壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉根斷裂故障分析

劉國庫，劉　冬（.海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽005；.中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽005）

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壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉根斷裂故障分析

劉國庫1，劉冬2
（1.海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽110015；2.中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

摘要：針對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)磨合試車過程中出現(xiàn)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉根斷裂故障，利用故障樹的排查方法，從材料、設(shè)計(jì)、工藝、冶金、實(shí)物加工、裝配、使用等方面進(jìn)行了詳細(xì)的排查，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析，明確了轉(zhuǎn)、靜子碰摩是故障發(fā)生的主要原因，轉(zhuǎn)、靜子不同心導(dǎo)致涂層和蜂窩發(fā)生偏摩，以及轉(zhuǎn)子葉片根部的加工痕跡明顯促進(jìn)了故障的發(fā)生。針對(duì)故障原因，提出了控制裝配和葉片加工質(zhì)量、改進(jìn)磨合程序、加強(qiáng)葉片檢查的改進(jìn)措施，使故障得以解決。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子葉片；斷裂；碰摩；偏摩；故障分析；壓氣機(jī)；燃?xì)廨啓C(jī)

引用格式：劉國庫，劉冬.壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉根斷裂故障分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016,42（3）：93-97.LIU Guoku,LIU Dong.Fracture failure analysis for blade root of compressor[J].Aeroengine,2016,42(3):93-97.

0　引言

壓氣機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其主要作用是提升來流壓力和溫度[1-2]。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子葉片除承受氣動(dòng)負(fù)荷外，主要承受離心載荷[3]。在過渡態(tài)時(shí)，由于靜子機(jī)匣和轉(zhuǎn)子的變形不協(xié)調(diào)，轉(zhuǎn)子葉片葉尖與靜子機(jī)匣會(huì)發(fā)生碰摩，轉(zhuǎn)子葉片還會(huì)受到碰摩沖擊力作用[4-5]。

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片受力情況復(fù)雜，葉片斷裂故障是發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的常見故障。葉片斷裂，輕則打傷其它葉片，重則使整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢。因此，研究葉片斷裂故障發(fā)生的機(jī)理，提前采取措施，避免故障的發(fā)生非常必要。

本文對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)（以下簡(jiǎn)稱燃機(jī)）在磨合試車過程中發(fā)生的壓氣機(jī)第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉根斷裂故障進(jìn)行分析，從材料、設(shè)計(jì)、工藝、冶金、實(shí)物加工、裝配、使用等方面開展工作，分析故障產(chǎn)生的機(jī)理和原因，提出排除故障的措施。

1　故障概述

某型燃機(jī)經(jīng)由航機(jī)適應(yīng)性修改設(shè)計(jì)，主要用作中國艦船的動(dòng)力裝置。其壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)繼承了航機(jī)結(jié)構(gòu)，針對(duì)燃機(jī)特殊要求進(jìn)行了適應(yīng)性修改設(shè)計(jì)。

其中1臺(tái)燃機(jī)在試車臺(tái)進(jìn)行磨合試車時(shí)，在升轉(zhuǎn)過程中突然出現(xiàn)失穩(wěn)，并有異響，隨后將燃機(jī)拉停。停車后搖轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子均卡滯。將燃機(jī)下臺(tái)分解后發(fā)現(xiàn)，壓氣機(jī)第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片有1片從葉根處斷裂，第4級(jí)及后面級(jí)葉片打傷、變形。斷裂葉片形貌如圖1所示。在壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪部件及排氣裝置處發(fā)現(xiàn)金屬屑。至故障發(fā)生時(shí)，該臺(tái)燃機(jī)共試車1 h12 min。

圖1 第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片斷裂

故障發(fā)生時(shí)的試車曲線如圖2所示。從圖中可見，前、后機(jī)匣振動(dòng)突增約1 s后，壓氣機(jī)出口壓力急劇降低。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，燃機(jī)首先發(fā)生葉片斷裂，進(jìn)而引起壓氣機(jī)失穩(wěn)。

