小型涡轮叶片掉块故障分析与改进.pdf

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1、第22卷第1期燃气涡轮试验与研究Vol.22,No.12009年2月GasTurbineExperimentandResearchFeb.,200923小型涡轮叶片掉块故障分析与改进王海朋，吴进军，黄健，邬宏波(南京模拟技术研究所，江苏南京210016)摘要：本文就某型涡喷发动机试车过程中出现的涡轮掉块现象进行了研究，通过计算与分析确定了断裂原因为一阶弯曲共振，发动机怠速转速下导向器叶片引起的气体尾流激振是叶片共振的根本原因。在工作转速无法避免的情况下，从改变叶片频率入手，避免了叶片在此频率下的共振，成功解决了这一故障。关键词：

2、涡轮叶片；疲劳断裂；共振中图分类号：V231.9文献标识码：A文章编号：1672-2620(2009)01-0023-04FractureFailureAnalysisandPreventionofaSmallTurbineBladeWANGHai-peng，WUJin-jun，HUANGJian，WUHong-bo(NanjingResearchInstituteofSimulationTechnology，Nanjing210016，China)Abstract：Investigationwasconductedforfai

3、lurebladetoanalyzeturbinebladelossofanaero-engine.Theanalysisshowedthatthefractureswereduetofirstorderbendingvibrationfatiguedamage.Thein-fluenceofthewakeflowfromtheturbineguide-vaneunderidlespeedwastheultimatecause.Aneffec-tivepreventionprocedurewasadjustingbladefre

4、quencyasitwasdifficultytoavoidtheoperationspeed.Bladebreakagewasfinallysolved.Keywords：turbineblade；fatiguefracture；resonance1引言某小型涡喷发动机采用的是单级向心式涡轮，叶片与轮盘采用整体铸造方式连接。在台架试车和实际飞行过程中，多次发现在工作4～5h后涡轮叶片出现叶尖掉块，主要发生在叶尖进气边缘，距叶尖6~8mm，断裂，断口呈45°斜角，如图1、图2所示。图2掉块部位局部放大图Fig.2Partiale

5、nlargedviewoffracturelocation2涡轮叶片掉块故障的基本特征叶片掉块故障在外场使用和台架试车的发动机上均出现多次，且仅有1片叶片掉块。对同批次铸造叶片位置标识后研究发现，发生断裂的叶片是随机图1掉块叶片正视图的，排除了铸造缺陷的影响。叶片断口具有明显的疲Fig.1Anelevationviewoffractureblade收稿日期：2008-07-30；修回日期：2008-12-15作者简介：王海朋(1980-)，男，江苏南通人，硕士，从事无人机动力、小型涡喷航空发动机的设计与研究工作。24燃气涡轮试验

6、与研究第22卷劳特征，将掉块后的涡轮重新进行动平衡后开车，短时期内未出现其它叶片掉块。3断口分析整个涡轮共有12片叶片，其中只有1片叶片在叶尖处发生掉角断裂。经荧光渗透检查，其余11片叶片及涡轮其余部位均未发现裂纹。把掉角的叶片切下断口，分别在体视显微镜和图4邻近主疲劳源区的小平面能谱成分分析图扫描电子显微镜下观察分析，发现断口具有疲劳断Fig.4Energyspectroscopicanalysisofthefacetnearprincipal裂的典型特征。整个断口由主疲劳区、次疲劳区和瞬fatiguesource断区组成(图

7、3)，主疲劳区面积占整个断面的绝大多数。断裂起始于叶顶的叶背面，向叶盆面扩展，主源位于叶片顶部和叶背相交的尖角处。次疲劳区主疲劳区图5主疲劳扩散区形貌瞬断区Fig.5Morphologyofprincipalfatiguediffusionzone裂纹主源4试验分析与计算图3断口的低倍放大全貌通常，引起叶片机械疲劳断裂失效的主要应力Fig.3Lowmagnificationoffracturesection是振动应力和离心应力[1]。从该叶片断裂的部位和形态可知，导致该叶片掉角断裂的主要应力是振动主疲劳源附近起始区域可见明显的小

8、平面，该应力[2]，表明该叶片在工作过程中出现了共振。小平面平整、光滑，未见明显缺陷；扫描电镜能谱成4.1叶片静频测量分分析，该小平面未见明显异常(图4)。小平面上及为掌握叶片的振动特性，在常温、静止状态条件周围可见河流花样等类解理断裂特征，为镍基高温下测试了叶