某型燃?xì)廨啓C(jī)封嚴(yán)盤(pán)疲勞裂紋機(jī)理分析

劉本武，隋雪冰，邢 雷

（1.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽(yáng)110043；3.駐沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，沈陽(yáng)110043）

0 引言

輪盤(pán)是燃?xì)廨啓C(jī)的重要組成部分，其失效原因有蠕變、高周疲勞、低周疲勞等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)）以往所發(fā)生的各類(lèi)機(jī)械斷裂失效故障中，轉(zhuǎn)動(dòng)部件故障占80%以上[1]，其中輪盤(pán)疲勞失效造成的損失尤其嚴(yán)重。因此，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)）的關(guān)鍵零、部件[2-3]進(jìn)行機(jī)械疲勞破壞評(píng)估時(shí)，應(yīng)考慮高周疲勞和低周疲勞以及其相互作用引起的損傷，這對(duì)確保零件的結(jié)構(gòu)完整性是非常重要的[4-6]。

某燃?xì)廨啓C(jī)高壓壓氣機(jī)封嚴(yán)盤(pán)是其重要的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，工作時(shí)存在前、后壓力梯度和旋轉(zhuǎn)碰摩的情況。另外，該封嚴(yán)輪盤(pán)直徑較大，輪緣無(wú)很好支撐，采用螺栓連接結(jié)構(gòu)，工作中容易產(chǎn)生振動(dòng)疲勞。疲勞產(chǎn)生的原因不僅僅是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，還有加工質(zhì)量、裝配、修理或不當(dāng)使用等誘發(fā)因素[7-10]。航空發(fā)達(dá)國(guó)家一般采用小直徑、短螺栓連接的封嚴(yán)盤(pán)結(jié)構(gòu)（如CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)），其工作載荷小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性高，很少發(fā)生裂紋等疲勞失效。某型燃?xì)廨啓C(jī)的封嚴(yán)盤(pán)直徑大，且輻板上存在均壓孔結(jié)構(gòu)，正是這個(gè)“關(guān)鍵特性”部位在使用中多次發(fā)生裂紋故障。

本文通過(guò)系統(tǒng)研究某型燃?xì)廨啓C(jī)封嚴(yán)盤(pán)均壓孔的裂紋故障，確認(rèn)了封嚴(yán)盤(pán)裂紋性質(zhì)是高周疲勞；分析了均壓孔應(yīng)力水平和封嚴(yán)盤(pán)的振動(dòng)特性并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；最后給出故障原因，并有針對(duì)性地提出了改進(jìn)方向和措施。

1 故障形貌和斷口分析

1.1 故障形貌

在對(duì)1臺(tái)某型燃?xì)廨啓C(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的封嚴(yán)盤(pán)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該盤(pán)的32個(gè)均壓孔中有4個(gè)孔顯示異常，經(jīng)分解檢查發(fā)現(xiàn)孔邊兩側(cè)均有較明顯的裂紋，均位于均壓孔的周向位置（孔的3、9點(diǎn)鐘位置），裂紋形貌如見(jiàn)圖1所示。

圖1 封嚴(yán)盤(pán)-均壓孔裂紋形貌

1.2 斷口分析

為查找裂紋原因，需要進(jìn)行斷口分析：進(jìn)行宏觀分析，初步判斷裂紋的起源和擴(kuò)展方向以及斷口性質(zhì)；進(jìn)行微觀分析，即通過(guò)電子顯微鏡或光學(xué)顯微鏡觀察來(lái)判定裂紋類(lèi)型及機(jī)理[11]。

宏觀分析：裂紋疲勞源區(qū)均起始于均壓孔與前幅板的轉(zhuǎn)接R 處，由封嚴(yán)盤(pán)前幅板向后幅板方向擴(kuò)展，裂紋性質(zhì)為多源疲勞斷裂。裂紋斷口的典型形貌如圖2所示。

圖2 均壓孔裂紋斷口宏觀形貌

微觀分析：對(duì)打開(kāi)的微裂紋斷口進(jìn)行電子掃描，疲勞源區(qū)斷口比較平坦，擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶（如圖3所示）細(xì)密，條帶間距小于1μm。材質(zhì)未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷、腐蝕和外來(lái)物損傷等痕跡。