圖2 試車曲線

2　類似故障

經(jīng)查，該燃機(jī)的原型航機(jī)也曾在發(fā)動(dòng)機(jī)磨合試車階段發(fā)生過2次第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉根裂紋故障[6]，故障發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)間分別只有6 h38 min和6 h23 min。故障葉片裂紋位置如圖3所示。2個(gè)故障葉片榫頭工作面上有較嚴(yán)重并呈對(duì)角分布的擠壓痕跡，葉尖黏有涂層，并且摩擦痕跡嚴(yán)重，葉片對(duì)應(yīng)的第4級(jí)轉(zhuǎn)子外環(huán)塊涂層磨損嚴(yán)重，并有大面積脫落現(xiàn)象，裂紋葉片榫頭磨痕形貌如圖4所示。

圖3 故障葉片裂紋位置實(shí)物

圖4 裂紋葉片榫頭磨痕形貌

經(jīng)排查分析，裂紋為起源于葉背表面的多源疲勞裂紋，產(chǎn)生裂紋的葉片在工作過程中受到了較大的外力沖擊。產(chǎn)生多源疲勞裂紋的主要原因是葉片和機(jī)匣之間發(fā)生了嚴(yán)重碰摩，涂層結(jié)合力不好，大面積脫落，使葉片受到較大碰摩力作用；葉型偏差導(dǎo)致其徑向變形高于其它葉片，加重該葉片的碰摩，使其在旋轉(zhuǎn)過程中受到更大的切向碰摩力作用，這種非正常的外力沖擊是導(dǎo)致葉片根部損傷萌生裂紋的主要原因。第4級(jí)葉片與機(jī)匣間設(shè)計(jì)間隙偏小，在磨合試車過程中葉片與機(jī)匣涂層嚴(yán)重碰摩，涂層附著在葉尖使葉片被接長，加重了碰摩程度。

對(duì)航機(jī)第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉根裂紋故障采取的排故措施是增加第4級(jí)轉(zhuǎn)、靜子徑向間隙；補(bǔ)充、完善磨合試車程序和要求，增加轉(zhuǎn)速磨合臺(tái)階和磨合時(shí)間；控制葉片和涂層加工質(zhì)量。

3　燃機(jī)葉片斷裂故障原因排查

根據(jù)燃機(jī)故障發(fā)生的現(xiàn)象，參考航機(jī)故障排查情況，推演編制了轉(zhuǎn)子葉片葉根斷裂故障的故障樹[7]，分析形成4個(gè)主要中間事件、共61個(gè)底事件，并針對(duì)每個(gè)底事件開展排查工作。61項(xiàng)底事件中有57項(xiàng)底事件被排除，有4項(xiàng)不能排除，分別為：轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣涂層沖擊碰摩；葉片型面超差；葉片表面有加工痕跡；磨合試車程序不完善。故障樹排查情況見表1。故障原因分析主要圍繞該4項(xiàng)工作展開。

表1 各子故障樹排查情況統(tǒng)計(jì)

3.1冶金分析

故障件的斷口特征是分析故障原因最直接而有力的證據(jù)，其斷口分析結(jié)論，往往決定著故障排查的方向。對(duì)斷裂葉片進(jìn)行了斷口分析，觀察了故障葉片的宏觀形貌、微觀形貌、故障處的加工痕跡、榫頭擠壓痕跡，對(duì)故障葉片斷口成分、金相組織、硬度等進(jìn)行了分析，得出結(jié)論如下：

（1）故障葉片為多源疲勞斷裂，疲勞起始應(yīng)力較大[8-11]；疲勞起源于葉背的加工痕跡；疲勞源區(qū)未見冶金缺陷，斷裂葉片的宏觀形貌和微觀形貌如圖5、6所示。

圖5 斷口宏觀形貌

圖6 斷口微觀形貌

（2）故障臺(tái)所有葉片葉背根部轉(zhuǎn)接R存在不同程度的加工痕跡，斷裂葉片加工痕跡明顯且較多。

（3）斷裂葉片榫頭有明顯的呈對(duì)角的擠壓痕跡。

（4）葉片材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求[12]。

從冶金分析的結(jié)論來看，本次故障排查方向應(yīng)該在查找葉片產(chǎn)生大應(yīng)力的原因上。

3.2設(shè)計(jì)復(fù)查

（1）燃機(jī)第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片與原準(zhǔn)機(jī)的技術(shù)狀態(tài)相同；

（2）與燃機(jī)狀態(tài)相同的第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片在航機(jī)上使用時(shí)間超過50000 h，通過磨合試車的發(fā)動(dòng)機(jī)從未發(fā)生類似故障。

（3）葉片、輪盤圖紙的更改與本次故障不相關(guān)；

（4）燃機(jī)第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片靜強(qiáng)度儲(chǔ)備滿足要求，工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無有害振動(dòng)；

