某型发动机低压压气机转子叶片断裂分析

2023-06-15王文杰蔡文波

燃气轮机技术 2023年2期

王文杰, 蔡文波

(海军装备部, 辽宁大连 116083)

压气机转子叶片是燃气涡轮发动机重要零部件之一,数量多、形状复杂、性能要求高、制造难度大,其工作可靠性直接影响发动机的整机安全和可靠性[1-3]。统计数据显示,叶片断裂故障是导致发动机出现重大故障的最主要原因。某型航空发动机自装备以来,叶片故障占发动机事故征候以上等级故障的半数以上[4-5]。某型航空发动机是双转子涡轮风扇内外涵道混合加力式发动机。在一次起飞过程中,该型发动机因叶片发生断裂故障中断起飞。检查发现左发动机低压压气机第2级转子叶片中的1片从根部折断,其余叶片均有不同程度损伤。进一步对故障叶片进行宏观及金相微观检查,发现在叶片断口起始部位有1个凹坑。查该发动机履历,该级叶片在发动机整机大修时进行过例行性修理,修理流程为:初检—化洗—荧光—标记寿命—故检(故障检查)—恢复疲劳强度(即喷丸)—表面防护。

疲劳失效是转子叶片中最常见的失效模式,引起叶片疲劳失效的原因多种多样,包括叶片强度降低、共振、外物打伤、材质缺陷、微动损伤、叶尖碰摩等[6]。刘国库等[7]针对某型燃气轮机压气机转子叶片断裂故障,利用故障树的排查方法,从材料、设计、工艺、冶金、实物制造、使用等方面进行了详细的排查,发现转子、静子不同心导致偏摩是故障发生的主要原因,而故障叶片根部的加工刀痕且喷丸覆盖不完全,促进了裂纹的萌生。卜嘉利等[8]在某型发动机风扇转子叶片第 1 阶弯曲振型下进行振动疲劳试验,发现叶片榫头和叶身处有裂纹萌生。高志坤等[9]发现在发动机工作过程中叶尖与机匣异常碰摩,使叶片承受非正常冲击载荷是导致故障叶片产生疲劳裂纹的主要原因,榫齿的微动磨损对裂纹萌生起促进作用。潘辉等[10]介绍了叶片外物损伤试验模拟方法(含机械加工缺口法、低速冲击法、准静态挤压法和高速弹道冲击法等)的基本原理、优缺点及应用情况。Dunham等[11]首次运用机械加工缺口法在钢、钛、铝 3 种材料的真实叶片上模拟了叶片外物损伤,研究了在1弯振型下损伤叶片的疲劳强度。

本文通过对该型发动机低压压气机第2级转子叶片故障断口外观检查、宏观形貌观察、表面检查、成分分析、金相组织检查、强度计算等方式进行分析,确定了故障叶片的失效模式及原因,提出了改进建议。

1 检查与分析结果

1.1 外观检查

该型发动机低压压气机共5级转子叶片,第2、3、4级转子叶片均为销钉孔式连接结构的铝叶片组件,孔内压装有铜套,以提高销孔的耐磨性。叶片材料均为LD7-1,表面涂有ES205耐热涂料。铜套材料均为QAL10-4-4。销钉材料均为3Cr13。叶片通过销钉与压气机盘(材料为TC11)连接[12]。

将发动机分解至盘和叶片组件状态,目视检查低压压气机各级静子、转子叶片均有不同程度损伤。低压压气机第2级转子叶片中的1片从叶身根部断裂,断裂叶身未发现,断口目视观察有明显疲劳特征,分析认为是首断件[13]。故障件损伤情况见图1、图2。

图2 第2级转子叶片断件

1.2 断口宏观观察

1.2.1 宏观观察

低压压气机第2级转子叶片断裂位于叶根附近转接圆弧处,断口高差较大,可分为A、B两个区:A区为疲劳裂纹扩展区,靠近进气边一侧,尺寸约37 mm×8 mm,占整个断面的40%,断面较平坦,可见明显扩展棱线和疲劳弧线,棱线收敛方向显示源区位于距进气边约15 mm处叶背表面,单源起始;B区断面粗糙,为瞬断区。断口宏观形貌见图3、图4。

图3 叶片断口宏观形貌

图4 叶片断口侧面宏观形貌

1.2.2 体视镜观察

起源区断面有白色物质,该物质与叶片表面漆层相连,颜色相近;起源区侧面漆层完整无裂纹,仅轻微凹陷,深度约为0.05 mm,见图5。经除漆处理后放大观察,起源处白色物质已去除,呈半圆形凹坑特征,凹坑内表面形貌与叶片表面形貌相似,最大宽度×最大深度约为0.50 mm×0.17 mm,见图6。

图5 断口起源区低倍形貌

图6 断口面观察凹陷形貌

1.3 断口微观观察

扫描电镜断裂叶片断口源区凹坑进行表面形貌观察,源区凹坑内表面无断裂特征,与叶身表面形貌相同,均为粗糙的喷丸表面,见图7、图8。

图7 凹坑表面高倍形貌

1.4 表面检查

除漆前对白色物质进行能谱分析,其中Ti和Si为表面漆层成分元素,说明损伤凹坑内白色物质为漆层;Cr、S元素应来源于表面防护工序中的氧化过程。

除漆后采用扫描电镜对叶片疲劳源区附近进行观察,疲劳裂纹起源于损伤凹坑边缘,扩展区可见疲劳条带及弧线特征,瞬断区为韧窝特征,表明故障叶片断口应为疲劳断口[14-15],见图9。

1.5 成分分析

利用能谱分析仪对除漆后的凹坑区域进行面扫描,Ti和Si为局部残留的漆层成分元素,Cr元素来源于表面防护工序的氧化过程,其他元素及含量符合叶片基体LD7-1的标准。

