某燃氣輪機低壓渦輪葉片斷裂故障分析

孫遠偉

(中國航發(fā)燃氣輪機有限公司，沈陽 110179)

葉片斷裂故障一直是困擾燃氣輪機及航空發(fā)動機可靠運行的技術(shù)瓶頸之一。針對渦輪葉片斷裂研究難度較大，原因涉及溫度載荷、氣動載荷、機械連接及機械加工等多個方面。

燃氣輪機的渦輪轉(zhuǎn)子工作葉片在高溫、高壓、高速的氣流環(huán)境中工作，作用在工作葉片上的載荷主要有以下幾種：離心載荷、氣動載荷、溫度載荷和各種振動載荷。渦輪工作葉片常見的失效模式有：疲勞相關(guān)的斷裂失效(包括高周疲勞、低周疲勞、熱疲勞、蠕變/疲勞、高低周復(fù)合疲勞等)，蠕變失效，外物打傷，高溫損傷，制造工藝和材料缺陷，等[1]。

轉(zhuǎn)子葉片斷裂失效出現(xiàn)的概率最高，其危害性也最大。往往是一個葉片折斷而打壞其他葉片，至整臺發(fā)動機無法工作而影響安全運行。除因外物撞擊造成葉片瞬時過載斷裂外，絕大多數(shù)是由各種原因引起的不同類型的疲勞斷裂失效。

葉片疲勞斷裂主要包括離心力疊加彎曲應(yīng)力引起的疲勞斷裂,由顫振、扭轉(zhuǎn)共振、彎曲振動引起的疲勞斷裂,以及由環(huán)境介質(zhì)和接觸狀態(tài)引起的高溫疲勞、微動疲勞和腐蝕損傷導(dǎo)致的疲勞斷裂。由于葉片工作環(huán)境的復(fù)雜性，葉片實際的疲勞斷裂往往并非上述某一模式，而是兩種甚至兩種以上模式的疊加，即由復(fù)合原因?qū)е碌摹皬?fù)合”疲勞斷裂失效[2]。

高周疲勞又稱高循環(huán)疲勞或應(yīng)力疲勞，指循環(huán)應(yīng)力水平低、不產(chǎn)生塑性應(yīng)變、循環(huán)次數(shù)(一般在104～105以上)較高的疲勞。高周疲勞一般由周期性的高頻小載荷引起，循環(huán)加載時材料只產(chǎn)生彈性變形，載荷越小則結(jié)構(gòu)的壽命越長，即只有在循環(huán)次數(shù)足夠多時，才會發(fā)生疲勞破壞。

渦輪葉片在工作過程中由于氣動微弱擾動或系統(tǒng)振動都會產(chǎn)生高頻振動。一般情況下通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝控制，避免葉片長時間工作在共振狀態(tài)，避免高周疲勞破壞的發(fā)生。

低周疲勞又稱低循環(huán)疲勞或應(yīng)變疲勞，指循環(huán)應(yīng)力水平高、塑形應(yīng)變起主導(dǎo)作用、循環(huán)次數(shù)(一般在104～105以下)較低的疲勞。一般周期性低頻大載荷易導(dǎo)致低周疲勞，循環(huán)加載時材料產(chǎn)生塑性變形，載荷越大則材料或結(jié)構(gòu)的壽命越短，即循環(huán)次數(shù)較少時，便會發(fā)生疲勞破壞。

某燃氣輪機是利用某退役航空發(fā)動機改制而成，主要用于民用發(fā)電或機械驅(qū)動。在電站運行考核期間，發(fā)生動力渦輪振動突升導(dǎo)致燃氣輪機緊急停機?，F(xiàn)場拆下燃氣輪機燃氣發(fā)生器后發(fā)現(xiàn)其中1片低壓渦輪葉片斷裂，其余葉片均有不同程度的打傷。本文通過對該燃氣輪機低壓渦輪葉片斷裂故障深入分析，提出如何有效避免此類故障的意見和建議，保證該型燃氣輪機可靠運行。

1 故障原因分析

1.1 對葉片設(shè)計及加工進行復(fù)查

經(jīng)復(fù)查，某燃氣輪機低壓渦輪葉片與某發(fā)動機結(jié)構(gòu)一致，但葉片的熱負荷、離心負荷、氣動負荷均比某發(fā)動機下降，葉片計算強度儲備足夠。