（5）在類似結(jié)構(gòu)的航機(jī)上進(jìn)行第4級(jí)葉片的動(dòng)應(yīng)力測(cè)量，葉片動(dòng)強(qiáng)度滿足要求；

（6）在燃機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，正常情況下轉(zhuǎn)子軸系不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的有害振動(dòng)；

1.生長發(fā)育快，物質(zhì)代謝旺盛。仔豬出生重一般為1.2 kg左右，不到成年豬體重的1%，但生長發(fā)育迅速，10日齡體重可達(dá)出生時(shí)的2～3倍，30日齡達(dá)5～6倍。仔豬的強(qiáng)烈生長，是以旺盛的物質(zhì)代謝為基礎(chǔ)，20日齡的仔豬，每千克體重需沉積蛋白質(zhì)9～14 g，相當(dāng)于成年豬的30多倍，每千克體重所需代謝凈能為成年豬的3倍左右，礦物質(zhì)代謝也高于成年豬?？梢?，仔豬對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的需要，在數(shù)量和質(zhì)量上都相當(dāng)高，對(duì)營養(yǎng)不全極為敏感。

（7）從燃機(jī)長試后間隙測(cè)量情況來看，第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計(jì)間隙合理；

（8）相似發(fā)動(dòng)機(jī)上發(fā)生的故障，與燃機(jī)相關(guān)的排故措施均已聯(lián)動(dòng)落實(shí)；

（9）燃機(jī)磨合程序參考航機(jī)低速磨合程序制訂。

以上復(fù)查結(jié)論說明，葉片斷裂故障與葉片設(shè)計(jì)無關(guān)。航機(jī)的磨合程序分低、中、高轉(zhuǎn)速3個(gè)階段，由于燃機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速較低，磨合程序參考航機(jī)低速磨合程序制訂，但二者使用狀態(tài)不同，轉(zhuǎn)、靜子變形也不同，只參照航機(jī)低速磨合程序磨合燃機(jī)存在不合理性。

3.3質(zhì)量復(fù)查

產(chǎn)品的制造和裝配質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的壽命有直接影響。對(duì)葉片及相關(guān)件的制造、裝配過程，試車過程，葉片、輪盤、機(jī)匣涂層的實(shí)際尺寸進(jìn)行了復(fù)查和測(cè)量，發(fā)現(xiàn)如下問題：

（1）燃機(jī)試車前搖轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)過轉(zhuǎn)子卡滯現(xiàn)象，后經(jīng)過多次搖轉(zhuǎn)解除；

（2）從涂層和蜂窩磨損測(cè)量情況來看，燃機(jī)存在轉(zhuǎn)、靜子不同心現(xiàn)象，第1～3級(jí)葉片涂層（第4級(jí)葉片以后損傷，無法測(cè)量）和蜂窩偏摩，第3級(jí)涂層偏摩0.29 mm，第4級(jí)蜂窩偏摩約0.4 mm，圖層和蜂窩偏摩情況如圖7所示；

圖7 涂層蜂窩偏摩

（3）燃機(jī)的裝配基準(zhǔn)進(jìn)氣機(jī)匣止口跳動(dòng)存在超差，對(duì)涂層和蜂窩偏摩有作用；

（4）通過測(cè)量其它燃機(jī)第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉型，發(fā)現(xiàn)葉片靠近葉尖截面位置度有偏向葉背超差，最大超差0.271 mm，使葉片在工作時(shí)徑向變形量增加；

（5）復(fù)測(cè)新轉(zhuǎn)子組合件磨葉尖后的葉尖直徑，尺寸有變化（第4級(jí)葉片變化最大，達(dá)到0.048 mm）；

（6）轉(zhuǎn)子前、后支點(diǎn)的不同心度為0.138（半徑方向）。

從實(shí)物質(zhì)量復(fù)查及試車過程來看，燃機(jī)在試車前既有轉(zhuǎn)子搖不動(dòng)的現(xiàn)象，發(fā)生故障后測(cè)量未損壞的涂層和蜂窩磨損情況，又發(fā)現(xiàn)偏摩，說明在燃機(jī)工作時(shí)存在轉(zhuǎn)、靜子不同心現(xiàn)象。

