高壓壓氣機一、二級盤連接鼓封嚴齒裂紋故障分析

陳剛 王任翔 王藝霖

摘 要：某型發動機返廠大修檢查時目視檢查發現高壓壓氣機一、二級盤組合件連接鼓處有一處裂紋，此裂紋貫穿一、二級盤連接鼓處三道封嚴齒，長20mm，高壓轉子為發動機核心部件，一旦失效將對發動機造成不可估量的影響。

關鍵詞：發動機；裂紋；強度

中圖分類號：V231 文獻標志碼：A

1 冶金分析

1.1 故障件整體情況

故障件外觀顏色正常，裂紋位于一級盤的三道封嚴齒上，向一、二級盤兩側擴展，裂紋已穿透封嚴齒及連接鼓壁厚，長20mm。宏觀上看，故障件封嚴齒齒頂為金屬色，裂紋處齒頂寬度相比于其他位置明顯變寬，說明磨損較重。

1.2 斷口分析

裂紋斷口呈深黃色，在第一齒和第二齒上可見明顯的起始于各自齒頂的疲勞弧線，第三齒上可見由第二齒擴展而來的疲勞弧線。源區處未見冶金缺陷，但氧化嚴重，疲勞擴展區可見疲勞弧線和疲勞條帶。裂紋性質均為疲勞裂紋。

1.3 齒頂表面檢查及能譜分析

裂紋起源處的齒頂表面可見多條“微裂紋”，在第三齒齒頂上也可見類似的“微裂紋”，幾個位置上的齒頂面上均存在微裂紋，微裂紋較淺，封嚴齒上殘留了較多的蜂窩材質成分。

1.4 基體組織檢查

對故障件基體組織進行檢查，并與兩個非故障盤進行對比，3個盤基體組織均為網籃組織，組織未見明顯異常。

1.5 非故障盤齒尖形貌檢查

為了確認非故障盤封嚴齒尖是否有微裂紋，選取不同使用時間的13臺一二級盤組合件，對一級盤封嚴齒裂紋情況進行宏觀檢查和微觀檢查，宏觀檢查通過目視檢查和放大鏡檢查，微觀檢查通過取樣使用掃描電子顯微鏡檢查，非故障盤封嚴齒目視和放大鏡檢查均未見裂紋。

1.6 冶金分析結論

①故障件裂紋為疲勞裂紋，組織未見明顯異常；②故障件出現疲勞起源的封嚴齒頂上均可見由于磨損受熱導致的組織燒傷現象，裂紋附近封嚴齒齒頂存在蜂窩成分的金屬層，封嚴齒頂上存在多條微裂紋，因此裂紋的產生與封嚴齒磨損有關。

2 強度設計復查

2.1 強度試驗復查

某型發動機完成了高壓壓氣機轉子超轉/破裂試驗、低循環疲勞試驗，高壓壓氣機轉子通過了試驗考核，試驗結果表明高壓壓氣機轉子強度壽命儲備滿足規范要求。

2.2 共振分析

為排查裂紋故障與一、二級盤連接鼓振動的相關性，分別按照行波振動和強迫振動開展了共振分析工作。一、二級盤組合件連接鼓主要激振因素為一、二級轉子葉片受到靜子葉片激振后，將周期性激勵通過盤榫連接傳遞到一、二級盤和連接鼓上，對可能激起齒尖振動的振型按照行波振動進行頻率裕度分析，從頻率裕度分析結果和相對振動應力分布可知，封嚴齒一般難以出現有害的振動。

2.3 動應力測量

工作轉速下，封嚴齒尖部的振動應力水平均較低，最大振動應力值為11MPa。

2.4 復查結論

①一、二級輪盤強度儲備滿足標準要求；②輪盤振動特性分析結果表明，一、二級盤連接鼓發生有危害性行波振動的可能性較小；③動測結果表明，一、二級盤連接鼓動應力很小，強度儲備滿足要求。

3 實物復查

3.1 故障件尺寸測量

對故障件進行了相關尺寸測量，測量采用圓周16測點均布，裂紋位置為起始點，從測量結果可知：①裂紋處封嚴齒磨損比較嚴重，封嚴齒高度減小，與無裂紋處最大相差0.47，比理論值小0.46；②由于裂紋處磨損嚴重，齒尖寬度變寬，比無裂紋處寬約0.2；③一級盤連接鼓壁厚超差，比理論尺寸厚0.05～0.11；④二級盤后止口超差單邊變大0.073。分析表明，故障件封嚴齒裂紋處比非裂紋處齒尖直徑減小，齒頂變寬。

