壓氣機轉(zhuǎn)子帶凸肩葉片掉塊故障分析

賈朝波，陳 勇，侯東旭，李春波

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，沈陽110043）

0 引言

葉片失效是航空發(fā)動機的常見故障，引起壓氣機轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)裂紋或發(fā)生掉塊故障的主要原因包括強度設(shè)計裕度不足、外物打傷、異常碰摩、冶金缺陷、加工制造缺陷及使用不當(dāng)?shù)?。統(tǒng)計表明，疲勞斷裂是引起轉(zhuǎn)子葉片失效的最常見形式，排查葉片疲勞失效故障原因，分析葉片失效機理，對改進提升發(fā)動機使用可靠性具有十分重要的意義。

在壓氣機葉片失效分析研究方面，傅國如等[1]系統(tǒng)闡述了壓氣機轉(zhuǎn)子葉片典型失效模式、失效機理、失效規(guī)律及失效原因，并結(jié)合實例對典型失效模式特征進行了分析；Lourenco 等[2]研究了某發(fā)動機葉片失效故障，指出失效起始于蝕坑；劉博志等[3]、李洋等[4]研究了某風(fēng)扇葉片初期裂紋及壓氣機葉片斷裂故障，指出葉身基體組織不均勻及葉片局部晶間腐蝕是導(dǎo)致葉片疲勞失效的主要原因；佟文偉等[5]、范順昌等[6]研究了某風(fēng)扇葉片裂紋及某高壓壓氣機轉(zhuǎn)子葉片掉角故障，認為葉片失效主要原因是葉片與機匣之間發(fā)生了異常碰摩；卜嘉利等[7]、姜濤等[8]對某風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片及某壓氣機轉(zhuǎn)子葉片進行了失效分析，認為葉片裂紋萌生與表面加工痕跡有關(guān)；Poursaeidi 等[9]和Salavatian 等[10]通過試驗及數(shù)值計算分析了某葉片的失效原因，認為一彎共振造成了葉片高周疲勞失效；Kermanpur 等[11]分析了Ti6Al4V 壓氣機葉片的失效機理，總結(jié)出葉根位置耐磨性差，同時葉根和燕尾槽接異常導(dǎo)致葉根疲勞斷裂；蘆才軍等[12]研究了某帶凸肩轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生斷裂故障的原因，初步判斷是由共振引發(fā)了葉片疲勞斷裂；王婧等[13]針對尾流激振引起的某壓氣機葉片進氣邊高階共振掉角故障，通過對葉片進行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計及改變前1 級靜子葉片分布來改變激振力，改善了轉(zhuǎn)子葉片的振動狀況。

本文針對某壓氣機轉(zhuǎn)子帶凸肩葉片掉塊故障，通過宏觀檢查、斷口分析、加工制造質(zhì)量復(fù)查及仿真對比計算，分析了葉片斷裂性質(zhì)及掉塊故障原因。

1 故障情況

某發(fā)動機在工作中突發(fā)異響，經(jīng)流道檢查發(fā)現(xiàn)第2 級轉(zhuǎn)子有1 片葉片進氣邊掉塊，同級轉(zhuǎn)子葉片、前一級靜子葉片排氣邊及后幾級轉(zhuǎn)、靜子葉片均有不同程度打傷，但無明顯掉塊；檢查進口整流器及帽罩，無打傷痕跡；復(fù)查運行參數(shù)，在發(fā)動機工作期間無超溫、超轉(zhuǎn)及振動異常情況。根據(jù)葉片形貌特征判斷掉塊故障葉片為首斷件，其他故障葉片均為二次打傷件，掉塊故障葉片形貌如圖1 所示。經(jīng)檢查，故障葉片凸肩無搭接錯位等異?，F(xiàn)象，故障葉片葉尖及機匣涂層未發(fā)現(xiàn)異常刮磨痕跡。該級轉(zhuǎn)子葉片材質(zhì)為鈦合金，發(fā)生故障時已工作超過100 h，復(fù)查該型發(fā)動機歷史使用情況，該級葉片未出現(xiàn)過類似掉塊故障。

