發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片損傷形式的研究分析

王曉雯

摘要：針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)單元體葉片損傷的形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，高壓壓氣機(jī)葉片的主要損傷形式為腐蝕、卷邊，凹坑，疲勞裂紋，斷裂等。通過(guò)損傷現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)，對(duì)損傷原因的分析，可以幫助航空公司營(yíng)運(yùn)人在發(fā)動(dòng)機(jī)使用和高壓壓氣機(jī)維修工作范圍的制定上提供相應(yīng)參考，以提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能、保障運(yùn)行可靠性，杜絕安全隱患的方法。

關(guān)鍵詞：高壓壓氣機(jī)葉片;損傷

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片損傷是運(yùn)行過(guò)程中的常見(jiàn)故障，本文基于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片多種損傷形式進(jìn)行研究分析，并介紹了葉片損傷檢查標(biāo)準(zhǔn)及修理方案，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用和高壓壓氣機(jī)葉片的維修具有廣泛和積極的作用。

1高壓壓氣機(jī)葉片簡(jiǎn)介

高壓壓氣機(jī)為11級(jí)軸流式壓氣機(jī)，由轉(zhuǎn)子和靜子組成。采用可控?cái)U(kuò)散轉(zhuǎn)子葉型，進(jìn)口級(jí)、5級(jí)、6級(jí)和7級(jí)為可調(diào)靜子葉片，使發(fā)動(dòng)機(jī)具有較大的喘振裕度。前四級(jí)葉片用軸向燕尾型榫頭，后七級(jí)葉片采用環(huán)形燕尾榫頭，因?yàn)檗D(zhuǎn)速高，葉根根部、輪盤(pán)承受的載荷極大。高壓壓氣機(jī)將來(lái)自低壓壓氣機(jī)的空氣進(jìn)行壓縮并將壓縮后的空氣經(jīng)擴(kuò)散機(jī)匣傳送給燃燒室。HPC最大的壓縮能力大約為460 PSI（3170kPa）

壓氣機(jī)葉片的工作環(huán)境：轉(zhuǎn)速高，每分鐘要達(dá)到數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)。最大轉(zhuǎn)速除PW4052和PW4152為10 300 r/min外，其余均為10 450 r/min。轉(zhuǎn)速高可以使得壓氣機(jī)在尺寸小，重量輕的條件下，得到所需的性能（即給定的空氣質(zhì)量流量和增壓比），滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)性能設(shè)計(jì)的基本要求，這是有利的一面，但是在高轉(zhuǎn)速條件下，轉(zhuǎn)子零件及其連接處要承受巨大的慣性力、氣體力、扭矩和復(fù)雜的震動(dòng)負(fù)荷。由于葉片不僅受較高的離心負(fù)荷，氣動(dòng)負(fù)荷，大氣溫差負(fù)荷及震動(dòng)交變負(fù)荷影響，同時(shí)還受到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道外來(lái)物的沖擊，受風(fēng)沙，潮濕的侵蝕等，所以要求葉片在剛性和強(qiáng)度，抗外物打傷能力和包容能力方面要強(qiáng)，因?yàn)槿~片在振動(dòng)的條件下會(huì)產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，所以葉片的設(shè)計(jì)也求避免共振。但同時(shí)高壓壓氣機(jī)工作葉片單薄、量多、尺寸形狀復(fù)雜經(jīng)常會(huì)發(fā)生損傷。其可能損傷的形式有：腐蝕、卷邊，凹坑，裂紋，掉塊等。

轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片的材料分為鈦合金（Titanium alloy）和鎳基合金（Nickel base alloy），其中鈦合金具有耐高溫，重量輕，比強(qiáng)度高，抗腐蝕能力強(qiáng)的特點(diǎn)。但是鈦合金溫度超過(guò)400攝氏度時(shí)則強(qiáng)度降低，因此鈦合金用于發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫部分。鎳基合金具有屈服強(qiáng)度高，較高的耐腐蝕，抗氧化的特點(diǎn)，因此使用在后3級(jí)溫度較高部分的葉片。

2常見(jiàn)造成葉片損傷的原因分析

常見(jiàn)造成葉片損傷的原因主要有以下幾方面：

（1）氣候原因造成HPC葉片的損傷：HPC葉片存在腐蝕性環(huán)境中，并且腐蝕性環(huán)境綜合作用很容易使得壓氣機(jī)葉片發(fā)生腐蝕。常見(jiàn)的腐蝕環(huán)境有：潮濕大氣、海洋性大氣、城市和工業(yè)污染。這些環(huán)境都會(huì)誘發(fā)和促進(jìn)壓氣機(jī)葉片的腐蝕。

（2）外來(lái)物損傷FOD（FOREIGN OBJECT DAMAGE）：頻繁發(fā)生FOD使葉片表面出現(xiàn)凹痕或缺口，同時(shí)引起局部殘余拉應(yīng)力。轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片受到較高的離心慣性力和尾流激振引起的振動(dòng)應(yīng)力，發(fā)生高周疲勞，而FOD極易成為疲勞源，從而大大降低疲勞壽命[1]。葉片的沖擊損傷使高周疲勞壽命顯著降低，影響葉片高周疲勞壽命的主要因素是拉應(yīng)力作用下材料中缺陷引起的微塑性，F(xiàn)OD在缺口附近產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力與循環(huán)載荷作用下缺口處拉應(yīng)力集中相疊加，從而造成損傷。

