軸流壓氣機(jī)整體葉盤葉片裂紋故障研究

徐 峰，李春松，羅秋生，周拜豪，吳長波

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500)

1 引言

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片是壓氣機(jī)部件的主要零件之一，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命及可靠性。在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)性故障中，葉片故障比例很高。我國在役和在研的軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，幾乎無一幸免地發(fā)生過葉片故障問題，嚴(yán)重制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用[1]。

某軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)件在總性能試驗(yàn)過程中，當(dāng)其相對換算轉(zhuǎn)速nˉ=0.8時(shí)，振動(dòng)信號出現(xiàn)異常。試驗(yàn)件分解檢查后發(fā)現(xiàn)，第一級轉(zhuǎn)子葉片(共16片)前緣出現(xiàn)貫穿性裂紋，與葉尖前緣距離約16 mm，如圖1所示。本文以該裂紋故障為研究對象，從冶金、強(qiáng)度、振動(dòng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分析，找出了故障發(fā)生原因，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 故障分析

2.1 斷口分析及金相組織檢驗(yàn)

2.1.1 斷口分析

縱向打開葉片裂紋進(jìn)行微觀檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋斷口上有較為明顯的疲勞弧線，由葉片外緣邊向內(nèi)擴(kuò)展，且疲勞源共有兩處，分別位于葉片葉盆及葉背側(cè)，兩條疲勞裂紋在擴(kuò)展過程中交匯，在斷口中部形成一臺(tái)階[2]，如圖2所示。疲勞源區(qū)呈磨損特征，有一定的疲勞臺(tái)階，未見加工和冶金缺陷；微觀有少量污染物附著(圖3)，經(jīng)能譜分析(圖4)，除正常元素外，還含有Cl、O等腐蝕特征元素，但結(jié)合斷口及其側(cè)面形貌，葉片源區(qū)無明顯腐蝕特征。

2.1.2 金相組織檢驗(yàn)

平行于裂紋方向取金相試樣進(jìn)行檢驗(yàn)。葉片的金相組織為保持原馬氏體位向的回火索氏體組織[3]，未見自由鐵素體，組織略為粗大，晶粒度約為5.5級，如圖5所示。

2.2 理論分析

2.2.1 分析模型

根據(jù)整體葉盤循環(huán)對稱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，取盤的1/16和一個(gè)完整的葉片作為計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整體葉盤有限元模型見圖6。

2.2.2 振動(dòng)特性計(jì)算

壓氣機(jī)工作時(shí)，存在多種形式的機(jī)械力與氣動(dòng)力。其中一部分形成周期性或近似于周期性變化的力，這些周期性力便構(gòu)成了迫使葉片振動(dòng)的激振力。如果激振力的頻率與葉片某階振型的固有頻率相等或接近，葉片便產(chǎn)生共振。

對于盤片耦合振動(dòng)，進(jìn)行共振分析的節(jié)徑需滿足下式[4]：

式中：ND為需要進(jìn)行共振分析的節(jié)徑數(shù)，K為激振階次，NOB為所分析葉片的數(shù)目，i nt為取整函數(shù)，n1一般取1，n2一般取0、1、2、3。其中，K=1、2、3、4對應(yīng)于進(jìn)口氣流畸變和壓氣機(jī)低階激振，K=8對應(yīng)于二倍支板數(shù)，K=58對應(yīng)于第一級整流葉片數(shù)。

根據(jù)此原則，應(yīng)分析的節(jié)徑振動(dòng)為1、2、3、4、8節(jié)徑。由于節(jié)徑數(shù)越大，整體葉盤的剛度越大，其振動(dòng)也越接近單個(gè)葉片的振動(dòng)，故最大節(jié)徑8的振動(dòng)可認(rèn)為是單個(gè)葉片的振動(dòng)。下面主要進(jìn)行整體葉盤8節(jié)徑下的振動(dòng)頻率及振動(dòng)特性計(jì)算分析。振動(dòng)特性見圖7～圖10，葉片的共振轉(zhuǎn)速圖見圖11。

由圖7和圖8可以看出，第3階靜頻振型接近第4階動(dòng)頻振型，第4階靜頻振型接近第3階動(dòng)頻振型，因此這兩階模態(tài)在這部分轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)了同一階頻率對應(yīng)兩個(gè)振型的情況。由圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)應(yīng)力主要分布在葉尖附近，與裂紋位置接近。這說明葉尖部位厚度不足，不足以承受氣流產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷。