圖1 掉塊故障葉片宏觀形貌（葉盆側(cè)）

2 斷口分析

2.1 斷口宏觀形貌

通過實體顯微鏡觀察故障葉片的斷口宏觀形貌如圖2 所示。從圖中可見，葉片斷口呈灰色，主疲勞源位于葉盆側(cè)，靠近凸肩（進氣方向）與葉身轉(zhuǎn)接圓弧處，如圖中箭頭所示區(qū)域；在斷口葉盆側(cè)邊緣有多處底部呈銀白色、帶有金屬光澤的打傷痕跡，位置均不在疲勞源區(qū)；疲勞裂紋從葉盆向葉背及兩側(cè)擴展，擴展較為充分，主疲勞源在擴展過程中又形成多個疲勞源，疲勞區(qū)占整個斷口的95%以上。主疲勞源區(qū)局部形貌及向葉尖擴展的疲勞區(qū)局部形貌如圖3、4 所示。

圖2 斷口宏觀形貌

圖3 主疲勞源區(qū)局部形貌

圖4 向葉尖擴展的疲勞區(qū)局部形貌

2.2 掃描電鏡觀察

通過掃描電鏡觀察斷口主疲勞源區(qū)形貌如圖5所示。主疲勞源區(qū)未見冶金缺陷，也未見打傷痕跡。

疲勞擴展區(qū)疲勞弧線形貌和放大觀察疲勞擴展區(qū)疲勞條帶形貌分別如圖6 所示。從圖中可見，疲勞區(qū)疲勞條帶細密，間距小于0.5 μm，符合高周疲勞斷裂特征。

圖5 主疲勞源區(qū)放大形貌

圖6 疲勞擴展區(qū)疲勞條帶形貌

2.3 能譜分析

利用能譜分析儀對葉片斷口源區(qū)和擴展區(qū)進行成分分析，葉片材質(zhì)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，斷口上及打傷痕跡底部均未見外來異常元素。

2.4 金相組織檢查

從斷口下方約30 mm 處橫向截取金相試樣，打磨、腐蝕后觀察顯微組織形貌如圖7 所示。其金相組織為等軸α+β 兩相組織，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5 斷口分析結(jié)果

圖7 葉身橫向金相組織形貌

斷口分析結(jié)果表明，主疲勞源位于葉盆側(cè)，靠近凸肩（進氣方向）與葉身轉(zhuǎn)接圓弧處，主疲勞源區(qū)未見冶金缺陷，也未見打傷痕跡。整個斷口為多源疲勞斷口，在擴展過程中又形成多個疲勞源，疲勞條帶細密，具有高周疲勞斷裂特征。

3 葉片加工制造質(zhì)量復(fù)查

經(jīng)檢查，故障葉片榫頭、凸肩轉(zhuǎn)接圓弧尺寸及葉片表面粗糙度均符合要求；根據(jù)設(shè)計圖紙檢查葉片A1～A77 個型面（如圖8 所示）的進、排氣邊厚度C1、C2及最大厚度Cmax（如圖9 所示），除缺失區(qū)域外，故障葉片的測量結(jié)果符合要求，與其他葉片相比無明顯異常。

圖8 葉片厚度測量截面

圖9 葉型特征尺寸

對照標(biāo)準(zhǔn)樣件對故障葉片進行波紋度目視檢查，發(fā)現(xiàn)故障葉片凸肩與葉身轉(zhuǎn)接圓弧處過渡不符合要求。通過3 坐標(biāo)方法測量從葉片葉尖到凸肩下部x=14 mm 截面的葉展輪廓，測量結(jié)果如圖10（a）所示，理論模型對應(yīng)葉展輪廓尺寸數(shù)據(jù)如圖10（b）所示。從測量結(jié)果來看，故障葉片葉展輪廓在距離葉尖36.55～44.42 mm 區(qū)間（凸肩上方）及56.34～58.80 mm區(qū)間（凸肩下方），輪廓厚度比理論模型尺寸最大分別減薄了0.27 mm 及0.15 mm，超出了設(shè)計要求。

圖10 葉片葉展輪廓測量結(jié)果

采用最大厚度測量工裝，打表測量故障葉片凸肩上、下方截面的最大厚度，并與其他葉片測量結(jié)果對比，見表1。葉片從葉尖向葉根過渡時，最大厚度Cmax應(yīng)呈逐漸增大趨勢，但故障葉片在A2至A3截面區(qū)間，最大厚度Cmax出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象，凸肩上、下方截面的Cmax較其他葉片的減小約0.2 mm。

