高涵道比渦扇發(fā)動機試驗尾噴口碎屑分析

田錦 王瑛琦 時文斌

摘 要：某高涵道比渦扇發(fā)動機試驗過程中，尾噴口多次出現(xiàn)碎屑。收集碎屑后進行顯微觀察及能譜分析，結(jié)合發(fā)動機各部件使用的材料，初步確定了碎屑的材料類型。通過對發(fā)動機的分解檢查，進一步明確了尾噴口碎屑的來源。經(jīng)過對碎屑類型的統(tǒng)計分析，GH3536、GH4169、GH3030、氧化鋁、鎳石墨、非金屬這6類碎屑出現(xiàn)的概率較高，均超過20%。其中，GH3536、GH4169主要來自于蜂窩、篦齒刮磨，GH3030來自測試壓片的破裂脫落，氧化鋁來自葉片動應(yīng)力涂層的脫落，鎳石墨來自支點鎳石墨涂層的脫落，非金屬則來自于滑油結(jié)焦脫落。對尾噴口碎屑來源的分析表明，碎屑主要來自于零部件的刮磨以及測試材料脫落，因此需關(guān)注蜂窩-篦齒的間隙設(shè)計值，加強對測試改裝的管理，減少試車中多余物的產(chǎn)生，以保證試車安全。

關(guān)鍵詞：高涵道比;渦扇發(fā)動機;試驗;尾噴口;碎屑分析

0? ? 引言

航空發(fā)動機的地面磨合試驗是檢驗發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量、整機機械品質(zhì)的一項重要工作。在試驗過程中，由于轉(zhuǎn)靜子碰磨、零部件局部失效、測試改裝材料脫落等原因，會形成微小的碎屑。在試車結(jié)束后，這些碎屑仍會有部分殘留于尾噴口。莊立波等人應(yīng)用電子顯微鏡、能譜儀研究了尾噴口調(diào)節(jié)片的斷裂情況，結(jié)果表明磨損和裂紋導(dǎo)致了斷裂的發(fā)生[1]。葉片的掉塊、失效等也會產(chǎn)生碎屑，權(quán)立寶等人分析了燃?xì)廨啓C高壓渦輪葉片的掉塊故障[2]。崔雄華等人研究了葉片的失效斷裂故障[3-4]。軸承的失效也會產(chǎn)生碎屑，對發(fā)動機有較大危害。

本文以某高涵道比渦扇發(fā)動機試車過程中尾噴口收集到的碎屑為研究對象，應(yīng)用電子顯微分析、能譜分析等方法確定碎屑的材料類型，統(tǒng)計分析了不同碎屑出現(xiàn)的概率。在發(fā)動機分解后，根據(jù)分解檢查結(jié)果進一步明確了碎屑的種類及產(chǎn)生的原因。

1? ? 試驗現(xiàn)象

某高涵道比渦扇發(fā)動機地面磨合試驗累計運轉(zhuǎn)約22 h。在冷運轉(zhuǎn)或啟動試驗后共在尾噴口收集碎屑33次，并對碎屑成分進行了理化分析。

對33次搜集碎屑的理化分析結(jié)果進行了統(tǒng)計分析，其結(jié)果如表1所示。由表可知，GH3536碎屑出現(xiàn)的概率最高。

2? ? 碎屑來源分析

本節(jié)將以能譜分析獲得的碎屑材料類型為基礎(chǔ)，結(jié)合發(fā)動機分解檢查的現(xiàn)象，分析尾噴口碎屑的來源，對出現(xiàn)概率大于20%的6種碎屑進行重點分析。

2.1? ? GH3536碎屑來源分析

GH3536是蜂窩使用的材料，分解發(fā)現(xiàn)低壓渦輪4級、5級盤存在GH3536粉末，R1外環(huán)蜂窩可見磨痕，如圖1所示。因此尾噴口發(fā)現(xiàn)的GH3536碎屑主要由低壓渦輪R1葉尖與外環(huán)蜂窩刮磨產(chǎn)生，蜂窩允許刮磨，對發(fā)動機試車的危害較小。