圖3 斷口上細(xì)密疲勞條帶

1.3 金相組織及成分

為進(jìn)一步分析裂紋故障，從故障件切取試樣，進(jìn)行材料的金相組織、硬度以及成分等分析：斷口觀察疲勞源區(qū)未見(jiàn)冶金和加工缺陷；金相組織晶粒度符合ASTME112標(biāo)準(zhǔn)3～4級(jí)晶粒度，如圖4所示；硬度HB（d）=3.17，符合要求；化學(xué)成分結(jié)果符合封嚴(yán)盤(pán)的合金材料標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 金相組織晶粒度形貌

1.4 綜合斷口觀察分析

通過(guò)對(duì)故障件進(jìn)行斷口觀察、材料的金相組織、硬度以及材料成分等分析表明：裂紋斷口檢查無(wú)冶金和加工缺陷；疲勞裂紋起源于均壓孔與封嚴(yán)盤(pán)前輻板圓角處；封嚴(yán)盤(pán)裂紋為疲勞裂紋，疲勞條帶非常細(xì)密，屬高周疲勞性質(zhì)；以裂紋起始部位及走向?yàn)橐罁?jù)，分析封嚴(yán)盤(pán)在工作狀態(tài)下受到了彎曲振動(dòng)應(yīng)力。

2 封嚴(yán)盤(pán)的應(yīng)力分析

為從理論上進(jìn)一步分析驗(yàn)證上述結(jié)論，對(duì)封嚴(yán)盤(pán)進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析工作[12-14]。

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 坐標(biāo)系定義

在對(duì)封嚴(yán)盤(pán)進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算時(shí)，是按循環(huán)對(duì)稱問(wèn)題處理的，因此建立坐標(biāo)系為總體柱坐標(biāo)系，其坐標(biāo)系原點(diǎn)在軸線上。X 軸為軸線方向，Z 軸為半徑方向，Y 軸為周向，如圖5所示。

圖5 封嚴(yán)盤(pán)的3維有限元模型及邊界條件

2.1.2 計(jì)算模型的建立

根據(jù)封嚴(yán)盤(pán)模型及載荷的對(duì)稱特性，做11.25°的扇形段（取1/32的盤(pán)）作為計(jì)算模型（圖5）。

2.1.2.1 網(wǎng)格劃分

在ANSYS軟件中將特征點(diǎn)坐標(biāo)讀入，定義實(shí)體單元和殼單元，運(yùn)用殼單元對(duì)目標(biāo)面進(jìn)行四邊形自由網(wǎng)格劃分，再運(yùn)用實(shí)體單元對(duì)盤(pán)體進(jìn)行四面體自由網(wǎng)格劃分并清除目標(biāo)面上的面單元（圖5）。

2.1.2.2 邊界條件

（1）由于封嚴(yán)盤(pán)與前3級(jí)盤(pán)、承力環(huán)和軸通過(guò)螺栓連接在一起的。為考慮這些零件對(duì)封嚴(yán)盤(pán)的影響，將組件中各個(gè)接觸面上的節(jié)點(diǎn)位移協(xié)調(diào)，加載各級(jí)葉片離心力、各級(jí)盤(pán)體溫度場(chǎng)、高壓最大狀態(tài)轉(zhuǎn)速，計(jì)算出封嚴(yán)盤(pán)盤(pán)心的徑向位移為0.5mm。將該位移值作為盤(pán)模型內(nèi)孔處的初始徑向位移，并約束內(nèi)孔周向自由度（圖5）。

（2）耦合圖5中2個(gè)目標(biāo)面上節(jié)點(diǎn)的所有自由度；

（3）為模擬裝配狀態(tài)，將輪緣前端面軸向約束，而對(duì)螺栓連接端面加上軸向初始位移0.9mm（裝配時(shí)規(guī)定的封嚴(yán)盤(pán)軸向變形量），方向?yàn)槟鏆饬鞣较颉?/p>

