[转]某型涡喷发动机工作叶片故障分析

kmks · 发表于 2007-5-22 12:35:38

详细分析了某型涡喷发动机工作叶片失效机理，给出了工作叶片失效和断裂故障的预防及改进措施，并通过对叶片振动可靠性的计算，提出了叶片振动损伤防护的有效方法。

　　据统计，近年来某型发动机所发生的重大故障中，转动件的失效高达80%以上，其中，叶片故障占有相当大的比率，振动故障率占发动机中总故障率的60%以上，而叶片故障又占振动故障的70%以上。
　　叶片的故障和故障模式随不同的工作环境影响有所不同。常见的故障现象有：外物损伤、强度不足和高低周疲劳损伤。其中以疲劳损伤为多。
　　工作叶片故障统计分析
　　据不完全的统计，在外场和发动机返厂大修中，共发现压气机铝叶片断裂故障７９台次，约占该型发动机总生产量的１３％。统计结果（表１～４）表明，所有使用该型发动机的单位都发生过铝叶片断裂，而且工作寿命从不足１００小时到１２００小时以上，甚至有两台发动机在未发外场使用前便已发现叶片有裂纹。叶片断裂主要集中在四至六级和少量一级工作叶片上，四至六级多在叶根断裂，一级多在叶尖部位断裂，主要由外物撞击造成。
　　通过以上统计数据可知四、五、六级叶片被打伤的情况很少，其失效大部分是由振动和应力腐蚀造成的，它们所处的位置靠近放气带，且五、六级之间有引气口是重要原因。
　　故障原因分析
　　1.锻造工艺不良引起的叶片断裂
　　压气机铝叶片锻件是用ＬＹ２铝合金棒料模锻而成，在生产正常的情况下，叶片锻件应具有沿长度方向和侧向均匀分布的金属流线。但是20世纪80年代初，曾一度发现有相当数量的铝叶片在叶根排气边附近金属流线很不均匀或完全折断，甚至在流线折断处存在裂纹。原因主要有锻模不合格、不配套、润滑不良和模锻变形量太大。当时经调查发现，叶片锻造过程中叶片锻件裂纹率达13%。
　　2.振动和疲劳引起的叶片断裂
　　振动是压气机铝叶片断裂的主要原因之一。叶片工作时受到来自发动机的激振力，当激振力与叶片的固有频率相等时，叶片就会发生共振，此时，叶片承受的交变应力幅值可能超过材料的疲劳极限而导致疲劳断裂。
　　使叶片产生强迫振动的激振源是压气机通道内前面一级叶片出口的不均匀尾迹气流沿周向周期性变化的压力场和速度场。
　　该型发动机四级叶片曾发生共振疲劳断裂，其裂纹走向与其4926Hz共振振型的节线很接近。该发在故障前曾在转速为3700~3900r/min状态下工作达96h，此时四级叶片所承受的激振频率为4933~5200Hz。
　　该压气机工作叶片的一阶扭转自振频率均值为4926Hz，离差为44.5Hz，激振频率均值为5066.5Hz，离差为44.5Hz。应用振动可靠性评估方法，得其避开共振的可靠度为0.94。可见该叶片存在较为严重的振动问题，与实际相符。
　　叶片的疲劳断裂失效主要是为离心力叠加弯曲应力引起的疲劳断裂、由振动环境引起的颤振、扭转共振、弯曲振动疲劳断裂以及由环境介质及接触状态引起的高温疲劳、微动疲劳和腐蚀损伤导致的疲劳断裂。叶片实际的疲劳断裂往往并非上述某一模式，而是两种甚至两种以上模式的叠加，导致疲劳断裂失效。
　　3.环境腐蚀引起的断裂

