航空发动机涡轮叶片断裂原因分析

2013-08-15罗泽明

山东工业技术 2013年11期

关键词：涡轮燃气裂纹

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)

0 引言

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、热应力以及振动负荷，是发动机中工作条件最为恶劣的零件。

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。

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的原因，并举例分析，在此基础上指出预防措施。

1 涡轮叶片故障机理

从理论上看，涡轮叶片断裂的故障机理有疲劳、超应力、蠕变、腐蚀、磨损等。

1.1 疲劳

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作用，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105—107 周次的疲劳。低周疲劳是指失效循环数低于104—105 周次的疲劳。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，断裂还会来自于高低周复合疲劳[1-3]。热疲劳是来自于涡轮叶片温度的循环变化。涡轮叶片的温度的循环变化来自于燃气温度的变化。

1.2 超应力

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，超应力仍然是造成涡轮叶片断裂的一个原因。

1.3 蠕变

高温环境下，蠕变断裂是涡轮叶片主要的失效形式之一。随着涡轮后燃气温度从20 世纪50 年代的1150K 增加到现在的2000K，蠕变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15℃，其蠕变断裂寿命就会缩短一半[4]。对于设计好的涡轮叶片来说，使用中一旦发动机进入超温状态，如果不进行维修换件，必将危及飞行安全。

1.4 腐蚀

腐蚀来自于叶片所受的高温燃气。高温燃气对叶片的腐蚀既包括冲刷造成的腐蚀，也包括高温燃气对金属叶片的氧化腐蚀。腐蚀会降低叶片的性能，当腐蚀达到一定程度，叶片材料性能不能满足要求时，就会发生断裂。

2 影响涡轮叶片寿命的原因

涡轮叶片使用寿命终结的特征有：叶片出现影响发动机使用功能的超出设计允许的变化，或者叶片损伤积累到所允许的极限。在实际的应用中，叶片从生产到应用的过程复杂，涉及到的因素多，往往会由于各种原因引起叶片发生断裂。

2.1 制造和材料缺陷

受发动机高性能、工作安全性、可靠性以及寿命的要求，涡轮叶片必须具有精确的尺寸、准确的形状和严格的表面完整性。但由于叶片型面的复杂性，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；表面完整性难以保证等。

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由于生产公司检测错误，造成叶片生产质量不过关。

2.2 装配和维修误差

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。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。

2.3 外来物损伤

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，产生的残片进入涡轮后打伤甚至打断叶片。