1.6 硬度测试

对故障叶片断口起源区、叶根、榫头及同级叶片叶身进行硬度测试,结果均符合叶片基体LD7-1的标准。

1.7 金相检查

在故障叶片叶根、榫头及同级别叶片叶身断口起源区取样进行组织检查,结果均符合叶片基体LD7-1的标准。

1.8 强度计算

叶片损伤是发动机常见的故障之一,严重的损伤引起叶片疲劳断裂,从而导致发动机失效。为分析损伤对低压压气机第2级转子叶片强度的影响,本文采用机械加工缺口法[11,16]进行故障叶片凹坑损伤试验模拟,进行正常叶片和故障模拟叶片对比计算。

1.8.1 叶片静应力计算

在工作转速8 760 r/min下,对比正常叶片和故障模拟叶片应力情况。正常叶片叶身最大静应力位于叶背根部倒圆位置,应力为178.24 MPa;叶片损伤后因应力集中,故障部位成为叶身应力最大区,应力值为254.56 MPa,相比正常叶片,叶身最大静应力增加了42.8%。

1.8.2 叶片振动应力计算

相对叶片的尺寸,模拟损伤球形尺寸较小,叶片模态为1阶计算时,正常叶片和故障模拟叶片1阶固有频率分别为223.7 Hz和224.7 Hz,固有频率基本相同。正常叶片最大振动应力在叶背叶根中部,应力值为8 040 MPa;故障模拟叶片最大应力位置为故障部位,应力值为12 737 MPa,相对正常叶片振动应力增加了58%。

2 失效原因分析

2.1 失效模式

通过对低压压气机第2级转子叶片断口的宏观和微观检查表明,故障叶片断裂性质为疲劳断裂,疲劳裂纹起源于叶背表面损伤凹坑边缘,扩展区可见疲劳条带及弧线特征,瞬断区为韧窝特征。叶身表面损伤凹坑处漆层完整,无破裂现象,可排除外场打伤。断口微观检查凹坑内表面无断裂特征,与叶身表面形貌相同,均为粗糙的喷丸表面,可判断凹坑产生于叶片修理过程中,且在恢复疲劳强度(即喷丸)工序之前。

2.2 影响因素分析

疲劳失效原因主要包括叶片强度降低、共振、外物打伤、材质缺陷、微动损伤、叶尖碰摩等[6]。故障叶片损伤凹坑处漆层完整,可排除外物打伤因素;叶身表面硬度、金相组织和材料成分均满足标准要求,断口未见冶金缺陷,表明断裂原因与冶金缺陷和基体材质无关;微动损伤通常发生在转子叶片榫头部位,故障叶片断裂发生在叶根,可排除此因素;检查同级转子叶片叶尖,叶尖表面完整,可排除叶尖碰摩因素。引起故障叶片疲劳失效的原因只剩强度降低和共振2个因素。

2.2.1 叶片强度因素分析

强度计算结果表明,在工作转速8 760 r/min下,故障模拟叶片相比正常叶片叶身最大静应力增加了42.8%;振动计算结果表明,叶片模态为1阶时,正常叶片最大振动应力在叶背叶根中部,故障模拟叶片最大应力位置为故障部位,相对正常叶片振动应力增加了58%。叶片损伤后故障部位静应力和振动应力均有大幅度增加,疲劳强度明显下降。

经统计,低压压气机第2、3、4级转子叶片(材料均为铝合金)报废原因主要有4类:刻痕打伤、腐蚀麻点、涡流检查不合格、锪孔后端面腐蚀。报废类型比率中刻痕打伤和腐蚀麻点占比较高,见图10。

图10 低压压气机第2、3、4级转子叶片报废类型比率图示

综合分析,叶片凹坑损伤后故障部位疲劳强度明显下降,断口疲劳裂纹起源于损伤凹坑边缘,结合该类型叶片以往故障形式,可判断凹坑损伤是导致叶片断裂的主要因素。

2.2.2 叶片共振因素分析

低压压气机第2、3、4级转子叶片均为销钉孔式连接结构,叶片频率要求见表1。低压压气机转子常用转速为全工况转速的52%～64.8%(4 740～5 906.5 r/min)时,对应的频率为79 ～98 Hz,小于叶片1弯频率,可排除共振引起叶片断裂可能[17]。

表1 低压压气机第2、3、4级转子叶片频率

2.2.3 凹坑产生原因分析

根据失效分析结论,结合叶片大修过程梳理情况,在叶片除漆后恢复疲劳强度前,安排故检工序对叶片进行目视检查,以排除叶身磕碰划伤等缺陷。按照故检标准中叶根部位不允许有损伤存在的要求,凹坑在此时应能发现,故重点排查该次故检后叶片周转以及喷丸两个环节,分析损伤产生的原因。

首先检查周转运输环节,因第2级转子叶片尺寸和重量较大,周转运输过程使用木质包装箱,检查发现木质包装箱上的铁钉和铁质部件凸出箱体或变形翘曲,在装箱及运输过程中存在碰伤叶片的风险。接着排查喷丸工序,查看喷丸过程中使用的工位器具及设备内部结构,未发现可能造成叶片损伤的风险因素。综合分析,故障叶片叶根部位凹坑大概率产生于故检与喷丸工序之间的周转运输环节,在装箱及运输过程中叶片意外与箱体铁质部件磕碰。而喷丸工序后直接进行表面防护(涂漆)工序,该工序的检验环节重点检查漆层厚度及质量,未能检查出该磕碰造成的凹坑缺陷。该缺陷在叶片现有修理工艺中具有较强的隐蔽性。