航空發(fā)動機渦輪葉片失效分析 2

1、航空發(fā)動機渦輪葉片失效分析 2航空發(fā)動機渦輪葉片失效分析-2 2011年01月19日4.轉(zhuǎn)子葉片的振動類型及其特征 轉(zhuǎn)子葉片在工作狀態(tài)下要承受大的離心應(yīng)力載荷，如果再疊加上非正常工作情況下引起的振動交變載荷則極有可能導(dǎo)致葉片早起疲勞斷裂失效。大部分轉(zhuǎn)子葉片的疲勞斷裂失效均與各種類型的振動有關(guān)。 4.1轉(zhuǎn)子葉片的震動分類與基本振型 渦輪葉片在實際工作中出現(xiàn)振動，按振動的表現(xiàn)形式分，主要有強迫振動、顫振、旋轉(zhuǎn)失速和隨機振動四種；按照葉片振動里的來源分，有強迫振動和自激振動；按作用在葉片上的應(yīng)力分有振動彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。 對于實際葉片振動分析，主要是自振頻率、振型、振動應(yīng)力和激振力的來源四個因素。

2、在一般清快下，頻率越高，振幅越小，危險性也就越小，大幅低頻振動最為危險。 振型是指葉片以某階自振頻率振動時，葉片各部分的相對振動關(guān)系。典型的振型有一彎、二彎、三彎和一扭、二扭等。對于渦輪轉(zhuǎn)子來說，主要是一彎和一扭振型。 4.1.1尾流激振 在發(fā)動機環(huán)形氣流通道中存在障礙物，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)子經(jīng)過這些障礙物時，葉片所受的氣動力將有所改變，會引起激振力。火焰筒出口流場分布是不均勻的，對于渦輪轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生類似于均布障礙物的影響也會引起激振力。 4.1.2顫振 顫振屬于自激振動，葉片的振型與頻率都與尾流激振大致相同，它與強迫振動不同之處在于它不伴有任何帶頻率的激振力。顫振的頻率基本上由葉片本身的幾何尺寸和材料性

3、質(zhì)所決定，因而稱為“自激振動”。 顫振有亞音速失速、亞音速非失速、超音速失速、超音速非失速及堵塞顫振等。葉片自激振動時必然要從氣流中吸取能量，以補償震動的阻尼場。發(fā)生顫振的必要條件是氣流攻角大于臨界攻角，葉背氣流分離引起升力變化，導(dǎo)致顫振。 顫振多發(fā)生在壓氣機轉(zhuǎn)子葉片，而渦輪轉(zhuǎn)子葉片很少見到顫振。顫振的危害性很大，可在極短時間內(nèi)使葉片發(fā)生斷裂失效，而且往往使一個扇形面內(nèi)的多個葉片斷裂。 4.1.3隨機振動 隨機振動在各個頻率下都有激振力，這些激振力作用在葉片上，會引起葉片普遍的強迫振動，而在某幾個頻率下引起共振，這幾個頻率就是葉片的自振頻率。隨機振動的激振源是強大的噪聲，故又將此引起的葉片疲勞

4、成為噪聲疲勞，噪聲源是葉片對氣流的干擾和氣流燃燒。噪聲越大，激振力越強，葉片受損可能性越大。 5.葉片的失效模式 分析葉片產(chǎn)生失效的主要原因，歸納起來主要包括：熱疲勞在內(nèi)的低循環(huán)疲勞。振動引起的高循環(huán)疲勞，高溫長時間載荷作用下的蠕變變形和蠕變應(yīng)力斷裂，高溫燃?xì)鉀_刷腐蝕和氧化、以及外物損傷等。轉(zhuǎn)子葉片的失效模式隨工作條件的不同而有所不同，主要是外物損傷、變形伸長和斷裂三種失效形式。 葉片的外物損傷失效主要表現(xiàn)為凹坑、掉塊、表層剝落、彎曲變形、裂紋和折斷等。其中凹坑、裂紋等損傷往往會成為腐蝕和疲勞斷裂的初因。 轉(zhuǎn)子葉片變形伸長失效的直接后果是葉身與機匣相磨，降低發(fā)動機的使用可靠性。其主要原因有：材

