发动机压气机转子叶片失效分析

air机器 · 发表于 2007-4-29 19:42:00

　　通过对叶片失效件进行断口观察、分析发现，叶片故障是由于叶片表面发生腐蚀导致疲劳强度降低，使得叶片在振动应力下发生疲劳失效，叶片腐蚀主要是由于发动机的使用环境造成的。
　　某型发动机采用八级轴向式压气机，它由转子和前、中、后机匣等部件组成。为防止压气机在低转速工作时喘振，在压气机第三、四级间装有自动放气机构。
　　该发动机自使用以来，压气机四级转子叶片断裂和五、六级转子叶片掉块时有发生，成为该发动机一直未能彻底清除的故障之一。
　　本文着重以四级转子叶片为研究对象，从失效分析的角度进行研究，对叶片失效件进行了断口观察、分析。结果发现叶片故障是由于叶片表面发生腐蚀导致疲劳强度降低，使得叶片在振动应力下发生疲劳失效，叶片腐蚀主要是由于发动机的使用环境造成的。
　　图1是该发动机压气机四级转子叶片故障宏观形貌，工厂在修理时发现图1中A处所示位置出现裂纹，具有典型代表性。对其进行失效分析。
　　裂纹金相检验
　　四级转子叶片用LY2铝合金制成。先用手锯切下带裂纹的试样，将试样沿裂纹面小心分开，得到断口金相试样。用超声波清洗器清洗断口，并用扫描电镜进行观察，断口金相如图2～5所示。
　　从图2中可见，裂纹起源于叶背一腐蚀坑A处。图3是对裂纹源A处的放大图，从中可见堆积的腐蚀产物和解理断裂形貌。从图4中可见清晰的羽毛状花样，它们的指向一致，均为裂纹源方向；从图5中可见清晰的疲劳条带，还可看到一定宽度的疲劳弧线，位于各个疲劳弧线内的疲劳条带间距呈现出窄-宽-窄的变化规律，为共振疲劳特征。
　　从断口金相照片可见，该叶片裂纹源于叶背表面蚀坑处；裂纹扩展初期，穿晶解理特征明显，并有腐蚀产物覆盖在断面上，形成典型的脆性断口；当裂纹穿透叶片厚度后，转向叶根方向扩展，并可见清晰疲劳条带；另外，从断口上可见分层现象，各层断裂形态明显不同：靠近叶片表面的两层呈现典型清晰的解理特征，而中间层则呈现韧断特征。
　　故障原因
　　（1）压气机转子叶片在工作环境中，往往易遭受化学或电化学腐蚀损伤，其主要损伤形式有点腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、剥蚀和高温腐蚀等。如果叶片表面遭受上述形式的腐蚀损伤正好处在最大应力部位，则疲劳裂纹往往会在这些损伤处萌生，从而大大降低叶片的疲劳强度。
　　对叶片叶背表面蚀坑进行X-射线能谱分析发现，除该叶片材料中的铝、铜、镁、锰等合金元素以外，叶背表面蚀坑还含有一定含量的硫、钾、钙等杂质元素，其中硫是引起腐蚀的主要元素。
　　（2）压气机工作时受到各种激振力的作用，如果某激振力的频率等于叶片的自振频率，叶片便产生共振，此时叶片振动剧烈。若叶片长时间在共振状态下工作，将很容易产生疲劳损伤。导致叶片共振的主要原因之一是尾流激振。对压气机转子叶片而言，第一级叶片尾流激振主要由进气道的变形和进气整流支板产生，第一级后面各级叶片尾流激振主要由前面级的静子叶片引起。
　　对该压气机四级转子叶片，其激振可以看作是一级（40片）、二级（80片）、三级（80片）整流叶片对四级转子叶片单独激振后再叠加的结果。由于四级转子叶片离一、二级整流叶片较远，而气流尾流激振能量随流程增加而逐渐降低，因此一、二级整流叶片气流尾流对四级转子叶片的激振较弱，同样二、三级整流叶片的数目之差所产生的激振力也不强。80片均布的三级整流叶片形成的尾流激振力和压气机三、四级间的41个放气窗口打开时形成的周期性气流激振力是四级叶片的主要激振源。则
　　ｆＢ＝ｍＫｎ（1）其中：Ｋ为结构系数，取80或41；
　　ｍ为谐振倍频数，取1，2，3…
　　ｎ为每秒钟转速
　　由该发动机的使用手册可知：发动机在设计工作转速下不发生共振；而当发动机在常用转速下3700 r/min时，ｍｋ=41时，ｆＢ =2528Hz将与四级叶片七阶频率（2568，2558）接近，可能造成共振。从失效情况来看，在四级转子叶片排气边距叶根约96mm处发现一裂纹；从静频测量试验情况来看，叶片第七阶振动模态为复合振型，最大振动应力点在排气边缘距叶根97mm处。由此可以断定此四级转子叶片失效是由于发动机在转速为3700 时，压气机三、四级间的41个放气窗口打开时形成的周期性气流激振导致叶片产生共振，进而导致疲劳失效。
　　结论和措施
　　叶片故障是由于叶片表面发生点蚀，导致应力集中，在振动应力下发生疲劳失效。
　　为预防和排除叶片断裂故障，应采取如下措施：
　　（1）叶片表面加涂漆工艺，使其增强防腐能力并提高使用寿命；
　　（2）叶片调频可以用增加叶片频率或减少叶片频率的方法避开共振；
　　（3）对叶片采用喷丸处理，可以提高叶片的抗振性，大幅度提高抗疲劳性能。

mason · 发表于 2007-4-29 21:03:47

[s:97] [s:97]

daewoo · 发表于 2007-4-29 22:08:12

[s:94]

hn-6303 · 发表于 2007-5-4 14:28:39

高深的理论！！你是金工还是物理化学的研究员啊！！！机务可不会搞这么深的东西啊！！

xiaoxiaolong · 发表于 2010-1-5 16:28:14

准机务，水平不够

zhuzhuysf · 发表于 2012-11-16 22:19:18

看了半天怎么没有图啊

524561384 · 发表于 2014-5-17 19:59:53

高深的理论！！

kesana · 发表于 2014-5-17 20:37:15

这已经不是机务的理论了都快成研究员了

帐号		自动登录	找回密码
密码			立即注册

[GE] 发动机压气机转子叶片失效分析

实名认证