由圖11看出，在nˉ=0.8附近，壓氣機(jī)第一級轉(zhuǎn)子葉片存在激振階次4激起的第1階共振，與試驗(yàn)過程中振動(dòng)監(jiān)測信號異?，F(xiàn)象相符。

2.2.3 耦合顫振分析

根據(jù)振型判斷，靜頻的振型圖中：葉片的第1階次為一階彎曲振動(dòng)，第2階次為一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，第3階次為二階彎曲振動(dòng)，第4階次為弦向彎曲振動(dòng)。

動(dòng)頻的振型圖中：葉片的第1階次為一階彎曲振動(dòng)，第2階次為一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，第3階次為弦向彎曲振動(dòng)，第4階次為二階彎曲振動(dòng)。

進(jìn)行耦合顫振分析，頻差按式(3)計(jì)算，結(jié)果見表1。

式中：δ為頻差，fL為較小頻率，fH為較大頻率。

表1 葉片耦合顫振的頻差分析Table 1 Frequency difference analysis of blade coupled vibration

為防止壓氣機(jī)葉片耦合顫振，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，一階彎曲振動(dòng)頻率不能與一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率重合，二階彎曲振動(dòng)頻率不能與一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率重合，頻差一般應(yīng)大于10%。由表1可知，在nˉ=0.8時(shí)，二階彎曲與一階弦向的耦合顫振不能滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。

2.3 綜合原因分析

根據(jù)葉片裂紋斷口的微觀檢查及組織檢驗(yàn)結(jié)果，可判定葉片裂紋屬于疲勞裂紋。葉片開裂源區(qū)無加工、冶金缺陷及明顯的腐蝕特征，源區(qū)覆蓋的含腐蝕特征元素的污染物可能是裂紋形成后在某些過程中引入的二次殘留物。因此，葉片疲勞裂紋的產(chǎn)生與上述因素?zé)o關(guān)。葉片的疲勞裂紋從葉片兩側(cè)起源，從裂紋的位置與特點(diǎn)看，裂紋的產(chǎn)生與葉片的氣動(dòng)負(fù)荷及振動(dòng)有關(guān)。葉片金相組織略為粗大，一定程度上會(huì)降低疲勞性能，但影響不大。

從葉片振動(dòng)應(yīng)力分布圖看，葉片振動(dòng)應(yīng)力主要分布在葉尖，且最大振動(dòng)應(yīng)力位置與裂紋位置接近，說明原始葉片葉尖部位厚度不足，不足以抵抗氣流產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷。另外，該壓氣機(jī)進(jìn)口處的進(jìn)氣支板為4個(gè)，與激振階次一致。由此推斷，壓氣機(jī)第一級轉(zhuǎn)子葉片葉尖前緣裂紋，是由于該轉(zhuǎn)子葉片葉尖厚度較小、剛度不足，以及進(jìn)口4個(gè)進(jìn)氣支板引起的激振使得葉片進(jìn)入強(qiáng)迫共振后疲勞所致。

從葉片振動(dòng)特性分析結(jié)果看，第一級轉(zhuǎn)子葉片8節(jié)徑下的第3階靜頻振型接近第4階動(dòng)頻振型，第4階靜頻振型接近第3階動(dòng)頻振型，這兩階模態(tài)在這部分轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)了同一階頻率對應(yīng)兩個(gè)振型的情況。同時(shí)，第3階與第4階的頻率裕度不足10%(表1)，易發(fā)生耦合顫振，加劇葉片的振動(dòng)疲勞破壞。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面可以發(fā)現(xiàn)，為減少支板尾跡對轉(zhuǎn)子葉片的影響，壓氣機(jī)進(jìn)口處進(jìn)氣支板雖采用了斜支板結(jié)構(gòu)(圖12)，但由于支板厚度較大且進(jìn)氣支板尾緣距離轉(zhuǎn)子葉片仍然較近，存在支板尾流激振因素，加劇了葉尖裂紋的擴(kuò)展[5]。