4　故障機(jī)理

（1）從故障件斷口分析結(jié)果來看，斷口為多源疲勞，疲勞起始應(yīng)力較大。

（2）轉(zhuǎn)子葉片大應(yīng)力的來源有2種可能：一是葉片存在共振[13]。航機(jī)第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明葉片動(dòng)強(qiáng)度儲(chǔ)備滿足要求；葉片共振頻率下的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)（振動(dòng)應(yīng)力為1300 MPa）裂紋斷口形貌為單源疲勞，與故障葉片斷口特征不符，共振斷口和多源疲勞斷口形貌對(duì)比如圖8所示。因此，可排除葉片由于共振產(chǎn)生裂紋或斷裂；超過50000h使用時(shí)間未發(fā)生故障的事實(shí)，也可排除葉片由于共振產(chǎn)生裂紋或斷裂。二是由于葉尖與機(jī)匣涂層碰摩使葉片承受非正常沖擊力。

圖8 斷口形貌對(duì)比

由以下故障特征，判斷故障葉片葉尖受到較大的非正常沖擊力。首先，燃機(jī)故障件斷口形貌與航機(jī)故障特征相同，均為多源疲勞斷口形貌，說明葉片受力較大，航機(jī)故障件斷口宏觀形貌如圖9所示；其次，故障葉片榫頭工作面存在非常重的對(duì)角擠壓痕跡，如圖10所示；最后，故障燃機(jī)的涂層和蜂窩存在嚴(yán)重偏摩現(xiàn)象。

圖9 航機(jī)故障件斷口

圖10 榫頭擠壓痕跡

（3）造成葉尖受到較大非正常沖擊力的原因如下。

由機(jī)匣涂層偏摩可判斷轉(zhuǎn)、靜子不同心，第1次上臺(tái)時(shí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子搖不動(dòng)，經(jīng)分析和觀察是轉(zhuǎn)子篦齒和靜子蜂窩局部碰摩，也映證了轉(zhuǎn)、靜子不同心。由第1～3級(jí)葉片涂層的偏摩量可推斷第4級(jí)轉(zhuǎn)子處的偏心量約為0.15 mm；進(jìn)氣機(jī)匣止口跳動(dòng)超差影響第4級(jí)葉片附近偏心量0.07mm，轉(zhuǎn)子前、后支點(diǎn)不同心量影響第4級(jí)葉片處偏心量0.03mm，二者綜合影響第4級(jí)葉片處偏心約0.10mm，剩余0.05mm的偏心量可能與裝配、軸承活動(dòng)量、振動(dòng)等因素有關(guān)。轉(zhuǎn)、靜子不同心會(huì)使葉片在工作過程中承受較大的沖擊載荷。

雖然故障燃機(jī)的第4級(jí)葉片全部打傷，葉型無法測(cè)量，但由其它燃機(jī)第4級(jí)葉片的測(cè)量結(jié)果來看，也不排除因故障葉片型面超差造成工作過程中葉片徑向變形增大，加劇故障葉片與機(jī)匣涂層碰摩沖擊。

（4）葉片抗疲勞能力下降。從葉片表面質(zhì)量及葉型測(cè)量結(jié)果來看，葉片故障部位存在明顯的拋光痕跡、粗糙度不滿足要求，均會(huì)降低葉片的抗疲勞能力[14]；偏向背側(cè)的超差使葉身根部背側(cè)的靜應(yīng)力提高。二者都會(huì)降低葉片的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

綜上所述，葉片受到非正常碰摩沖擊力，在故障部位產(chǎn)生較高應(yīng)力；葉型超差使故障部位靜應(yīng)力進(jìn)一步提高；故障部位表面質(zhì)量較差，抗疲勞能力降低。以上因素疊加，導(dǎo)致葉片故障部位應(yīng)力超出許用值，裂紋萌生并快速斷裂。

5　故障原因

綜合以上分析結(jié)果，得出葉片短時(shí)間即發(fā)生斷裂的原因：

（1）轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣涂層的異常碰摩是本次故障的主要原因；異常碰摩的原因是機(jī)匣與轉(zhuǎn)子不同心；斷裂葉片最“長”是可能的原因。