加工方面，按發(fā)動機修理要求對某退役發(fā)動機葉片修理合格后裝機，葉片修理后未發(fā)現(xiàn)影響壽命的加工缺陷。

1.2 對葉片與機匣碰磨分析

由于某燃氣輪機渦輪機匣、葉片及轉(zhuǎn)子、靜子徑向間隙繼承某發(fā)動機結(jié)構(gòu)，燃氣輪機經(jīng)過廠內(nèi)試車及電站驗證，整機在起動及升功率狀態(tài)振動情況良好，前、后支點振動均未超過設(shè)計要求，在發(fā)生故障前未發(fā)現(xiàn)明顯碰磨痕跡。同時，由于此次故障燃氣輪機(以下簡稱故障機)振動在升功率狀態(tài)下突升及振動聲響，可以排除葉片與機匣碰磨導(dǎo)致葉片斷裂。

1.3 故障件理化分析

針對低壓渦輪葉片斷裂故障需要進一步試驗分析及計算，判定斷裂是否存在疲勞源或外來物打傷，對故障葉片進行斷口分析及能譜分析。

1.3.1 斷口分析

故障葉片斷口呈藍色氧化色，斷口宏觀形貌見圖1。斷口呈疲勞斷口特征，源區(qū)可見放射棱線，疲勞起始于葉盆側(cè)，源區(qū)側(cè)面形貌見圖2，未見損傷形貌。

(a) 葉片斷口宏觀形貌(正視)

(b) 葉片斷口宏觀形貌(俯視)圖1 葉片斷口宏觀形貌

圖2 源區(qū)側(cè)面葉片表面形貌

將斷口葉片裝入掃描電鏡進行微觀觀察，斷口源區(qū)形貌見圖3。疲勞擴展方向見箭頭所指，疲勞起始于葉盆表面，起始區(qū)呈45°小刻面形貌，疲勞起始區(qū)未見冶金缺陷。圖3中斷口1#區(qū)和2#區(qū)疲勞條帶形貌見圖4、圖5。

圖3 斷口源區(qū)形貌

圖4 1#區(qū)疲勞條帶微觀形貌

圖5 2#區(qū)疲勞條帶微觀形貌

從斷口宏觀、微觀形貌特征可以得出如下結(jié)論：

(1) 從宏觀看源區(qū)側(cè)面未見損傷形貌，說明葉片不是受側(cè)面的剪切力作用導(dǎo)致斷裂。

(2) 從微觀看疲勞起始區(qū)未見冶金缺陷，說明冶金缺陷不是導(dǎo)致葉片斷裂的原因。

(3) 從微觀看疲勞起始于葉盆表面，起始區(qū)呈45°小刻面形貌，斷口1#區(qū)和2#區(qū)可見疲勞條帶形貌，與其他形貌有交界面，符合葉片高周疲勞斷裂特征。

1.3.2 能譜分析

對某燃氣輪機動力渦輪出口處收集的金屬殘渣、圈狀物、塊狀物進行能譜分析，其化學成分百分比見表1。

表1 化學成分百分比

表中圈狀物化學成分與GH708相近，燃氣發(fā)生器機匣、低壓渦輪導(dǎo)向器嵌入塊、渦輪支承等材料均為ХН62ВΜЮΤ-ВД，國產(chǎn)替代材料為GH708;塊狀物化學成分與GH3030相近，動力渦輪大量零件材料采用GH3030;殘渣認定為混合物，無法判斷具體金屬牌號。

對打傷葉片表面進行能譜分析，未發(fā)現(xiàn)新增金屬元素。

通過能譜分析可以得出：燃氣輪機葉片斷裂后排出的殘留物為葉片斷裂后將附近的零部件打傷掉落的部分，沒有找到燃氣輪機外來物打傷葉片的證明材料。

1.4 振動特性試驗與計算

1.4.1 固有頻率測量

因試驗設(shè)備能力限制，本次試驗研究只針對低壓渦輪工作葉片的一彎(一階)、二彎(二階)和一扭(三階)固有靜頻率值進行試驗確定，其它頻率值不做細致闡述。

本試驗采取共振法測量葉片固有頻率。測試系統(tǒng)連接示意圖見圖6。

圖6 振動特性測試系統(tǒng)示意圖

為驗證葉片固有頻率是否發(fā)生變化，選取故障機與原型發(fā)動機低壓渦輪葉片進行固有頻率對比測試(兩種葉片結(jié)構(gòu)僅葉冠配合角度不同)。其中故障機低壓渦輪葉片一階頻率范圍為541～558 Hz,二階頻率范圍為1 160～1 183 Hz,三階頻率范圍為2 167～2 245 Hz。原型發(fā)動機低壓渦輪葉片一階頻率范圍為528～555 Hz,二階頻率范圍為1 155～1 183 Hz,三階頻率范圍為2 135～2 238 Hz。

