航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片故障診斷分析

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片故障診斷分析摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為飛機(jī)的心臟，而渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的部件，因此渦輪葉片的可靠性對飛機(jī)來說至關(guān)重要。但它也因工作環(huán)境惡劣的原因成為發(fā)動(dòng)機(jī)最容易出現(xiàn)故障的地方。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的故障檢測、故障分析對飛機(jī)安全飛行意義重大。本文通過對不同狀況下飛機(jī)渦輪葉片所采取不同檢測方法對渦輪葉片上的缺陷進(jìn)行故障檢測與分析，研究葉片失效原因，確保飛機(jī)安全飛行。關(guān)鍵詞：渦輪葉片；故障檢測；故障分析；安全飛行1963-1978年美空軍發(fā)生約3800起飛行事故，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)故障占43.47%，失效原因有：風(fēng)扇葉片斷裂，壓氣機(jī)葉片產(chǎn)生疲勞裂紋、渦輪葉片斷裂等1。1998-2003

2、年，我國飛行事故中發(fā)動(dòng)機(jī)故障占50.5%，其中葉片斷裂約45%2。對于渦輪葉片來說，其科技含量高，我國的航空工業(yè)起步較晚，航空科技領(lǐng)域具有一定的短板。而在先進(jìn)的歐美發(fā)達(dá)國家，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)從生產(chǎn)到維修，都具有先進(jìn)的技術(shù)保障。比如歐美國家的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前的燃燒的溫度可以經(jīng)達(dá)到了1700k以上溫度而不因熱應(yīng)力和巨大離心力產(chǎn)生失效。不說生產(chǎn)研發(fā)和制造技術(shù)，就單從維修技術(shù)上看，仍有不小差距3。從目前我國的渦輪葉片維修現(xiàn)實(shí)情況看，想要提高維修能力，必須要重視對渦輪葉片失效分析的基本研究。資料顯示，近年來航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生的重大事故中，絕大部分原因都是渦輪葉片失效4，如圖1所示。1渦輪葉片故障檢測與分析在航空發(fā)

3、動(dòng)機(jī)中，對任何一處缺陷的疏忽，可能就會引發(fā)安全事故。維修人員必須采用有效的檢測技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷使其更加直觀地顯示出來，從而對缺陷的相關(guān)特征信息進(jìn)行有效的自動(dòng)提取和識別。維修人員可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)長、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況、發(fā)動(dòng)機(jī)故障現(xiàn)象等采用不同的檢查方法對發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片進(jìn)行故障檢查分析。1.1渦輪葉片檢測方法1.1.1孔探檢測在發(fā)動(dòng)機(jī)沒有完全拆解前，我們可以借助孔探儀對渦輪葉片進(jìn)行檢測。首先在直桿鏡上連接適當(dāng)長度的加長直角觀察高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片鏡或者使用側(cè)視鏡進(jìn)行觀察。渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)可以站在風(fēng)扇整流罩的后面，將直桿鏡及直角觀察鏡插人風(fēng)扇內(nèi)機(jī)匣前緣或者需要檢查的孔探口進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的例行檢查。操作過

4、程中，維修人員要將設(shè)備調(diào)整到合適的視角，并由另一個(gè)工作人員協(xié)助緩慢、勻速地后兩個(gè)孔探口分別對高壓渦輪葉片的前緣、后緣進(jìn)行檢查5，如圖2所示。1.1.2滲透檢測渦輪葉片的滲透檢測是利用毛細(xì)管作用，把融有熒光材料或者著色劑的滲透液涂抹到葉片表面，滲透液由于毛細(xì)作用滲入渦輪葉片的表面缺陷中，清理干凈未滲透入缺陷而遺留在表面的滲透液，經(jīng)干燥后再用顯像劑，利用毛細(xì)作用把缺陷中的滲透液重新吸附到葉片表面上，就可以放大呈現(xiàn)出葉片缺陷的形狀和分布。這種方法可以同時(shí)檢測多個(gè)葉片，在發(fā)動(dòng)機(jī)大修或檢修時(shí)一般都使用熒光材料來檢測其表面損傷；而在外場條件下，通常使用著色法進(jìn)行檢測。1.1.3射線檢測渦輪葉片射線檢測是通

5、過設(shè)備發(fā)射x射線，射線在經(jīng)過物體后會產(chǎn)生衰減，如果渦輪葉片局部區(qū)域存在缺陷，射線在經(jīng)過葉片后會產(chǎn)生不同程度的衰減，使得葉片不同部位穿透出的射線強(qiáng)度不同，以此來對葉片內(nèi)部存在的缺陷進(jìn)行判定。通過射線檢測可以直觀的顯現(xiàn)出葉片的缺陷影像，便于對葉片缺陷進(jìn)行判定，同時(shí)也可清晰判斷缺陷的數(shù)量及分布。1.1.4超聲波檢測渦輪葉片超聲波檢測是利用設(shè)備把超聲波發(fā)射進(jìn)葉片內(nèi)部，由于超聲波在葉片內(nèi)傳播時(shí)，遇到葉片缺陷與葉片產(chǎn)生的交界面會發(fā)生反射，通過接收反射信號并進(jìn)行分析可以判定葉片的內(nèi)部缺陷。同時(shí)可根據(jù)接收到的反射波信號出現(xiàn)的位置來對缺陷進(jìn)行定位。此種監(jiān)測方法可確定渦輪葉片內(nèi)部缺陷的大小、位置、取向、埋深和性質(zhì)

