發動機高壓壓氣機葉片損傷形式的研究分析

王曉雯

摘要：針對發動機高壓壓氣機單元體葉片損傷的形式進行統計分析，高壓壓氣機葉片的主要損傷形式為腐蝕、卷邊，凹坑，疲勞裂紋，斷裂等。通過損傷現象的統計，對損傷原因的分析，可以幫助航空公司營運人在發動機使用和高壓壓氣機維修工作范圍的制定上提供相應參考，以提升發動機性能、保障運行可靠性，杜絕安全隱患的方法。

關鍵詞：高壓壓氣機葉片;損傷

航空發動機高壓壓氣機葉片損傷是運行過程中的常見故障，本文基于對發動機高壓壓氣機葉片多種損傷形式進行研究分析，并介紹了葉片損傷檢查標準及修理方案，對航空發動機使用和高壓壓氣機葉片的維修具有廣泛和積極的作用。

1高壓壓氣機葉片簡介

高壓壓氣機為11級軸流式壓氣機，由轉子和靜子組成。采用可控擴散轉子葉型，進口級、5級、6級和7級為可調靜子葉片，使發動機具有較大的喘振裕度。前四級葉片用軸向燕尾型榫頭，后七級葉片采用環形燕尾榫頭，因為轉速高，葉根根部、輪盤承受的載荷極大。高壓壓氣機將來自低壓壓氣機的空氣進行壓縮并將壓縮后的空氣經擴散機匣傳送給燃燒室。HPC最大的壓縮能力大約為460 PSI（3170kPa）

壓氣機葉片的工作環境：轉速高，每分鐘要達到數萬轉。最大轉速除PW4052和PW4152為10 300 r/min外，其余均為10 450 r/min。轉速高可以使得壓氣機在尺寸小，重量輕的條件下，得到所需的性能（即給定的空氣質量流量和增壓比），滿足發動機性能設計的基本要求，這是有利的一面，但是在高轉速條件下，轉子零件及其連接處要承受巨大的慣性力、氣體力、扭矩和復雜的震動負荷。由于葉片不僅受較高的離心負荷，氣動負荷，大氣溫差負荷及震動交變負荷影響，同時還受到發動機進氣道外來物的沖擊，受風沙，潮濕的侵蝕等，所以要求葉片在剛性和強度，抗外物打傷能力和包容能力方面要強，因為葉片在振動的條件下會產生裂紋甚至斷裂，所以葉片的設計也求避免共振。但同時高壓壓氣機工作葉片單薄、量多、尺寸形狀復雜經常會發生損傷。其可能損傷的形式有：腐蝕、卷邊，凹坑，裂紋，掉塊等。

轉子葉片和靜子葉片的材料分為鈦合金（Titanium alloy）和鎳基合金（Nickel base alloy），其中鈦合金具有耐高溫，重量輕，比強度高，抗腐蝕能力強的特點。但是鈦合金溫度超過400攝氏度時則強度降低，因此鈦合金用于發動機的低溫部分。鎳基合金具有屈服強度高，較高的耐腐蝕，抗氧化的特點，因此使用在后3級溫度較高部分的葉片。

2常見造成葉片損傷的原因分析

常見造成葉片損傷的原因主要有以下幾方面：

（1）氣候原因造成HPC葉片的損傷：HPC葉片存在腐蝕性環境中，并且腐蝕性環境綜合作用很容易使得壓氣機葉片發生腐蝕。常見的腐蝕環境有：潮濕大氣、海洋性大氣、城市和工業污染。這些環境都會誘發和促進壓氣機葉片的腐蝕。

（2）外來物損傷FOD（FOREIGN OBJECT DAMAGE）：頻繁發生FOD使葉片表面出現凹痕或缺口，同時引起局部殘余拉應力。轉子在高速轉動時，葉片受到較高的離心慣性力和尾流激振引起的振動應力，發生高周疲勞，而FOD極易成為疲勞源，從而大大降低疲勞壽命[1]。葉片的沖擊損傷使高周疲勞壽命顯著降低，影響葉片高周疲勞壽命的主要因素是拉應力作用下材料中缺陷引起的微塑性，FOD在缺口附近產生殘余拉應力與循環載荷作用下缺口處拉應力集中相疊加，從而造成損傷。