通過對比發(fā)現(xiàn)故障機與原型發(fā)動機低壓渦輪葉片一、二、三階固有頻率基本一致。

1.4.2 固有頻率計算

采用ANSYS結(jié)構(gòu)分析程序，對某燃氣輪機低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片進行了振動特性計算分析。動頻計算時考慮了離心負荷及溫度對材料的影響，給出了各階振動頻率和坎貝爾圖，所用的有限元模型按名義尺寸建立[3]。 葉片材料性能數(shù)據(jù)見表2[4]。

表2 材料的彈性性能

坎貝爾共振圖(圖7)從0點發(fā)出的各種射線為倍頻線，還有自振頻率線，代表葉片的各階自振頻率隨轉(zhuǎn)速而改變的情況。自振頻率線與倍頻線的交點代表共振情況。由于葉片的制造誤差，自振頻率會出現(xiàn)分散性，表現(xiàn)為自振頻率帶。因此，共振不僅發(fā)生在一個點，而且可能是一個范圍。在這一范圍內(nèi)，都可能有葉片發(fā)生共振。葉片所有振動頻率不應(yīng)在已知激振頻率的10%范圍內(nèi)。

圖7 低壓渦輪葉片坎貝爾共振圖

某燃氣輪機燃燒室噴嘴為28個，高壓導(dǎo)向葉片數(shù)為42片，低壓導(dǎo)向葉片數(shù)為11組(共28片，原型發(fā)動機為33片，去掉5片)，承力機匣有11個支板，存在5倍頻、11倍頻、28倍頻、42倍頻激振頻率。另外，考慮到機匣加工可能存在橢圓度，有可能存在2倍頻～6倍頻激振頻率，所以主要針對2倍頻～6倍頻、5倍頻、11倍頻、28倍頻、42倍頻等激振頻率進行分析。

燃氣輪機低壓轉(zhuǎn)子設(shè)定為3 066 r/min、8 767 r/min、9 497 r/min、9 993 r/min(如圖7所示)，接近1～8階固有頻率與4,11,28,33,42倍頻引起的共振轉(zhuǎn)速，其中第1～3階固有頻率共振對葉片影響最大。從圖7中可以看出在3 066 r/min時第1階固有頻率和11倍頻、第2階固有頻率和28倍頻共振頻率裕度均小于10%，需要燃氣輪機低壓轉(zhuǎn)子迅速通過，不能停留。

某燃氣輪機低壓轉(zhuǎn)子長期工作在7 000～8000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，按圖7所示出現(xiàn)比較密集不同階次固有頻率共振：

(1) 一階5倍頻，對應(yīng)低壓渦輪導(dǎo)向器葉片切除葉片數(shù)量。

(2) 二階11倍頻，對應(yīng)支板數(shù)量。

(3) 四階28倍頻，對應(yīng)噴嘴數(shù)量和低壓渦輪導(dǎo)向器葉片剩余葉片數(shù)量。

(4) 六階42倍頻，對應(yīng)高導(dǎo)葉片數(shù)量。

1.5 疲勞強度試驗

1.5.1 試驗方法

試驗采用振動臺共振法。測試系統(tǒng)由電磁振動臺、應(yīng)力測量系統(tǒng)、振幅測量系統(tǒng)等組成。

將裝有試驗葉片的夾具，安裝到電磁振動臺上。調(diào)整振動臺，使振動臺激振頻率與葉片的一彎固有頻率一致，葉片產(chǎn)生共振。在一階彎曲頻率下通過應(yīng)變片測量葉片表面的應(yīng)力分布，確定最大應(yīng)力點(見圖8)。在一階彎曲頻率下測量葉片表面的應(yīng)力分布，確定最大應(yīng)力點為1號應(yīng)變片，位于葉根R處。

