷裂等3種[2]。外物損傷大都出現在壓氣機葉片上，尤其是壓氣機的前幾級葉片上[3]，由外物損傷而導致的葉片斷裂失效屢有發生，并且曾因此引發過機毀人亡的飛行事故。如何防止轉子葉片的外物損傷至今仍是航空界普遍關注的重大課題之一。轉子葉片的變形伸長失效的直接后果是葉身與機匣相磨，危及發動機的使用可靠性，判斷葉片是否發生變形伸長的主要依據是檢查機匣有無磨損的痕跡或檢查葉片是否由于使用溫度偏高而發生蠕變。轉子葉片的斷裂失效出現的概率最高，其危害性一般較大，尤其是葉片榫頭或根部斷裂的模式，很可能由于1個葉片的斷裂而打壞其他葉片，甚至使整臺發動機無法工作而危及飛行安全，某型發動機配裝的渦輪葉片就曾因榫頭斷裂故障造成等級事故若干起[4]。轉子葉片的斷裂失效絕大多數是疲勞斷裂失效，而葉片疲勞斷裂失效又以由于振動引起的高周疲勞失效的模式較為常見，約占葉片斷裂故障的80%[1]，導致葉片高周疲勞失效的主要原因為葉片振動阻尼失效。葉片振動阻尼包括結構阻尼、氣動阻尼和界面摩擦阻尼，直接影響結構振動響應的大小，其中界面摩擦阻尼，尤其是干摩擦阻尼（渦輪葉冠、緣板阻尼盒等）是減小和抑制葉片響應，最大限度降低高周疲勞的最重要的手段之一[5-6]。

配裝某型航空發動機的鋸齒冠渦輪葉片在實際外場使用過程中發生了若干起同一模式的葉片于近葉冠的葉身處折斷的故障，這里簡稱“掉冠”故障。故障研究結果表明，故障性質為高周疲勞，是葉片葉冠嚙合面在使用過程中逐步磨損產生間隙使葉冠阻尼失效；出現間隙后，葉冠間隙在使用過程中進一步擴展到一定水平，使葉片在較大的振動應力下發生斷裂破壞[7]，該“掉冠”故障模式不會危及飛行安全，但其斷裂會導致渦輪葉片、機匣等相關零部件的二次損傷，極大程度上影響了裝備的完好率[7]。歷次“掉冠”故障分析認為，故障均在葉片葉冠出現一定水平間隙的情況下發生[8]。為保證外場發動機使用安全，減少故障發生率，外場使用中采取了定期監控葉冠間隙情況的措施，對發動機進行控制使用。目前，隨著該鋸齒冠渦輪葉片外場總使用時數的不斷累積，外場葉冠出現間隙發動機的子樣及其監控記錄的不斷增加，使得對發動機鋸齒冠渦輪葉片葉冠間隙擴展規律的進一步研究成為可能。此外，當前外場主要通過定期監控葉冠總間隙情況對葉冠出現間隙的發動機進行控制使用，而總間隙的測量需要擴開發動機加力擴散器進行，外場監控措施操作性不強。

考慮上述情況，本文主要基于鋸齒冠渦輪葉片葉冠間隙的外場監控檢查記錄開展葉冠間隙擴展規律的統計分析，包括葉冠間隙擴展典型規律和擴展速率的分析，葉片松動數量和間隙對應關系的統計分析，以及葉冠出現間隙發動機外場使用情況的統計分析，為后續提出更加合理、有效、可操作性強的外場監控措施提供參考和指導。

1 間隙擴展規律

1.1 統計樣本數據說明

考慮葉片掉冠故障為葉片各壽命階段均可能出現的故障模式，與葉片的使用壽命無明顯關聯，故從前期積累的196臺次[8]葉冠出現間隙的發動機中選取了間隙記錄比較完整的112臺次發動機外場間隙檢查記錄的統計數據為樣本，開展了葉片葉冠間隙擴展特點和規律的詳細分析與研究。

1.2 葉冠間隙擴展典型規律和擴展速率的分析

從統計的112臺發動機的間隙記錄[9]來看，葉冠出現間隙的階段工作時間一般在100 h以上。

從112個紀錄中整理出能夠體現總間隙由小到大擴展情況的28臺次發動機作為樣本，分析葉冠間隙擴展的持續時間。分析結果表明間隙由小到大擴展的平均持續時間為58 h。

上述統計分析結果表明，葉冠從最初配合狀態到產生間隙的工作時間明顯比間隙由小到大擴展的工作時間長，小間隙出現后會在較短的時間內擴展為較大間隙。總結葉冠間隙因磨損而擴展的整個過程，主要包含以下2個典型的階段：