（3）內(nèi)部自身原因（EOD）造成HPC葉片損傷：發(fā)動(dòng)機(jī)自身零件因未在所要求的工作位，掉落之后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的損傷。例如：發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中，固定的鎖片由于未完全裝配，造成在發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中鎖片脫落，沿著氣流通道向后擊傷葉片。損傷機(jī)理與FOD相同。

（4）由于喘振造成的HPC葉片損傷：壓氣機(jī)是在給定的進(jìn)氣條件、轉(zhuǎn)速、增壓比和空氣流量設(shè)計(jì)的。但是其工作狀態(tài)（工作環(huán)境的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速和空氣流量等）實(shí)際上都是變化的。當(dāng)壓氣機(jī)的增壓比大到某一數(shù)值時(shí)，壓氣機(jī)就會(huì)進(jìn)入不穩(wěn)定工作狀態(tài)，很容易發(fā)生喘振，使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生低頻大振幅的氣流軸向脈動(dòng)，甚至發(fā)生瞬間氣流倒流的現(xiàn)象。壓氣機(jī)喘振可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞甚至葉片斷裂。

（5）由于振動(dòng)造成的HPC葉片損傷：壓氣機(jī)葉片常因振動(dòng)而產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。振動(dòng)分為兩類(lèi)：一類(lèi)是在周期性外力作用下發(fā)生的葉片振動(dòng)，成為強(qiáng)迫振動(dòng)。周期性的外力來(lái)自工作輪葉片和整流器葉片之間的相互干擾，工作輪葉片的旋轉(zhuǎn)失速等。另一類(lèi)是由葉片自身的振動(dòng)以及相鄰葉片自身振動(dòng)相互干擾而形成的，稱(chēng)為葉片自激振動(dòng)或葉片顫振。為了避免葉片顫振，在葉片設(shè)計(jì)過(guò)程中要改變它們的固有頻率。

3 OEM手冊(cè)對(duì)葉片損傷檢查標(biāo)準(zhǔn)及修理方案介紹

3.1轉(zhuǎn)子葉片檢查標(biāo)準(zhǔn)（以5級(jí)轉(zhuǎn)子為例）

按照OEM手冊(cè)的檢查要求，需要對(duì)5級(jí)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行目視檢查和尺寸檢查（如圖1），目視檢查主要檢查轉(zhuǎn)子葉片是否存在壓坑、磨損、劃痕和鎖片丟失等現(xiàn)象，尺寸檢查是在葉片呈單件狀態(tài)下，使用測(cè)量工具檢查葉片形狀輪廓的尺寸是否滿(mǎn)足手冊(cè)要求[3]。

3.2轉(zhuǎn)子葉片修理方案（以5級(jí)轉(zhuǎn)子為例）

針對(duì)HPC5級(jí)轉(zhuǎn)子葉片常見(jiàn)故障，CIR（Check， Inspection & Repair）檢查修理手冊(cè)的修理方案有：葉根噴丸、翼型噴丸、葉根防咬劑恢復(fù)、翼型打磨、葉尖電鍍（專(zhuān)利修理）、葉根噴涂（專(zhuān)利修理）、翼型拋光（專(zhuān)利修理）。

3.3靜子葉片檢查標(biāo)準(zhǔn)（以5級(jí)靜子為例）

按照OEM手冊(cè)的檢查要求，需要對(duì)5級(jí)靜子葉片進(jìn)行目視檢查和尺寸檢查（如圖2），目視檢查主要檢查靜子葉片是否存在壓坑、磨損、劃痕、破損和腐蝕等現(xiàn)象，尺寸檢查是在靜子葉片呈單件狀態(tài)下，使用測(cè)量工具檢查葉片形狀輪廓的尺寸是否滿(mǎn)足手冊(cè)要求。

3.4靜子葉片修理方案（以5級(jí)靜子為例）

針對(duì)HPC5級(jí)靜子葉片常見(jiàn)故障，CIR手冊(cè)的修理方案有：打磨修理、噴玻璃丸、內(nèi)外耳軸噴涂、耳軸槽焊修（專(zhuān)利修理）、翼型拋光（專(zhuān)利修理）。

4結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造業(yè)制約著中國(guó)航空業(yè)的發(fā)展，目前國(guó)產(chǎn)民航發(fā)動(dòng)機(jī)正處于起步階段，高壓壓氣機(jī)單元體屬于發(fā)動(dòng)機(jī)核心單元體，飽含材料和關(guān)鍵技術(shù)核心。高壓壓氣機(jī)葉片的可靠性決定單元體和發(fā)動(dòng)機(jī)的使用時(shí)間和維修周期，所以希望通過(guò)葉片的損傷分析在葉片的材料選用和制造上起到幫助作用，推動(dòng)民航發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]康繼東，陳士煊，徐志懷，饒新陽(yáng).壓氣機(jī)葉片外物損傷及其維修性的研究進(jìn)展[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，1998（01）：1-2.

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