（2）故障葉片根部的加工痕跡明顯且較多，降低了葉片的疲勞強(qiáng)度，促進(jìn)了裂紋的萌生。

綜上，設(shè)計(jì)上未對(duì)機(jī)匣與轉(zhuǎn)子同心度提出要求，生產(chǎn)裝配環(huán)節(jié)未加以控制，以及葉型位置度超差、機(jī)匣止口跳動(dòng)超差等，導(dǎo)致整機(jī)裝配后轉(zhuǎn)子與機(jī)匣實(shí)際間隙局部變小，在燃機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子葉片受離心力和熱負(fù)荷作用，葉片徑向伸長，與機(jī)匣發(fā)生異常碰摩，導(dǎo)致最長葉片斷裂。故障葉片根部的加工痕跡明顯、較多，且噴丸沒有完全覆蓋加工痕跡，促進(jìn)了裂紋萌生。

6　措施及驗(yàn)證情況

6.1排故措施

根據(jù)故障發(fā)生的機(jī)理和原因，從以下幾方面采取措施，防止類似故障發(fā)生。

（1）嚴(yán)格控制裝配質(zhì)量，完善燃機(jī)裝配要求，增加支點(diǎn)同軸度要求，控制轉(zhuǎn)、靜子不同心度，防止轉(zhuǎn)、靜子偏摩；

（2）控制葉片的加工質(zhì)量，對(duì)轉(zhuǎn)子葉片葉型采用3坐標(biāo)測(cè)量機(jī)抽檢，防止葉片超差；

（3）嚴(yán)格控制進(jìn)氣機(jī)匣加工尺寸，特別是重要的止口、基準(zhǔn)等部位；

（4）完善磨合試車程序，增加磨合階段和磨合臺(tái)階，減小轉(zhuǎn)速臺(tái)階跨度，防止轉(zhuǎn)、靜子過度碰摩；

（5）對(duì)轉(zhuǎn)子葉片加強(qiáng)檢查，除正常的檢查外，如果試車后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)、靜子異常碰摩，即對(duì)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行熒光檢查。

6.2驗(yàn)證情況

以上故障排除措施已經(jīng)在4臺(tái)燃機(jī)上進(jìn)行了試車驗(yàn)證。試車后，對(duì)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行無損探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，對(duì)涂層磨損情況進(jìn)行目視檢查和測(cè)量，磨損正常，證明排故措施有效。

7　結(jié)束語

燃?xì)廨啓C(jī)既可以作為艦船的動(dòng)力裝置，保障國防建設(shè)的需要，又可以作為發(fā)電裝置，應(yīng)用于油、氣田和大型建筑工地等的應(yīng)急發(fā)電，應(yīng)用前景可謂十分廣闊[15]。

雖然某型燃機(jī)由航機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)而來，繼承了航機(jī)的成熟結(jié)構(gòu)，但燃機(jī)的使用環(huán)境和狀態(tài)均有其特殊性，在研制和批量使用過程中出現(xiàn)問題不可避免。通過暴露問題，解決問題的過程，可使燃機(jī)的可靠性不斷提高，逐步走向成熟。

本文介紹的故障分析排除過程，不僅適用于解決壓氣機(jī)第4級(jí)轉(zhuǎn)子葉片斷裂故障，對(duì)解決所有因轉(zhuǎn)、靜子碰摩引起的故障，均有借鑒意義。

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（編輯：趙明菁）

Fracture Failure Analysis for Blade Root of Compressor

LIU Guo-ku1,LIU Dong2
（1.Naval Consumer Representative Office of Engine in Shenyang,Shenyang 110015,China;2.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

Abstract:Focus on the fracture faultofthe compressor blade root in the process of running-in,the fault was checked in material, design,technology,metallurgy,processing,assembly and usage by using Fault Tree Analysis (FTA). The measurement date was deeply analyzed,and the rub-impact between rotor and stator was clearly found to be the main cause of the fault.It is because of the rotor was not concentric with the stator,which causing rub failures between coating and honeycomb.Moreover,the process marks of root blade roots apparently contributed to the fault. As a result,improving the qualities of assembly and processing,the running-in procedure and strengthening blade inspection were proposed to solve the faults.

Key words:rotor blade;fracture;rub-impact;eccentric wear;failure analysis;compressor;gas turbine

中圖分類號(hào)：V231.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.03.018

收稿日期：2015-12-10基金項(xiàng)目：燃?xì)廨啓C(jī)工程研究項(xiàng)目資助

作者簡(jiǎn)介：劉國庫（1978），男，工程師，從事艦船燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷、測(cè)試、維修與全壽命保障技術(shù)研究工作；E-mail：24712333@qq.com。