2.1.2.3 外載荷

在最大狀態(tài)（轉(zhuǎn)速100%）下采用測(cè)溫漆對(duì)封嚴(yán)盤(pán)進(jìn)行測(cè)溫試驗(yàn)，得到穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

將封嚴(yán)盤(pán)各截面的溫度加載后進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，得到封嚴(yán)盤(pán)溫度場(chǎng)分布，如圖6所示。

表1 封嚴(yán)盤(pán)地面最大狀態(tài)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

圖6 封嚴(yán)盤(pán)溫度場(chǎng)分布

2.2 應(yīng)力計(jì)算分析

考慮到封嚴(yán)盤(pán)工作狀態(tài)的變形預(yù)應(yīng)力，為了全面了解封嚴(yán)盤(pán)工作應(yīng)力情況，建立了封嚴(yán)盤(pán)的應(yīng)力計(jì)算模型，同時(shí)考慮了溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響，選取了幾個(gè)典型工作狀態(tài)進(jìn)行分析。封嚴(yán)盤(pán)材料（GH742）性能數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[15]。

采用ANSYS程序中的靜應(yīng)力分析方法得到各典型狀態(tài)下的封嚴(yán)盤(pán)應(yīng)力分布。其中，在最大工作狀態(tài)下的封嚴(yán)盤(pán)均壓孔徑向應(yīng)力分布如圖7所示，周向應(yīng)力分布如圖8所示。

圖7 封嚴(yán)盤(pán)均壓孔的徑向應(yīng)力分布

圖8 封嚴(yán)盤(pán)均壓孔的周向應(yīng)力分布

在各典型狀態(tài)下封嚴(yán)盤(pán)均壓孔應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。在最大狀態(tài)（轉(zhuǎn)速100%狀態(tài)）下各主要部位溫度、周向和徑向應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表3。

從表2中可見(jiàn)，溫度場(chǎng)對(duì)均壓孔孔邊的徑向應(yīng)力影響較大，約占總徑向應(yīng)力的53.5%。在轉(zhuǎn)速100%的狀態(tài)下，最大徑向應(yīng)力（945MPa）位于靠近封嚴(yán)盤(pán)前端面均壓孔孔邊3點(diǎn)和9點(diǎn)位置，而不是螺栓孔位置，該結(jié)果與封嚴(yán)盤(pán)故障位置吻合。

表2 封嚴(yán)盤(pán)均壓孔孔邊徑向應(yīng)力

表3 在最大狀態(tài)下封嚴(yán)盤(pán)各部位應(yīng)力分布

3 封嚴(yán)盤(pán)模態(tài)和共振特性分析

為了解某燃?xì)廨啓C(jī)封嚴(yán)盤(pán)是否存在共振特性，通過(guò)對(duì)其氣體流路和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，尋找可能的激振因素。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行共振分析，確定與封嚴(yán)盤(pán)均壓孔周向裂紋故障關(guān)聯(lián)的振型、振動(dòng)應(yīng)力和主要的激振因素。

3.1 有限元模型和固有頻率

為準(zhǔn)確模擬封嚴(yán)盤(pán)的邊界條件，根據(jù)某燃?xì)廨啓C(jī)高壓轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立的計(jì)算模型為整機(jī)初始裝配狀態(tài)模型——封嚴(yán)盤(pán)前面3級(jí)盤(pán)與封嚴(yán)盤(pán)和高壓軸的組件模型，如圖9所示，在靜頻計(jì)算時(shí)，不計(jì)葉片的影響；在動(dòng)頻計(jì)算時(shí)，在各級(jí)盤(pán)的榫槽中添加模擬葉片質(zhì)量。

圖9 初始裝配狀態(tài)下計(jì)算模型

3.1.1 邊界條件

靜頻計(jì)算采用邊界條件：將組件模型中所有配合面處節(jié)點(diǎn)的周向、軸向位移協(xié)調(diào)；約束7級(jí)盤(pán)輪緣及輻板拉緊螺栓處（圖中A處）節(jié)點(diǎn)的軸向、周向位移。