该型发动机零部件的失效，大多数情况下与环境腐蚀有关，腐蚀的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。
　　（1）铝叶片的点蚀
　　铝合金点蚀的开始是表面产生局部阳极，呈黑色，由于腐蚀产物的水解作用使腐蚀坑底保持pH值，加快了起保护作用的氧化膜溶解。故点蚀是一种自催化过程。
　　断裂叶片表面呈黑灰色，叶盆、叶背表面有明显的腐蚀坑和条痕。进气边缘有气流冲刷和腐蚀斑痕。叶片全貌如图1。断口也呈黑灰色，表面有积碳。断口约占叶宽的1/2，位于叶身高度的1/4处，即二阶弯曲振动的节线附近。裂纹起源于排气边叶盆面，扩展区断口平坦，有疲劳条带。源区有腐蚀特征，腐蚀产物上有泥纹花样，源区附近叶盆表面有点状腐蚀坑，裂纹就起源于一个较大的腐蚀坑。源区未发现材料冶金缺陷。仔细观察断裂叶片，表面有明显的横向加工条痕，表面光洁度偏低，容易积碳和滞留大气中沉积物，从而导致腐蚀损伤。
　　（2）铝叶片的晶间腐蚀
　　晶间腐蚀损伤是腐蚀沿晶界进行而引起晶界开裂。叶片出现晶间腐蚀损伤主要是由于材料的晶界出现铬贫化，杂质元素偏析在晶界上或晶粒变形拉长过程中，晶界受损引起电化学性质的不均匀性，使晶界成为阳极区，在腐蚀介质作用下，晶界首先遭到腐蚀损伤。
　　遭受晶间腐蚀的叶片，表面出现沿晶剥落掉块，不仅破坏叶型，而且使力学性能降低，极易导致疲劳断裂失效，尤其在点蚀坑底部出现的沿晶开裂，对疲劳性能的影响最为明显。
　　（3）铝叶片的剥蚀
　　剥蚀是具有晶间腐蚀倾向的铝合金，经模锻加工，在一定腐蚀环境下发生的晶间腐蚀。腐蚀造成了晶粒间结合力的破坏，此外由于腐蚀产物的体积膨胀，被破坏了结合力的晶粒向上撬起。这样，金属被一层一层的腐蚀剥离，形成层状剥落的外观。铝叶片剥蚀一般出现于叶身，其初期表现为鼓包。LY2cs铝合金叶片，具有层状晶体结构，在沿海湿热高盐分的大气环境下，表现出明显的剥蚀倾向。
　　该型发动机三、四、五级叶片位于放气带附近，发动机内部的热量主要通过放气带的窗孔散发，由于与外界温差大，易在放气带附近形成冷凝水，进而形成腐蚀介质；与此同时，燃烧室、尾喷管和涡轮内的残留气体也只能通过放气带窗孔排出，使燃气中的残留物积留于三级以后的叶片上，从而使叶片易形成电化学腐蚀；另一方面，此发动机常工作于温度高、湿度大的恶劣环境当中，大气中的盐分及夹杂物难免通过放气带的窗孔进入发动机，以致造成叶片的剥蚀。
　　（4）铝叶片的应力腐蚀
　　应力腐蚀是在拉应力、环境及材料的敏感性三者处在特定组合条件下出现的脆性断裂，危害性最大。
　　由应力腐蚀引起的断裂形式大多是沿晶脆断，有时也会出现穿晶解理脆断，或者沿晶与穿晶混合断裂。因此，断口的宏观特征表现为断面平坦且与主应力垂直，无宏观塑性变形，无剪切唇，断面灰暗，断裂起源于表面，断口上有腐蚀产物。
　　无论是压气机叶片或涡轮叶片，完全由应力腐蚀造成的断裂是很少见的，大多是由于叶片的热处理不当或与应力腐蚀敏感性元素接触而造成的，而且应力腐蚀裂纹的深浅不一，一旦发现叶片出现应力腐蚀损伤，应将其报废更换。
4. 铝叶片断裂的其他原因
　　（1）外来物打伤
　　外来物一般来自吸入进气道的沙粒或小零件，有时发动机内部其他零部件的脱落、断裂掉块进入气流通道而打坏叶片。从调查数据看，约1/4的压气机叶片断裂由外来物打伤所致。
　　打伤处的缺口应力集中效应或过度塑性变形产生的微裂纹导致了叶片的早期失效。
　　（2）材料内部的氧化膜
　　氧化膜是铝合金的一种冶炼缺陷。它是在原材料的冶炼烧铸过程中，铝合金溶液表面的氧化膜被卷入金属内部而形成的。当这种缺陷很小时，有可能被漏检而保留在成品叶片中，成为应力集中点。一般在金相显微镜下氧化膜两边夹杂毛发状氧化物。叶片身上一旦有外露的氧化膜，叶片必然会发生早期疲劳断裂，所以应在质量监控中加强防范。
　　（3）表面光洁度低或划伤