6、等參量。1.1.5聲發(fā)射檢測聲發(fā)射檢測技術(shù)，是通過聲發(fā)射源發(fā)射彈性波，通過葉片內(nèi)部應(yīng)力造成的瞬態(tài)位移，利用聲發(fā)射傳感器探測葉片結(jié)構(gòu)位移量并將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號處理顯現(xiàn)出來。聲發(fā)射檢測主要是檢測葉片內(nèi)缺陷的擴(kuò)展，并根據(jù)葉片的應(yīng)力特點(diǎn)判斷缺陷危險(xiǎn)程度。1.1.6紅外檢測紅外檢測是通過紅外設(shè)備加熱渦輪葉片，由于葉片內(nèi)缺陷的原因造成熱量傳導(dǎo)不同而導(dǎo)致葉片表面溫度的不同，同時(shí)通過紅外顯像設(shè)備記錄并展現(xiàn)紅外影像形成溫度場，根據(jù)溫度場分布就可以檢測出葉片中是否有裂紋、剝離、夾層等缺陷。1.2渦輪葉片故障分析1.2.1裂紋分析發(fā)動(dòng)機(jī)完全拆解后，對葉片進(jìn)行目視檢查我們會發(fā)現(xiàn)葉片的表面沒有高溫氧化變色現(xiàn)象，但是

7、發(fā)現(xiàn)葉片前緣熱障涂層脫落的現(xiàn)象發(fā)生并伴有裂紋。觀察裂紋位置，不難發(fā)現(xiàn)，裂紋位于葉身葉盆側(cè)的上部，裂線不規(guī)則。裂紋較短部分，呈近似弦向擴(kuò)展，如圖3所示。1.2.2斷口分析斷口的地方能夠清楚的看見一些放射狀的棱線、弧線特征，這些特征表明渦輪葉片斷裂的原因是因?yàn)槠?，具體斷口特征如圖4所示。通過用電子顯微鏡對斷口進(jìn)行掃描，我們會觀察到如圖5所示的現(xiàn)象：熱障涂層有開裂現(xiàn)象。取一個(gè)渦輪葉片作為觀察樣本，經(jīng)金相制備、研磨、拋光、清洗、腐蝕后，再用電子顯微鏡對葉片的基體組織及碳化物進(jìn)行檢查7。在經(jīng)過腐蝕液進(jìn)行后，葉片金相組織，如圖6所示，可見葉片組織有超溫現(xiàn)象，因?yàn)樵趫D中可以明顯看到晶界處有碳化物。2結(jié)論

8、與思考渦輪葉片失效方面有一些認(rèn)識與思考，希望能夠?qū)︼w機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)維修工作起到一定的參考借鑒作用。結(jié)合研究結(jié)果和維修人員的維修經(jīng)驗(yàn)，提出以下建議：如果渦輪葉片有明顯斷裂、裂紋等現(xiàn)象，需要立即拆下起動(dòng)機(jī)。這些損傷會起動(dòng)機(jī)渦輪盤動(dòng)不平衡，在惡劣的工作環(huán)境中工作使徑向軸承失效。渦輪葉片可能存在再結(jié)晶隱患，影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用安全。因此，應(yīng)增加葉片內(nèi)腔重點(diǎn)區(qū)域的再結(jié)晶檢測控制。建議改進(jìn)葉片排氣窗結(jié)構(gòu)或改進(jìn)鑄造工藝，減小葉片排氣窗間隔墻處的殘余應(yīng)力，消除再結(jié)晶。參考文獻(xiàn)：1段紅燕，王小宏，張洹榕，等.基于熱力耦合計(jì)算的渦輪葉片疲勞/蠕變壽命預(yù)測j.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，43（4）：59-65.2楊碩.渦扇發(fā)動(dòng)

9、機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片裂紋萌生及擴(kuò)展壽命預(yù)測研究d.天津：天津大學(xué)，2022：1-3.3李洋，邱豐，佟文偉.發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇靜子葉片裂紋失效分析j.失效分析與預(yù)防，2022，14（6）：401-405.4韓帥.航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可靠性分析研究d.西安工業(yè)大學(xué)，2022.5孫見忠，左洪福使用條件對民航發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片蠕變壽命的影響分析j中國機(jī)械工程，2022，25（11）：1511-15166王飛.某渦輪盤低循環(huán)疲勞壽命預(yù)測及試驗(yàn)驗(yàn)證j.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2022（6）：142-145.7鄭媛，孫智君，張濤，等.整體葉盤葉片裂紋分析c.2022年全國失效分析學(xué)術(shù)會議論文集，2022：70-74.作者：黃超偉 馬樂 單位：安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院本文來