2.2? ? GH4169碎屑來源分析

分解發(fā)現(xiàn)渦輪級間機匣階梯封嚴(yán)處篦齒有刮磨痕跡，如圖2所示。篦齒的材料為GH4169，推測尾噴口GH4169碎屑由階梯封嚴(yán)處篦齒、蜂窩刮磨產(chǎn)生。GH4169碎屑對試車安全危害較大，一般不允許出現(xiàn)GH4169碎屑。

2.3? ? GH3030碎屑來源分析

測試專業(yè)使用的點焊壓片材料為GH3030，分解發(fā)現(xiàn)低壓渦輪一導(dǎo)葉片上測試點焊壓片破損，如圖3所示。因此尾噴口發(fā)現(xiàn)的GH3030碎屑應(yīng)為低壓渦輪一導(dǎo)葉片上測試壓片破損產(chǎn)生。GH3030碎屑可能損傷葉片，對試車安全危害較大。

2.4? ? 氧化鋁碎屑來源分析

試車孔探及分解發(fā)現(xiàn)低壓渦輪R3葉片上動應(yīng)力涂層脫落，涂層的材料為氧化鋁，如圖4所示。因此尾噴口發(fā)現(xiàn)的氧化鋁碎屑是從低壓渦輪R3葉片上脫落的，氧化鋁涂層對試車安全的影響較小。

2.5? ? 鎳石墨碎屑來源分析

分解發(fā)現(xiàn)3#支點后封嚴(yán)環(huán)有4條刮磨痕跡，如圖5所示。封嚴(yán)環(huán)材料為鎳石墨，可知尾噴口鎳石墨碎屑為3#支點后封嚴(yán)環(huán)刮磨產(chǎn)生。鎳石墨允許刮磨，對發(fā)動機試車安全影響較小。

2.6? ? 非金屬碎屑來源分析

分解檢查過程中未發(fā)現(xiàn)流道中有明顯油跡或非金屬結(jié)焦物，燃燒室噴嘴也無明顯積碳。推測尾噴口非金屬可能為5#支點滑油泄漏到主流道遇高溫結(jié)焦而成。

2.7? ? 碎屑來源分析小結(jié)

前面幾節(jié)分析了6種典型碎屑的來源，對于其他碎屑，通過對發(fā)動機硬件的分解檢查，也確定了來源，具體如表2所示。

3? ? 結(jié)論

本文通過能譜分析方法確定了某高涵道比渦扇發(fā)動機磨合試驗過程中尾噴口碎屑的種類，結(jié)合發(fā)動機硬件分解檢查的結(jié)果，確定了碎屑來源，結(jié)論如下：

（1）能譜分析法能較為準(zhǔn)確地分析出碎屑的材料類型;

（2）通過碎屑類型、發(fā)動機各部件材料分布及分解檢查現(xiàn)象確定了碎屑的來源;

（3）轉(zhuǎn)靜子刮磨是碎屑產(chǎn)生的主要原因，為避免碎屑產(chǎn)生，需優(yōu)化葉尖-蜂窩、篦齒-蜂窩等間隙設(shè)計值，保證試車安全;

（4）流道中測試壓片、涂層等也是碎屑的重要來源，需加強對測試改裝的管理，優(yōu)化測試工藝，減少碎屑產(chǎn)生。

[參考文獻]

[1] 莊立波，包生祥，呂德春，等.飛機發(fā)動機尾噴口調(diào)節(jié)片斷口的電子顯微分析[J].理化檢驗（物理分冊），2010，46（1）：26-28.

[2] 權(quán)立寶，宋文超，郭振軒.QD128燃?xì)廨啓C高壓渦輪葉片掉塊故障分析[J].燃?xì)廨啓C技術(shù)，2018，31（1）：51-55.

[3] 崔雄華，朱寶田，劉樹濤，等.某燃?xì)廨啓C壓氣機Ⅰ級葉片斷裂失效分析[J].失效分析與預(yù)防，2006，1（3）：22-26.

[4] 李武元，夏致斌，付姮，等.某型發(fā)動機渦輪葉片斷裂故障分析[J].宇航材料工藝，2013，43（5）：81-87.

收稿日期：2021-03-12

作者簡介：田錦（1988—），男，湖北漢川人，博士研究生，工程師，研究方向：航空發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。