3 改進(jìn)措施

基于以上葉片疲勞裂紋產(chǎn)生的兩點(diǎn)潛在因素，在葉片設(shè)計(jì)方面，針對該轉(zhuǎn)子葉片低階共振，為有效改善低階模態(tài)，考慮通過調(diào)頻避開諧振轉(zhuǎn)速；同時(shí)，為降低振動(dòng)應(yīng)力，進(jìn)行了削角處理。為了不引起其它相關(guān)零件改動(dòng)，在修改設(shè)計(jì)中，主要是對葉型進(jìn)行調(diào)整，以改善轉(zhuǎn)子葉片的振動(dòng)特性。采取的措施主要有：①調(diào)整葉片子午投影。保持流道及葉片后緣子午投影不變，對轉(zhuǎn)子前緣子午投影進(jìn)行調(diào)整，尖部后移1 mm。②增加最大相對厚度。為調(diào)整第一級轉(zhuǎn)子葉片的振動(dòng)特性，最大相對厚度經(jīng)過多次調(diào)整，第一級轉(zhuǎn)子葉片的厚度從根到尖均有所增加。葉片修改前后的模型對比見圖13。

在進(jìn)氣機(jī)匣設(shè)計(jì)方面，為改變激振階次，將支板調(diào)整為3個(gè)，同時(shí)加大支板尾緣與葉片間距，盡量減小支板尾跡對第一級葉片的影響。改進(jìn)設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)如圖14所示。

修改設(shè)計(jì)后，對葉片的振動(dòng)特性重新進(jìn)行了分析，葉片的共振轉(zhuǎn)速圖見圖15。從圖中可看出：在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，沒有激振階次為3的共振區(qū)域。與支板數(shù)成2倍關(guān)系的激振階次6，只在低轉(zhuǎn)速區(qū)存在一階共振區(qū)域，壓氣機(jī)在升速或降轉(zhuǎn)過程中可快速通過而不停留。由于葉型加厚，葉片剛性增強(qiáng)，使得葉片各階次的頻差(包括靜頻和動(dòng)頻)均有所加大，振動(dòng)應(yīng)力較原型有所下降。另外，葉身靜強(qiáng)度滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求[4]。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)的有效性，該壓氣機(jī)試驗(yàn)件重新裝配并上臺(tái)進(jìn)行了全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的性能試驗(yàn)考核。試驗(yàn)過程中，振動(dòng)監(jiān)測信號平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)任何異常，壓氣機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到或超過規(guī)定要求。試驗(yàn)件下臺(tái)分解后，著重進(jìn)行了第一級整體葉盤的無損探傷檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，該葉盤狀態(tài)良好，沒有任何損傷。由此可見，針對該葉片裂紋故障原因分析準(zhǔn)確，改進(jìn)措施有效。

5 結(jié)束語

該軸流壓氣機(jī)葉片裂紋故障為進(jìn)口進(jìn)氣機(jī)匣設(shè)計(jì)不合理，支板數(shù)與第一級轉(zhuǎn)子葉片數(shù)存在整數(shù)倍關(guān)系，且支板尾緣距離葉片較近，支板尾跡激振力較大，造成第一級轉(zhuǎn)子葉尖產(chǎn)生裂紋并加速疲勞裂紋擴(kuò)展。同時(shí)，由于葉片前掠較大且葉身較薄，導(dǎo)致頻差裕度較小，易發(fā)生耦合顫振，加劇葉片振動(dòng)疲勞破壞。

針對裂紋故障采取的改進(jìn)方法為：改變?nèi)~片的氣流激振階次，避免在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)出現(xiàn)共振區(qū)域；同時(shí)，增強(qiáng)葉片剛性，提高葉片的抗變形能力。由于增加葉片剛性是以增加盤體離心負(fù)荷為代價(jià)，兩者需權(quán)衡處理。

改進(jìn)設(shè)計(jì)后的試驗(yàn)驗(yàn)證表明，針對該葉片裂紋故障的原因分析準(zhǔn)確，改進(jìn)措施有效。

[1]陶春虎，鐘培道，王仁智，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的失效與預(yù)防[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2]航空航天工業(yè)部航空裝備失效分析中心.金屬材料斷口分析及圖譜[M].北京：科學(xué)出版社，1991.

[3]任頌贊，張靜江，陳質(zhì)如，等.鋼鐵金相圖譜[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2003.

[4]航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊：第18冊——葉片輪盤及主軸強(qiáng)度分析[K].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[5]邱 睿，郝艷華.尾流激振情況下葉片振動(dòng)應(yīng)力預(yù)估方法[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，30(5)：18—21.