　　由于叶片表面个别部位光洁度低，有肉眼可见的横向加工痕迹或划伤。当沟痕位置与叶片共振节线吻合时，在易于引起叶片发生早期疲劳断裂，裂纹源位于表面沟痕上。有时有腐蚀特征，这是表面阳极化膜的破裂使金属基体暴露所致。
　　防止叶片断裂及叶片延寿的主要措施
　　1.生产过程的质量控制
　　（1）重视叶片的设计
　　● 正确分析几何形状复杂的叶片的应力分布，防止造成局部应力过高，造成叶片的强度不足而失效。
　　● 避免叶片因共振而造成超载断裂失效。
　　● 应避免叶片工作温度范围内所承受的主要载荷类型、大小与材料主要抗力指标不匹配而造成超载失效。
　　● 对钛合金一类的压气机叶片，设计时应考虑其损伤容限，及加工缺陷对叶片抗力的影响，提高其抗疲劳强度。
　　（2）加强原材料的质量监控
　　锻制叶片的铝合金棒料必须是定点生产厂家的产品，并严格进行原材料的入厂复验。
　　（3）严格控制制造过程
　　● 注意模具的鉴定、试模及划线检查；保证润滑剂的干净；严格监控热处理炉温均匀性和控制精度。
　　● 增加涂漆工艺，增强防腐能力。
　　● 提高叶片表面完整性，防止叶片发生早期失效。可利用喷丸强化和强化组织来提高叶片表面的完整性。
　　2.发动机的使用维护
　　（1）严格按照《使用维护说明书》的要求正确使用维护发动机。不许发动机在3780～3920rpm转速范围内连续运转，以免造成共振。
　　（2）保持停机坪和跑道的干净，严格管理工具和零件，防止杂物掉入机内打坏叶片。
　　（3）地勤人员要经常从进气道和机匣上的观察孔检查铝叶片是否有裂纹或严重腐蚀。一旦发现此类问题，发动机应立即停飞返厂排故。
　　（4）合理调配使用发动机，使每台发动机每年工作100h以上，尤其在高温、高湿地区服役的发动机要避免长期停放，从而预防腐蚀失效。
　　（5）合理维护和使用对提高涡轮叶片的疲劳强度也具有重要意义。
　　严禁频繁地起动和停车，因为在规定寿命内发动机起动次数越多，叶片材料抗疲劳性能降低就越多。尽量避免出现高频的载荷波动，防止造成低周疲劳破坏和高低周复合疲劳破坏。
3.延寿的工艺措施
　　（1）对在沿海地区服役的发动机LY2铝合金叶片采用"过时效"处理，以降低铝合金的晶间腐蚀敏感性。但却降低材料强度。
　　（2）采用先进的AMS2470铬酸阳极化工艺和阳极化后进行"蒸馏水+铬酸填充"工艺，提高阳极化膜的抗蚀能力。
　　（3）叶片工作面上涂PL205漆。这种环氧有机硅漆，有良好的附着力、耐温性，有独特的耐气流、风沙、尘土的冲刷性能,及耐溶剂性、耐酸碱性的明显优点。
　　（4）喷丸强化以提高铝叶片疲劳寿命。由于高温会使喷丸强化层的强化效果消失,这种工艺仅对前几级工作温度低的叶片有效。
　　结论
　　振动疲劳损伤在叶片故障中占有很大比例，尤其是四、五、六级叶片的振动疲劳损伤更为常见。为防止此类故障的发生，需要考虑多方面的因素。设计是一个基础，同时要注意制造过程，以使叶片自振频率的分散度更为集中；发动机使用的过程当中，叶片的自振频率可能会发生变化，从而引起共振，因而要正确使用和维护发动机；此外，要经常对发动机进行检查，及早发现问题。
　　在海航发动机中叶片的腐蚀损伤越来越多，主要是由沿海的特殊环境引起的。为预防此类故障，要重视叶片制造中的热处理过程，以及对叶片进行防腐处理，经常进行针对腐蚀方面的检查。
　　强度不足造成的损伤很少，但由于发动机费用及性能的影响，现在的发动机设计裕度较以前更小，加之工作环境的影响，对叶片的强度不足失效也是要加以重视的。

haikou007 · 发表于 2010-5-14 23:38:47

不错啊

cfm57 · 发表于 2010-5-14 23:45:28

厉害啊楼主虽然我现在看的不是很明白我相信以后我会的呵呵本人准机务

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