5、料選用不當(dāng)或熱處理工藝不當(dāng)使葉片的屈服強度偏低；葉片工作溫度過高，是葉片強度降低；或者發(fā)動機超轉(zhuǎn)，造成離心力過高。葉片變形失效在實際使用中出現(xiàn)的概率較低。判斷葉片是否發(fā)生變形伸長的主要依據(jù)是檢查機匣有無磨損的痕跡或檢查葉片是否由于使用溫度過高而發(fā)生蠕變。 轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)斷裂失效的概率最高，其危害性也最大，往往是一個葉片折斷而打壞其他葉片，乃至使整臺發(fā)動機無法工作而危及飛行安全。除因外物撞擊造成葉片瞬時過載斷裂外，絕大多數(shù)是由于各種原因引起的不同類型的疲勞斷裂失效。 葉片疲勞斷裂失效主要是因為離心力疊加彎曲應(yīng)力引起的疲勞斷裂、由振動環(huán)境引起的顫振，扭轉(zhuǎn)共振、彎曲振動疲勞斷裂以及由環(huán)境介質(zhì)以及接觸狀

6、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。但由于葉片工作環(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。而是多種情況的疊加。 5.1葉片的低周疲勞斷裂失效 轉(zhuǎn)子葉片在實際運行過程中，一般情況下不容易出現(xiàn)低周疲勞斷裂失效，但在以下三種情況下，會出現(xiàn)低周疲勞斷裂失效： 1.葉片危險截面上所受的正常工作應(yīng)力雖低于材料的屈服強度，但當(dāng)危險截面附近存在范圍較大的嚴(yán)重區(qū)域性缺陷。在該區(qū)域中的缺陷使附近的較大區(qū)域內(nèi)的盈利超過材料的屈服強度而產(chǎn)生大范圍的塑性變形，在此情況下葉片會出現(xiàn)低周疲勞斷裂失效。 2.由于設(shè)計考慮不周是葉片危險截面上局部區(qū)域的工作應(yīng)力接近或超過材料的屈服強度，且危險截面處

7、存在不必要的缺陷，則葉片會提前出現(xiàn)低周疲勞斷裂失效。 3.當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)如顫振、共振、超溫等非正常情況，葉片的危險截面上的整體應(yīng)力水平該于材料的屈服強度，葉片也會出現(xiàn)低周疲勞斷裂失效。 低周疲勞斷裂失效大都與設(shè)計因素有關(guān)，大多出現(xiàn)在葉片根部附近，典型的葉片低周疲勞斷口上一般不存在明顯的疲勞弧線。 5.2葉片扭轉(zhuǎn)共振疲勞斷裂失效 葉片扭轉(zhuǎn)共振疲勞斷裂失效一般為高周疲勞斷裂失效。具有如下典型特征： 1.發(fā)生在扭轉(zhuǎn)共振節(jié)線上的掉角； 2.葉片疲勞斷口上存在的疲勞弧線清晰可見，但疲勞線條非常細(xì)密。 3.斷裂一般始于葉背，向葉盆擴(kuò)散，疲勞區(qū)占據(jù)大部分?jǐn)嗔衙婷娣e。 4.葉片的斷裂均起源于電腐蝕坑或外物打傷

8、處。 葉片扭轉(zhuǎn)共振疲勞斷裂有兩個重要因素，一是出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振，而是葉片表面普遍存在的點腐蝕或遭受到外物打擊。 5.3葉片的彎曲振動疲勞斷裂失效 彎曲振動疲勞斷裂失效也是葉片常見的斷裂失效，且通常為高頻失效，其斷裂循環(huán)周次（n），對于渦輪葉片一般n在105106之間。葉片的疲勞斷裂位置與彎曲振動振型密切相關(guān)。在彎曲振動引起的疲勞斷裂失效中，一彎振型最為常見，且危害性大。這是因為一彎振動出現(xiàn)在葉片根部，振動應(yīng)力值最高，離心力也大。當(dāng)葉片出現(xiàn)一階彎曲共振時，由于彎曲振動應(yīng)力的作用，葉片有可能出現(xiàn)斷裂疲勞失效。為防止葉片在葉身處出現(xiàn)疲勞斷裂失效的最有效方法就是避免葉片出現(xiàn)一彎共振，即控制葉片的靜頻，同時

9、可以考慮增加葉片的振動阻尼，有效地抑制葉片的震動。另外，可以從控制冶金材質(zhì)、表面、加工工藝等方面采取措施，以提高葉片的疲勞抗力。 5.4轉(zhuǎn)子葉片的高溫疲勞與熱損傷疲勞斷裂失效 渦輪轉(zhuǎn)子葉片是在高溫環(huán)境下工作，承受溫度交變和應(yīng)力交變作用，因而有可能出現(xiàn)蠕變損傷和疲勞損傷。工程上將因蠕變與疲勞發(fā)生作用而導(dǎo)致的斷裂失效稱為高溫疲勞斷裂失效。 轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)斷裂失效必須同時具備以下三個條件時，才可以判斷為高溫疲勞斷裂失效： （1） 葉片疲勞斷口的源區(qū)呈沿晶斷裂特征； （2） 葉片斷裂處的溫度超過材料的臨界蠕變溫度； （3） 葉片疲勞斷裂處只承受呈方波形狀的離心拉伸應(yīng)力，其手里水平超過臨界值，即超過材料在