（1）間隙穩態擴展階段。從出廠的“緊”配合狀態到葉片階段工作時間t0時，葉冠間的過盈配合由于磨損而逐步消失成為0間隙或小間隙配合狀態的過程，該過程在間隙擴展的整個過程來看持續時間較長，認為該段擴展過程為穩態擴展階段。統計結果表明該段過程持續時間一般在100 h以上，間隙穩態擴展的平均速率估算值約為0.12 mm/h。

（2）間隙異常擴展階段。葉片在經歷穩態擴展階段達到一定的小間隙后，間隙擴展速率呈現逐步上升的趨勢，即隨著間隙的逐步擴展，間隙擴展速率也逐步上升。在此階段，葉冠間隙以異常快速的擴展速率由小間隙繼續擴展到較大水平。統計分析表明異常擴展階段持續時間平均水平為58 h，對葉片掉冠或出現裂紋的發動機異常擴展階段的平均擴展速率進行了估算，最高達0.42 mm/h，平均為0.26 mm/h。

基于上述特點，繪制發動機II級渦輪轉子葉冠間隙隨葉片階段工作時間的變化過程曲線，其變化趨勢如圖1所示[10]。

圖1 葉冠總間隙擴展趨勢

1.3 松動葉片數量和間隙的對應關系統計

由于在外場發動機不擴開加力擴散器情況下無法開展總間隙測量工作，但比較方便對松動葉片數量進行檢查，因此開展了松動葉片數量同葉冠間隙對應關系的統計，以期通過確定松動葉片數量控制標準來控制發動機的使用。

考慮到全臺葉片松動對應的間隙數據無法準確確定，且不唯一，而松動葉片數量少時，松動葉片數量與葉冠間隙的對應關系會因松動葉片數量的微小偏差而產生較大變化，全臺葉片松動和松動葉片數量≤5片對應的間隙樣本不適合作為該統計的樣本。從統計的112臺次發動機中選擇了葉冠間隙和松動葉片數量存在對應關系的46個樣本數據，并對其進行了統計分析，結果表明，葉片葉冠間隙增加時，松動葉片數量相應地也增加。二者比例關系的計算結果為：近90%的樣本葉冠間隙和松動葉片數量的比例關系低于0.15 mm/片；10%的樣本數據超過0.15 mm/片，最大為0.25 mm/片。綜上所述可初步確定，葉冠間隙和松動葉片數量近似存在0.15 mm/片的比例關系，即松動葉片數量每增加1片，葉冠間隙近似增加0.15 mm，該結論使外場發動機在葉片葉冠出現間隙后在剩余壽命期內采用葉片松動數量作為發動機控制使用的標準成為可能。

此外，依據掉冠發動機間隙記錄情況繪制的松動葉片數量隨階段工作時間變化關系，如圖2所示。從圖中可見，掉冠發動機松動葉片數量隨階段工作時間的擴展過程也同葉冠間隙一樣存在短時異常擴展的現象，異常擴展時間在50 h左右，從某種程度上驗證了松動葉片數量同葉冠間隙之間存在一定的對應關系的結論，同時，異常擴展時間與統計得到的異常擴展的平均時間58 h基本相當。

圖2 葉片掉冠發動機松動葉片數量隨階段工作時間的變化關系[3]

1.4 葉冠出現間隙的發動機使用情況統計

針對14臺葉片掉冠或出現裂紋的發動機，以及從統計的112個發動機樣本中選取葉冠間隙超標返廠和監控已到達翻修壽命期限的發動機，以其首次發現葉冠間隙的工作時間為數據樣本（樣本總計94個）進行統計分析，結果表明：

（1）14個葉片掉冠和出現裂紋發動機樣本首次發現葉冠間隙的階段工作時間均在200 h以內。

（2）葉冠間隙超標返廠發動機共計29臺，其首次發現葉冠間隙的階段工作時間基本在210 h以內。

（3）監控已到達翻修壽命期限的發動機共計41臺，其首次發現葉冠間隙的階段工作時間基本在215 h以上。

上述統計結果表明，階段工作時間200 h以內發現葉冠間隙或葉片松動的發動機很難正常使用至翻修壽命。

2 結論

通過對某型發動機鋸齒冠渦輪葉片葉冠間隙擴展規律的研究發現，葉冠總間隙擴展存在以下典型特征：

（1）葉冠間隙存在穩態擴展和異常擴展階段，穩態擴展時間一般在100 h以上，異常擴展時間在50 h左右。

（2）松動葉片數量同葉冠總間隙存在一定的比例關系。

（3）葉冠首次發現間隙的階段工作時間較短（一般在200 h以內）的發動機很難正常工作至翻修壽命。

3 建議

考慮上述研究成果，建議后續在外場葉冠間隙監控過程中引入葉片松動情況檢查的監控措施，以改善外場監控措施的可操作性，同時，通過制定合理的間隙控制標準，盡量使發動機的工作處在葉片葉冠間隙的穩態擴展階段，以便對發動機進行合理的控制使用。

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