振動(dòng)特性計(jì)算采用邊界條件：將組件模型中所有配合面處節(jié)點(diǎn)的周向、軸向位移協(xié)調(diào)；約束7級(jí)盤(pán)輪緣及輻板拉緊螺栓處（圖中A處）節(jié)點(diǎn)的軸向位移；約束高壓軸拉緊螺栓處節(jié)點(diǎn)的軸向位移（圖中B處）。邊界條件的加載如圖9所示。

3.1.2 外載荷

在靜頻計(jì)算時(shí)，外載荷為拉緊螺栓軸向預(yù)緊力，取室溫20℃。在整機(jī)初始裝配狀態(tài)下所有拉緊螺栓軸向預(yù)緊力的方向?yàn)槟鏆饬鞣较颍▓D9中的B處）。

在動(dòng)頻計(jì)算時(shí)，拉緊螺栓軸向預(yù)緊力與靜頻計(jì)算時(shí)的相同；各級(jí)葉片離心力在建立計(jì)算模型時(shí)已考慮；轉(zhuǎn)速選取70%、85%、100%3個(gè)轉(zhuǎn)速狀態(tài)；為簡(jiǎn)化計(jì)算，采取單個(gè)零件上加載均溫的方式，結(jié)合高壓壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)的測(cè)溫試驗(yàn)結(jié)果，確定出設(shè)計(jì)點(diǎn)的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)性能試車(chē)錄取數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，其他零件溫度按設(shè)計(jì)點(diǎn)的溫度分布規(guī)律插值得到溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表4。

表4 溫度場(chǎng)數(shù)據(jù) ℃

3.1.3 計(jì)算結(jié)果

在不同轉(zhuǎn)速下頻率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，靜頻計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比見(jiàn)表6。

表5中出現(xiàn)0/1和1/1振型各2種頻率，主要是由于封嚴(yán)盤(pán)處于內(nèi)外支撐約束條件下，且出現(xiàn)的0/1和1/1振型的節(jié)圓節(jié)線并不相同，不是相同振型。

對(duì)表6中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可知，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的頻率值在低階的階次和振型上有差異，這是由于試驗(yàn)時(shí)封嚴(yán)篦齒和盤(pán)高壓軸連接部位的節(jié)圓線難以清楚呈現(xiàn)，需對(duì)試驗(yàn)做進(jìn)一步改進(jìn)；但2/0、3/0、4/0、5/0、6/0節(jié)徑型振動(dòng)的頻率值和振型吻合得較好。

3.2 封嚴(yán)盤(pán)共振特性分析

輪盤(pán)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，節(jié)徑型振動(dòng)會(huì)發(fā)生行波或行波共振，此時(shí)輪盤(pán)上有較大的振幅和振動(dòng)應(yīng)力。當(dāng)盤(pán)腔激振力的階次和輪盤(pán)節(jié)徑數(shù)互為倍數(shù)關(guān)系時(shí)，易發(fā)生后行波共振[16]。

表5 不同轉(zhuǎn)速下頻率計(jì)算結(jié)果

表6 靜頻計(jì)算值及與試驗(yàn)值的對(duì)比

分析該型燃?xì)廨啓C(jī)的氣流流路和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在低壓渦輪軸3個(gè)進(jìn)氣孔和后機(jī)匣6個(gè)腔處的激振因素可能與封嚴(yán)盤(pán)的振動(dòng)有關(guān)，對(duì)此進(jìn)行行波共振分析。

（1）低渦軸3個(gè)通氣孔激勵(lì)分析

在激振階次k 分別為1、3時(shí)，封嚴(yán)盤(pán)對(duì)應(yīng)3節(jié)徑振型時(shí)后行波共振轉(zhuǎn)速的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。從表中可見(jiàn)對(duì)應(yīng)3節(jié)徑振型時(shí)后行波共振在高轉(zhuǎn)速下沒(méi)有交點(diǎn)，在低壓渦輪軸3個(gè)進(jìn)氣孔處無(wú)激勵(lì)起危險(xiǎn)振動(dòng)的可能性。

（2）后機(jī)匣6個(gè)腔激勵(lì)分析

在k=1、2、3、6時(shí)，封嚴(yán)盤(pán)對(duì)應(yīng)2、3節(jié)徑振型時(shí)后行波共振轉(zhuǎn)速的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表7 3節(jié)徑振動(dòng)時(shí)共振分析結(jié)果