圖8 應(yīng)變片粘貼位置示意圖

在一彎共振下，調(diào)整振動臺的激振力，讀取不同激振力下葉尖的振動幅值和應(yīng)力值，確定幅值與應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)葉片最大應(yīng)力點的振動應(yīng)力值，調(diào)整振動臺激勵能量，使檢驗葉片達到要求的應(yīng)力水平。在疲勞試驗過程中，控制振幅達到檢驗應(yīng)力水平的80%，作為起始時間，開始記錄，然后再精調(diào)至檢驗應(yīng)力水平，試驗過程中嚴格監(jiān)控葉片的振動幅值，使其保持穩(wěn)定，對抽取的試驗件進行疲勞考核。

1.5.2 試驗件

選取故障機與原型發(fā)動機低壓渦輪葉片各6片進行疲勞強度試驗(故障機中挑選出檢查合格的，在原型發(fā)動機中挑選具備一定剩余壽命的、檢查合格的葉片，與故障機葉片相比葉冠配合角度不同，其余結(jié)構(gòu)相同)，考核兩種葉片在疲勞性能方面存在的差異。

1.5.3 試驗結(jié)果

一共進行了兩批低壓渦輪葉片的疲勞強度試驗。第一批試驗的是故障機葉片，第二批試驗的是挑選的原型機檢查合格的葉片，兩批葉片疲勞試驗結(jié)果見表3。

表3 疲勞試驗結(jié)果

完成試驗后對表3葉片進行熒光檢查，檢查結(jié)果如下:

(1) 第一批故障機葉片有序號1，4，6葉片未通過疲勞試驗考核，其對應(yīng)裂紋位置跟故障斷裂葉片位置接近。

(2) 第二批原型發(fā)動機葉片有序號3，5，6葉片未通過疲勞試驗考核，序號2葉片不計入統(tǒng)計(在振動夾緊位置出現(xiàn)裂紋)，序號4未發(fā)現(xiàn)裂紋，序號1、序號3、序號5、序號6葉片裂紋位置與故障葉片斷裂位置接近(原型發(fā)動機序號3葉片疲勞試驗后裂紋位置見圖9)。

圖9 序號3葉片疲勞試驗后裂紋位置示意圖

通過表3疲勞試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)故障機低壓渦輪葉片壽命受打傷葉片及退役葉片剩余壽命影響，疲勞壽命偏差較大，個別葉片壽命僅為合格葉片的1/8，如將此剩余故障葉片再次裝機，存在較大安全隱患。

通過圖1與圖9對比疲勞斷裂葉片裂紋位置，認為疲勞試驗斷裂位置與此次故障葉片斷裂位置相近，因此有高周疲勞作用的因素存在。

由于選用作疲勞試驗的原型發(fā)動機低壓渦輪葉片已使用一定時間，個別葉片疲勞壽命不到正常壽命一半，僅用于試驗研究。

1.6 燃氣輪機運行工況分析

該燃氣輪機在電站調(diào)試及運行過程中，出現(xiàn)多次配套系統(tǒng)故障引起燃氣輪機多次停機。另外由于受到天然氣供氣壓力低限制，燃氣輪機經(jīng)常在低功率(5～8 MW)狀態(tài)下運行,導(dǎo)致燃氣輪機低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速經(jīng)常在7 000 ～8 000 r /min范圍內(nèi)工作，在固有頻率計算中提到在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在多個階次固有頻率共振，無法快速通過避開共振轉(zhuǎn)速。因此低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片斷裂主要受葉片共振因素影響，同時也不能排除低周疲勞對葉片壽命的影響。

2 結(jié)論

通過對某燃氣輪機低壓渦輪故障葉片理化分析、振動計算、疲勞試驗可以證明由于葉片產(chǎn)生高周疲勞引發(fā)葉片斷裂打傷燃氣輪機其他零部件。燃氣輪機長期工作在7 000～8 000 r/min之間，存在多階次共振是產(chǎn)生葉片高周疲勞的主要原因。另外燃氣輪機頻繁起停會產(chǎn)生高周與低周疲勞共同作用，加速葉片疲勞斷裂。

3 建議

該燃氣輪機在升轉(zhuǎn)過程中不在低功率(7 000～8 000 r/min)狀態(tài)停留，可繼續(xù)提升轉(zhuǎn)速至額定功率狀態(tài)。對低壓渦輪葉片進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達到疲勞試驗驗證合格標準，優(yōu)化后的葉片進行裝機考核。