3.2 窩磨損深度

測量了50臺份大修機一二級盤連接鼓封嚴齒直徑及一級蜂窩磨損深度，從測量結果可知，故障臺封嚴齒平均直徑偏小，磨損偏重。查詢了國外相關資料，蜂窩的磨損深度在CFM56-7B和某國外資料要求的上限，甚至超過上限要求。

3.3 蜂窩表面硬度對比

為比較國內外蜂窩硬度差別，開展了蜂窩表面承載試驗，使用布氏硬度計在蜂窩表面進行同載荷、同時間的加載試驗，以比較兩種蜂窩壓痕大小。試驗結果表明：

①國產件釬焊后承載能力高于釬焊前蜂窩，說明釬焊工藝使蜂窩硬度加強；②國產蜂窩表面承載能力明顯高于國外件蜂窩，說明國產蜂窩較硬，更容易造成封嚴齒磨損。

3.4 復查結論

①對故障件進行尺寸測量，一級封嚴齒磨損嚴重，其余基本合格；②故障件一級封嚴套兩側掛鉤寬度及高度均偏大較多，變形情況嚴重，使封嚴套與靜子內環塊配合間隙增大，封嚴套松動；③故障臺蜂窩磨損深度偏大；④與國外蜂窩相比，國產蜂窩磨損深度較深，蜂窩較硬，電解磨工藝造成故障臺和批產機蜂窩表面有明顯金屬熔化物堆積現象，且釬焊料堆積現象嚴重，這些因素會導致發動機工作時對封嚴齒的磨損更嚴重。

4 故障機理

由故障件斷口分析結果可知，裂紋性質為疲勞裂紋，源區處未見冶金缺陷，但源區氧化嚴重，存在明顯的氧化顆粒特征；出現疲勞起源的封嚴齒頂上可見由于磨損受熱導致的組織燒傷現象，且封嚴齒頂殘留有蜂窩材質成分，因此裂紋的產生應和封嚴齒與蜂窩碰摩有關。

通過理論分析表明故障部位應力及儲備滿足標準要求，振動應力測量結果也表明，在工作轉速范圍內，一、二級盤組合件連接鼓以及封嚴齒尖部振動應力均較低，動強度儲備滿足要求。但封嚴齒和蜂窩的實際磨損情況表明，在發動機工作過程中，封嚴齒與蜂窩發生碰摩，使封嚴齒受到了機械沖擊應力、交變熱應力等載荷作用，導致封嚴齒尖部材料燒傷，抗力下降；封嚴齒頂在與蜂窩摩擦過程中，蜂窩的融化物逐漸堆積在封嚴齒尖表面，隨著不斷的碰摩，逐漸產生微裂紋并擴展，形成裂紋。另一方面，國產蜂窩（包括故障件）最終加工完后，焊料堆積較嚴重，且蜂窩表面和側壁附著較多金屬融化物，造成蜂窩硬度偏大，當與封嚴齒發生碰摩時，對封嚴齒損傷更大，更容易造成過度碰摩，導致封嚴齒尖燒傷進而出現微裂紋。

5 故障原因分析

①裂紋性質為疲勞裂紋，故障件封嚴齒與蜂窩碰摩嚴重是造成封嚴齒裂紋的直接原因；②故障臺一級靜子內環封嚴套變形，使蜂窩環固定不穩定，發動機工作時，蜂窩環與封嚴齒頻繁碰摩，使封嚴齒承受頻繁的沖擊載荷；國產蜂窩釬焊后焊料堆積嚴重，采用電解磨加工方式后，蜂窩上金屬融化物殘留較多，使蜂窩硬度偏大，加重了封嚴齒磨損，是封嚴齒產生裂紋的主要原因；③封嚴齒與蜂窩徑向間隙偏小，使封嚴齒磨損較重。

6 排故措施

根據故障原因分析，故障發生主要與蜂窩和封嚴齒碰摩相關，為了有效防止此類故障發生，提出以下幾點排故措施：

①對高壓壓氣機封嚴齒與蜂窩徑向間隙進行優化調整，通過調整蜂窩直徑尺寸進行間隙優化；②根據蜂窩直徑調整后尺寸修改某型發動機高壓壓氣機蜂窩磨損標準；③優化蜂窩真空釬焊和補焊工藝，控制蜂窩焊后焊料堆積及堆積高度；④優化蜂窩電加工參數，減少金屬熔化物的產生，并對電加工后的蜂窩先用鋼刷再用毛刷刷除金屬熔化物殘留。

參考文獻

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