（3）內部自身原因（EOD）造成HPC葉片損傷：發動機自身零件因未在所要求的工作位，掉落之后對發動機造成的損傷。例如：發動機裝配過程中，固定的鎖片由于未完全裝配，造成在發動機使用過程中鎖片脫落，沿著氣流通道向后擊傷葉片。損傷機理與FOD相同。

（4）由于喘振造成的HPC葉片損傷：壓氣機是在給定的進氣條件、轉速、增壓比和空氣流量設計的。但是其工作狀態（工作環境的溫度、壓力、轉速和空氣流量等）實際上都是變化的。當壓氣機的增壓比大到某一數值時，壓氣機就會進入不穩定工作狀態，很容易發生喘振，使整個系統發生低頻大振幅的氣流軸向脈動，甚至發生瞬間氣流倒流的現象。壓氣機喘振可能導致結構損壞甚至葉片斷裂。

（5）由于振動造成的HPC葉片損傷：壓氣機葉片常因振動而產生裂紋甚至斷裂。振動分為兩類：一類是在周期性外力作用下發生的葉片振動，成為強迫振動。周期性的外力來自工作輪葉片和整流器葉片之間的相互干擾，工作輪葉片的旋轉失速等。另一類是由葉片自身的振動以及相鄰葉片自身振動相互干擾而形成的，稱為葉片自激振動或葉片顫振。為了避免葉片顫振，在葉片設計過程中要改變它們的固有頻率。

3 OEM手冊對葉片損傷檢查標準及修理方案介紹

3.1轉子葉片檢查標準（以5級轉子為例）

按照OEM手冊的檢查要求，需要對5級轉子葉片進行目視檢查和尺寸檢查（如圖1），目視檢查主要檢查轉子葉片是否存在壓坑、磨損、劃痕和鎖片丟失等現象，尺寸檢查是在葉片呈單件狀態下，使用測量工具檢查葉片形狀輪廓的尺寸是否滿足手冊要求[3]。

3.2轉子葉片修理方案（以5級轉子為例）

針對HPC5級轉子葉片常見故障，CIR（Check， Inspection & Repair）檢查修理手冊的修理方案有：葉根噴丸、翼型噴丸、葉根防咬劑恢復、翼型打磨、葉尖電鍍（專利修理）、葉根噴涂（專利修理）、翼型拋光（專利修理）。

3.3靜子葉片檢查標準（以5級靜子為例）

按照OEM手冊的檢查要求，需要對5級靜子葉片進行目視檢查和尺寸檢查（如圖2），目視檢查主要檢查靜子葉片是否存在壓坑、磨損、劃痕、破損和腐蝕等現象，尺寸檢查是在靜子葉片呈單件狀態下，使用測量工具檢查葉片形狀輪廓的尺寸是否滿足手冊要求。

3.4靜子葉片修理方案（以5級靜子為例）

針對HPC5級靜子葉片常見故障，CIR手冊的修理方案有：打磨修理、噴玻璃丸、內外耳軸噴涂、耳軸槽焊修（專利修理）、翼型拋光（專利修理）。

4結束語

航空發動機的制造業制約著中國航空業的發展，目前國產民航發動機正處于起步階段，高壓壓氣機單元體屬于發動機核心單元體，飽含材料和關鍵技術核心。高壓壓氣機葉片的可靠性決定單元體和發動機的使用時間和維修周期，所以希望通過葉片的損傷分析在葉片的材料選用和制造上起到幫助作用，推動民航發動機的進一步發展。

參考文獻：

[1]康繼東，陳士煊，徐志懷，饒新陽.壓氣機葉片外物損傷及其維修性的研究進展[J].燃氣渦輪試驗與研究，1998（01）：1-2.

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