10、該溫度下的蠕變極限或疲勞極限。 一般情況下轉(zhuǎn)子葉片很少出現(xiàn)高溫疲勞斷裂失效。但渦輪轉(zhuǎn)子在實際應(yīng)用中因熱損傷出現(xiàn)的疲勞斷裂失效則較為常見。發(fā)動機在使用過程中，由于非正常工況（如喘振、進(jìn)氣道畸變、燃油調(diào)節(jié)不良、噴油霧化不良及操作失誤等）引起短時間超溫而使零件受過熱或過燒損傷的現(xiàn)象稱為過熱損傷。遭受熱損傷的轉(zhuǎn)子葉片易發(fā)生疲勞斷裂。由熱損傷引起的疲勞斷裂基本特征如下： （1） 葉片斷裂部位通常在葉片的最高溫度區(qū)內(nèi)，斷面垂直于葉片軸線； （2） 斷裂起始于葉片進(jìn)氣邊邊緣，源區(qū)斷面呈深黑色，氧化嚴(yán)重，擴(kuò)展區(qū)斷面較平坦，顏色明顯不如源區(qū)深，有疲勞弧線，瞬斷區(qū) （3） 等等 （4） 對沃爾沃 轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)熱損

11、傷疲勞斷裂失效的原因是發(fā)動機在超過規(guī)定溫度的情況下運轉(zhuǎn)造成的，根據(jù)其嚴(yán)重程度可以分為過熱超溫和過燒超溫。還可以根據(jù)時間長短分為短期超溫和長期超溫。短期朝聞是指時間在幾秒鐘到幾分鐘之內(nèi)，其產(chǎn)生原因主要是發(fā)動機喘振，進(jìn)氣道畸變或操作失誤等情況；長期超溫時間一般在幾十分鐘以上，主要產(chǎn)生原因是由于發(fā)動機溫度裕度不足，燃油霧化不良或燃油調(diào)節(jié)器故障等。 5.5轉(zhuǎn)子葉片微動疲勞斷裂失效 當(dāng)兩個零件的接觸表面之間存在法向壓力并做小幅值的相對滑動時，由于機械和化學(xué)的聯(lián)合作用，會產(chǎn)生包括微動疲勞、微動磨損、微動腐蝕在內(nèi)的微動損傷。微動疲勞產(chǎn)生微裂紋、微動磨損改變尺寸而喪失正常的配合關(guān)系，以及微動腐蝕引起的表面腐蝕

12、損傷等都會大大降低零件的疲勞抗力。同時微動損傷部位在兩零件的表面接觸處，不分解很難進(jìn)行有效的監(jiān)控和檢測。在微動過程中對微動損傷起作用的主要參數(shù)有： 1.匹配零件兩接觸面之間的相對滑動幅值與頻率； 2.兩接觸面間應(yīng)力大小、方向及其變化； 3.匹配零件的材料及接觸表面的狀態(tài)； 4.兩接觸面間的溫度及環(huán)境。 這些參量的相互作用及影響不同，微動損傷的表現(xiàn)形式也不同，其中以微動疲勞損傷對構(gòu)件的疲勞壽命影響最大。 由微動損傷引起的疲勞斷裂失效有如下兩種情況： 1.戴冠葉片的葉冠微動磨損引起葉冠之間的間隙增大，使葉片所受的振動應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力也相應(yīng)的增大，當(dāng)其綜合應(yīng)力超過允許值時，就會在葉片的危險截面處出現(xiàn)疲勞斷裂。 2.轉(zhuǎn)子葉片與輪盤的榫頭連接處，結(jié)合面之間往往存在微小的相對滑動，極易出現(xiàn)微動磨損傷面導(dǎo)致疲勞斷裂失效。 由于航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片與輪盤在工作過程中存在著溫度滯還，葉片和輪盤連接處不能采用過盈固裝的辦法來減小與防治微動，因此在其連接接觸面之間存在相對滑動是必然的。在這種情況下，為了防止或減小二者之間的微動損傷，一般可采取以下措施： 1.合理選材，盡量使葉片與輪盤材料的線膨脹系數(shù)相接近，或選用膨脹系數(shù)低的材料； 2.在微動表面造成殘余壓應(yīng)力，如采用噴丸，冷滾壓等措施； 3.在微動接觸面上鍍銀或涂