表1 葉片各截面最大厚度Cmax對比 mm

4 故障原因分析與討論

復(fù)查葉片設(shè)計資料及歷史使用情況可知，該葉片強度儲備符合設(shè)計要求，在使用過程中未出現(xiàn)過類似掉塊故障，可排除葉片設(shè)計結(jié)構(gòu)強度儲備不足因素；由斷口分析結(jié)果可知，葉片斷裂性質(zhì)為高周疲勞，斷口疲勞區(qū)未見冶金缺陷，成分及組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求，葉片使用中無外物打傷、碰摩、凸肩搭接錯位及載荷異常等情況，說明該葉片掉塊故障與材質(zhì)、冶金缺陷及使用無關(guān)；加工制造質(zhì)量復(fù)查結(jié)果表明，葉片波紋度不符合要求，葉型自葉尖向葉根過渡時，在凸肩上、下方截面存在異常減薄，分析該異常可能改變了葉片的靜強度或振動特性。

為進一步分析葉身截面局部減薄對葉片靜強度及振動特性的影響，依據(jù)掉塊葉片的3 坐標(biāo)實測數(shù)據(jù)，結(jié)合理論模型參數(shù)重新構(gòu)建了掉塊葉片的完整3維模型。在UG 軟件中重構(gòu)模型時，A1～A3截面及凸肩上、下方截面的數(shù)據(jù)點缺失近1/4，不能擬合還原完整的葉型輪廓。為近似還原，假設(shè)葉片葉盆和葉背曲線為光滑3 次曲線，葉片弦長與理論模型一致，葉型依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)點進行擬合，向缺失部位進行插值得到葉型坐標(biāo)。最后利用各截面葉型，沿葉片高度方向放樣，得到葉身完整的3 維模型。

在有限元計算中，葉片的約束邊界為：在葉片凸肩接觸面施加法向位移協(xié)調(diào)約束[14-16]，模擬葉片在工作狀態(tài)時凸肩壓緊狀態(tài)，在葉片榫頭工作面施加固定約束，模擬葉片在榫槽中的固定狀態(tài)。

靜強度計算結(jié)果表明，實測模型在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布與理論模型的基本一致，最大應(yīng)力位于葉背側(cè)根部，葉片掉塊區(qū)域為低應(yīng)力區(qū)，葉片靜強度儲備符合設(shè)計要求，如圖11 所示。

圖11 實測模型葉片等效應(yīng)力分布

采用模態(tài)分析方法計算了葉片前10 階振型、頻率及相對振動應(yīng)力。根據(jù)發(fā)動機壓氣機結(jié)構(gòu)特點，考慮轉(zhuǎn)子不平衡引起的機械激振、進口支板數(shù)19 及前后靜子葉柵數(shù)53、67 引起的氣流激振，分析可能存在1E、19E、53E、67E 激振源，繪制理論模型及實測模型葉片共振坎貝爾圖，如圖12 所示。

圖12 葉片共振坎貝爾圖

葉片各階振動頻率線f 與激振線交點E 的對應(yīng)轉(zhuǎn)速即為葉片的共振轉(zhuǎn)速，從理論模型與實測模型葉片共振坎貝爾圖對比可見，實測模型葉片第8 階振動頻率線與19E 激振線的交點A，從最大工作轉(zhuǎn)速線外側(cè)移至工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，與最大工作轉(zhuǎn)速的共振裕度降低，有可能引發(fā)危險共振。

實測模型葉片第8 階振型及相對振動應(yīng)力分布如圖13、14 所示。

從葉片振型對比可見，由于葉片局部減薄，第8階振型節(jié)線由凸肩中部前移至凸肩進氣側(cè)，從最大相對振動應(yīng)力分布來看，最大應(yīng)力點未發(fā)生變化，仍位于凸肩進氣側(cè)根部。從圖13、14 中可見，葉片凸肩部位振動節(jié)線與葉片掉塊形貌較為相似，最大相對振動應(yīng)力位于凸肩附近，分析認為葉片局部厚度減薄改變了葉片的振動特性，降低了葉片共振裕度，在氣流激勵作用下，葉片在最大工作轉(zhuǎn)速附近可能引發(fā)第8 階共振，最終導(dǎo)致葉片疲勞斷裂失效。

圖13 第8 階振型

圖14 第8 階相對振動應(yīng)力分布

5 總結(jié)

（1）故障葉片斷口符合高周疲勞斷裂特征，可排除設(shè)計、外物打傷、異常碰摩、冶金缺陷及使用不當(dāng)?shù)扔绊懸蛩亍?/p>

（2）故障葉片葉身的波紋度不符合要求，疲勞源所在截面葉型厚度異常減薄，計算結(jié)果表明該異常改變了葉片的振動特性，降低了共振裕度，在氣流激勵下可能引發(fā)葉片局部共振，最終導(dǎo)致葉片疲勞失效。