航空发动机涡轮叶片断裂原因分析

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1、lhandongIndu~tria／Toohnology2013拄山东工业技术第11期航空发动机涡轮叶片断裂原因分析FailureAnalysisofAero-engineHighPressureTurbineBlade郑丽罗泽明(中国人民解放军海军航空兵学院飞行理论系，辽宁葫芦岛125001)【摘~]AAO对实际使用中航空发动机涡轮叶片断裂的故障，从理论上分析造成断裂的机理，分析实际中引起涡轮叶片断裂的原因，并提出预防措施。对一黾行安全起到一定的参考价值。【关键词】航空发动机；涡轮叶片；断裂分析0引言必须具有精确的尺寸、准确的形状和严格的表面完

2、整性。但由于叶片涡轮叶片是航空发动机最主要的结构件之一．由于其长期工作在型面的复杂性．呈叶身扭曲弯度．叶片内有冷却通道等特点．叶片复杂高温燃气包围下．承受转子高速旋转时叶片自身的离心力、气动力、热曲面的加工困难，加工精度不易保证。目前存在叶片加工变形、精度应力以及振动负荷．是发动机中工作条件最为恶劣的零件。低、表面质量低等问题。具体体现在：叶片的波纹度和截面形状精度难在实际的使用过程中．由于各种原因，涡轮叶片可能发生断裂。当以控制：叶片之间一致性差；叶片内残余应力、装夹因素引起的变形；涡轮叶片断裂时．不仅会出现发动机振动进而引起飞机振动．还会打表

3、面完整性难以保证等坏其他机件、甚至导致飞机着火等现象，这将严重影响到飞行安全。长某型发动机在外场使用570小时25分．返厂排故时进行荧光检期以来。由于涡轮叶片断裂引发的飞行事故在飞行中屡见不鲜。查．发现有一片高压一级涡轮转子叶片叶身中部靠近排气边叶背面上本文从涡轮叶片的工作条件出发．分析了引起涡轮叶片断裂故障有一横向裂纹，裂纹长约5mm经理化检测分析，裂纹宏观微观特征的原因，并举例分析，在此基础上指出预防措施。呈热疲劳裂纹特征疲劳裂纹的产生与部分陶芯变形或偏斜．叶片外型面过抛造成的叶背壁厚偏薄造成叶背壁厚超差叶片装机的原因是1涡轮叶片故障机理由于

4、生产公司检测错误．造成叶片生产质量不过关。从理论上看，涡轮叶片断裂的故障机理有疲劳、超应力、蠕变、腐2．2装配和维修误差蚀、磨损等。装配误差是指由于加工过程中零件内部形成的残余应力因素影1．1疲劳响，装配面出现接触不良，配合面例如叶片与涡轮盘榫槽间隙超差等。发动机工作时，由于经常起动、加速、减速、停车以及其他条件的实践表明．上述误差累积至最终装配误差，将不可避免的要影响发动影响，发动机内流扰动、自激振动、流动畸变、转子不平衡、燃气温度分机的性能。维修误差与之类似，只是产生的过程是在维修过程。布不均等激励因素的作用．会使涡轮各部件承受复杂的循环载荷

5、作2．3外来物损伤用，使得叶片经受大量弹性应力循环．最终引起高周疲劳、低周疲劳或对于发动机来说．外来物损伤一方面是指在飞行过程中发动机吸热疲劳，使得涡轮叶片断裂。其中，高周疲劳是指失效循环数范围在入异物．地面滑跑过程中进气道内留有异物等．也包括飞行过程中发lO5—1O7周次的疲劳。低周疲劳是指失效循环数低于1O4—1O5周次动机内部其他部件故障后．可能产生的残片造成的损伤但是．对于涡的疲劳。高周疲劳和低周疲劳都能够引起涡轮叶片断裂。实际使用中．轮叶片来说，由于其距离进气道和压气机较远．其外来物损伤主要是断裂还会来自于高低周复合疲劳【l-3]。热疲

6、劳是来自于涡轮叶片温度的指发动机内部其他部件故障后．例如燃烧室掉快等．产生的残片进入循环变化。涡轮叶片的温度的循环变化来自于燃气温度的变化。涡轮后打伤甚至打断叶片1．2超应力2．4超限涡轮叶片的组成包括叶根、叶身和叶冠。由于其形状的不规则，叶超限包括超温和超转。超温是指涡轮后燃气温度超过规定值．此片中存在应力集中部位尽管在设计中已经采取了一些措施．实际上．时．燃烧室出口温度必定过高．温度过高会使涡轮叶片承受的热载荷超应力仍然是造成涡轮叶片断裂的一个原因增大。超转是指发动机转速超过最大转速。转速过大会使涡轮叶片承1-3蠕变受的离心载荷过大。当载荷超

7、过叶片所能承受的最大载荷时．叶片就高温环境下。蠕变断裂是涡轮叶片主要的失效形式之一随着涡会断裂。一般说来，超转势必引起超温。轮后燃气温度从20世纪5O年代的1150K增加到现在的2000K．蠕变在叶片断裂失效案例中．由于超温造成叶片断裂失效占的比例并将导致叶片的塑性变形过大甚至产生蠕变断裂。高温时．温度仅增加不最高，但其危害很大，瞬时的超温即可造成某个叶片折断从而打断15℃，其蠕变断裂寿命就会缩短一半0叼。对于设计好的涡轮叶片来说．其他叶片．乃至整台发动机无法工作使用中一旦发动机进入超温状态．如果不进行维修换件．必将危及飞某飞机在完成地面通电检查

8、、9min地面开车、武器系统的检查和行安全。加载后飞机离地。在离地约3秒时．尾喷管出现大量油雾．随后出现火1．4腐蚀焰，紧急停车。对此发