表8 2、3節(jié)徑振動(dòng)時(shí)共振分析結(jié)果

后行波共振圖如圖10所示。從圖中可見(jiàn)，2、3節(jié)徑后行波頻率曲線與階次K=6的激振線在n2相對(duì)轉(zhuǎn)速0.99和1.01相交，在此可能產(chǎn)生后行波共振。封嚴(yán)盤(pán)典型節(jié)徑振型如圖11、12所示。

圖10 后機(jī)匣6個(gè)腔激勵(lì)后行波共振

圖11 封嚴(yán)盤(pán)2節(jié)徑/0節(jié)圓振型和相對(duì)徑向振動(dòng)應(yīng)力分布

圖12 封嚴(yán)盤(pán)3節(jié)徑/0節(jié)圓振型和相對(duì)徑向振動(dòng)應(yīng)力分布

通過(guò)以上2種可能存在的激勵(lì)源共振分析表明：某燃?xì)廨啓C(jī)在高轉(zhuǎn)速工作范圍內(nèi)存在2節(jié)徑/0節(jié)圓、3節(jié)徑/0節(jié)圓振型的后行波曲線與6E激振線在100%轉(zhuǎn)速附近相交的可能性。

3.3 封嚴(yán)盤(pán)后腔振動(dòng)噪聲測(cè)量驗(yàn)證

利用振動(dòng)噪聲原理測(cè)量了封嚴(yán)盤(pán)后腔壓力脈動(dòng)情況，間接判定出封嚴(yán)盤(pán)的振動(dòng)情況。

3.3.1 試車(chē)程序

（1）慢掃描由慢車(chē)至全加力狀態(tài)再到慢車(chē)；

（2）慢掃描由慢車(chē)至最大狀態(tài)再到80%，以2%的轉(zhuǎn)速間隔升轉(zhuǎn)速，每個(gè)掃描轉(zhuǎn)速停留時(shí)間為1min。

3.3.2 測(cè)試結(jié)果

各轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)果時(shí)域頻域譜如圖13所示，在噪聲頻率中，1744Hz與封嚴(yán)盤(pán)3節(jié)徑/0節(jié)圓振型的共振頻率一致，且該頻率分量在90%（n2）以上一直存在，當(dāng)盤(pán)阻尼不足時(shí)可能激起該振型共振。

圖13 各轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)果時(shí)域頻域譜

噪聲測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果表明，后卸荷腔內(nèi)氣體存在脈動(dòng)，且主要頻率與封嚴(yán)盤(pán)3節(jié)圓/0節(jié)徑振型共振頻率接近。后機(jī)匣的6個(gè)支板結(jié)構(gòu)是不可能更改的，因此，封嚴(yán)盤(pán)可能引發(fā)振動(dòng)也是不可避免的。

4 結(jié)論

（1）某型燃?xì)廨啓C(jī)高壓壓氣機(jī)封嚴(yán)盤(pán)均壓孔裂紋為高周疲勞性質(zhì)，屬于原始設(shè)計(jì)缺陷。

（2）經(jīng)強(qiáng)度分析與實(shí)踐表明，該封嚴(yán)盤(pán)最薄弱環(huán)節(jié)為均壓孔，而非螺栓孔部位。

（3）經(jīng)振動(dòng)分析與振動(dòng)噪聲測(cè)量表明，封嚴(yán)盤(pán)3節(jié)圓/0節(jié)徑振型頻率在設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速附近與6E激振頻率的裕度很小，且該振型下的最大相對(duì)徑向振動(dòng)應(yīng)力發(fā)生在均壓孔所處凸臺(tái)部位。

在燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)避免采用類(lèi)似結(jié)構(gòu)封嚴(yán)盤(pán)，最好采用小直徑、短螺栓連接或焊接結(jié)構(gòu)封嚴(yán)盤(pán)。另外，該類(lèi)封嚴(yán)盤(pán)在修理過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)均壓孔孔邊的狀態(tài)控制，在使用過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)探傷檢查，以保證燃?xì)廨啓C(jī)安全可靠。

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