軸流壓氣機(jī)雙排整流器葉片裂紋原因分析

劉麗玉，盧文海，劉德林

(1.北京航空材料研究院中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095;2.中航試金石檢測(cè)科技有限公司，北京 100095;3.中航常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213022）

0 引言

在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)、制造與用材水平不僅影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能水平，而且直接關(guān)系發(fā)動(dòng)機(jī)的使用可靠性。壓氣機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作，轉(zhuǎn)子葉片要承受強(qiáng)迫振動(dòng)或自激振動(dòng)引起的共振、喘振和顫振等，因此，一直以來(lái)人們對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)件(動(dòng)葉)很重視［1-6］。但發(fā)動(dòng)機(jī)的靜子葉片是進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換的重要零件，葉片所受氣動(dòng)力高頻脈動(dòng)將影響其疲勞壽命，如果靜葉的強(qiáng)度、振動(dòng)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同樣會(huì)影響到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。故靜葉的強(qiáng)度、振動(dòng)分析以及失效預(yù)防也不可忽視［7-8］。在葉片的斷裂失效分析中，靜葉作為肇事件失效的機(jī)率較小，但危害不可忽視［9-10］。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)臺(tái)架試車(chē)和外場(chǎng)試車(chē)后分解，經(jīng)熒光檢查發(fā)現(xiàn)其軸流壓氣機(jī)雙排整流器多片16片葉片進(jìn)氣邊葉根R位置存在裂紋，葉片材質(zhì)為ZG1Cr17Ni3馬氏體不銹鋼。通過(guò)對(duì)典型的葉片裂紋進(jìn)行了失效分析，找出裂紋產(chǎn)生的原因，為發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和定型提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 葉片裂紋觀察

葉片形貌見(jiàn)圖1，裂紋均位于前排葉片進(jìn)氣邊R位置，距葉根1～2 cm處。為保證整流器雙排葉片內(nèi)側(cè)根部的圓弧過(guò)渡，整流器精鑄后葉片此位置經(jīng)過(guò)打磨修整，葉片明顯較薄(圖2)?？窟M(jìn)氣邊葉盆葉背側(cè)都可見(jiàn)數(shù)條平行裂紋，裂紋與葉根平行，從進(jìn)氣邊往中部延伸，長(zhǎng)度為1～10 mm，裂紋細(xì)長(zhǎng)彎曲，開(kāi)口寬度均勻(圖3)。

1.2 斷口觀察

將葉片裂紋人為打開(kāi)，裂紋斷口形貌見(jiàn)圖4。斷口顏色較深，整個(gè)斷口上可見(jiàn)多個(gè)臺(tái)階，臺(tái)階弧形彎向進(jìn)氣邊，形成一彎向葉盆側(cè)的扇形，以及裂紋斷口與人為打斷區(qū)弧形交界處彎向葉盆(圖5)。掃描電鏡下觀察斷口，斷口磨損嚴(yán)重，多處起源，源區(qū)未見(jiàn)冶金缺陷，斷口可見(jiàn)疲勞弧線(xiàn)(圖6)。弧形交界附近局部可見(jiàn)疲勞條帶特征(圖7)。從臺(tái)階棱線(xiàn)以及疲勞弧線(xiàn)的走向可推測(cè)此疲勞源區(qū)在葉盆表面。此外，弧形交界下方的葉背一側(cè)還可見(jiàn)臺(tái)階分成的若干個(gè)平坦區(qū)域(圖8)，這些小區(qū)域是從葉背表面擴(kuò)展形成的，但斷口上葉盆一側(cè)擴(kuò)展面積要大于葉背一側(cè);因此，主裂紋起源于葉盆側(cè)，呈多源特征。斷口上未見(jiàn)冶金缺陷。

1.3 金相組織及硬度測(cè)試

垂直裂紋斷口制備金相試樣，光學(xué)顯微鏡下觀察其金相組織，可見(jiàn)葉片組織為回火索氏體+少量鐵素體，組織未見(jiàn)異常，也未見(jiàn)冶金缺陷(圖9)。

圖9 斷口附近金相組織圖9 Microstructure near the fracture

對(duì)斷口附近葉片進(jìn)行顯微硬度測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 硬度檢測(cè)結(jié)果Table1 Results of hardness tests

由表1可見(jiàn)，斷口附近材料的硬度符合技術(shù)要求。

2 分析與討論

葉片裂紋均位于前排葉片靠?jī)?nèi)環(huán)葉根處，裂紋細(xì)長(zhǎng)彎曲，垂直葉身方向。斷口形貌分析結(jié)果顯示，裂紋斷口具有多源疲勞斷裂特征，起裂應(yīng)力大。裂紋起源于靠進(jìn)氣邊葉盆側(cè)，往葉背側(cè)擴(kuò)展。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作受力狀況分析，該葉片為靜子葉片，主要承受氣動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的振動(dòng)應(yīng)力，而發(fā)動(dòng)機(jī)返廠后進(jìn)行工廠試車(chē)，性能及整機(jī)振動(dòng)合格;因此，裂紋是局部振動(dòng)(整流器)造成的，與整機(jī)振動(dòng)無(wú)必然聯(lián)系。

而從裂紋多源的特征來(lái)看，裂紋起裂應(yīng)力較大，裂紋位置位于葉片葉盆根部靠近進(jìn)氣邊(前緣)位置，與設(shè)計(jì)理論計(jì)算得到的葉片一彎族模態(tài)應(yīng)力最大點(diǎn)位置吻合，整流器葉片在一彎位置出現(xiàn)疲勞裂紋往往與振動(dòng)有關(guān)，而作為靜子葉片，正常工作下不可能存在很大的振動(dòng)應(yīng)力，共振激振源應(yīng)該來(lái)源于大小葉片軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的尾流激振。雙排整流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之葉片制造過(guò)程中的各種偏差，葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)某一過(guò)渡轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子葉片的尾流激振頻率有可能與葉片固有頻率相吻合，產(chǎn)生共振。尾流激振頻率隨轉(zhuǎn)速改變，整流器葉片裂紋主要在外場(chǎng)試車(chē)時(shí)出現(xiàn)，由于外場(chǎng)試車(chē)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在空慢轉(zhuǎn)速(25 000 r/min)使用頻率較高，而內(nèi)場(chǎng)空慢使用少，停留時(shí)間短，裂紋的起源應(yīng)該與外場(chǎng)空慢轉(zhuǎn)速有關(guān)。外場(chǎng)試車(chē)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在25000 r/min空慢轉(zhuǎn)速時(shí)的激振頻率為12×25/60=5 kHz;事實(shí)上，據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，葉片轉(zhuǎn)速的12倍諧頻的一彎0節(jié)徑共振轉(zhuǎn)速范圍為24155～26 147 r/min(即一階彎曲固有頻率約為4.8～5.2 kHz)，剛好覆蓋空慢轉(zhuǎn)速頻率。當(dāng)2頻率接近甚至發(fā)生重疊，葉片產(chǎn)生共振，而此時(shí)葉片進(jìn)氣邊應(yīng)力值最大，一旦超過(guò)材料的疲勞抗力，則產(chǎn)生裂紋;另一方面葉片葉根處葉型經(jīng)打磨修整后進(jìn)氣邊葉根處葉型偏薄，使得材料疲勞抗力下降，加速裂紋的萌生。

3 結(jié)論

1)軸流壓氣機(jī)雙排整流器葉片裂紋為疲勞裂紋;

2)裂紋產(chǎn)生原因是壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的氣流尾流激振頻率與整流器葉片固有頻率發(fā)生重疊，產(chǎn)生共振;

3)葉片葉根處葉型經(jīng)打磨修整后葉片偏薄使得疲勞抗力降低，促進(jìn)裂紋的萌生。

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