某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)鋸齒冠渦輪葉片葉冠間隙擴(kuò)展規(guī)律研究

栗尼娜

（中國(guó)航發(fā)貴州航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，貴陽(yáng)550081）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片裝配數(shù)量多，工作條件惡劣，因此在使用的過(guò)程中失效概率相對(duì)較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的失效事件中，轉(zhuǎn)子葉片故障占發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)故障的45%左右[1]。轉(zhuǎn)子葉片的失效模式隨工作條件的不同而有所不同，主要有外物損傷、變形伸長(zhǎng)和斷裂等3種[2]。外物損傷大都出現(xiàn)在壓氣機(jī)葉片上，尤其是壓氣機(jī)的前幾級(jí)葉片上[3]，由外物損傷而導(dǎo)致的葉片斷裂失效屢有發(fā)生，并且曾因此引發(fā)過(guò)機(jī)毀人亡的飛行事故。如何防止轉(zhuǎn)子葉片的外物損傷至今仍是航空界普遍關(guān)注的重大課題之一。轉(zhuǎn)子葉片的變形伸長(zhǎng)失效的直接后果是葉身與機(jī)匣相磨，危及發(fā)動(dòng)機(jī)的使用可靠性，判斷葉片是否發(fā)生變形伸長(zhǎng)的主要依據(jù)是檢查機(jī)匣有無(wú)磨損的痕跡或檢查葉片是否由于使用溫度偏高而發(fā)生蠕變。轉(zhuǎn)子葉片的斷裂失效出現(xiàn)的概率最高，其危害性一般較大，尤其是葉片榫頭或根部斷裂的模式，很可能由于1個(gè)葉片的斷裂而打壞其他葉片，甚至使整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法工作而危及飛行安全，某型發(fā)動(dòng)機(jī)配裝的渦輪葉片就曾因榫頭斷裂故障造成等級(jí)事故若干起[4]。轉(zhuǎn)子葉片的斷裂失效絕大多數(shù)是疲勞斷裂失效，而葉片疲勞斷裂失效又以由于振動(dòng)引起的高周疲勞失效的模式較為常見(jiàn)，約占葉片斷裂故障的80%[1]，導(dǎo)致葉片高周疲勞失效的主要原因?yàn)槿~片振動(dòng)阻尼失效。葉片振動(dòng)阻尼包括結(jié)構(gòu)阻尼、氣動(dòng)阻尼和界面摩擦阻尼，直接影響結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的大小，其中界面摩擦阻尼，尤其是干摩擦阻尼（渦輪葉冠、緣板阻尼盒等）是減小和抑制葉片響應(yīng)，最大限度降低高周疲勞的最重要的手段之一[5-6]。

配裝某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鋸齒冠渦輪葉片在實(shí)際外場(chǎng)使用過(guò)程中發(fā)生了若干起同一模式的葉片于近葉冠的葉身處折斷的故障，這里簡(jiǎn)稱“掉冠”故障。故障研究結(jié)果表明，故障性質(zhì)為高周疲勞，是葉片葉冠嚙合面在使用過(guò)程中逐步磨損產(chǎn)生間隙使葉冠阻尼失效；出現(xiàn)間隙后，葉冠間隙在使用過(guò)程中進(jìn)一步擴(kuò)展到一定水平，使葉片在較大的振動(dòng)應(yīng)力下發(fā)生斷裂破壞[7]，該“掉冠”故障模式不會(huì)危及飛行安全，但其斷裂會(huì)導(dǎo)致渦輪葉片、機(jī)匣等相關(guān)零部件的二次損傷，極大程度上影響了裝備的完好率[7]。歷次“掉冠”故障分析認(rèn)為，故障均在葉片葉冠出現(xiàn)一定水平間隙的情況下發(fā)生[8]。為保證外場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用安全，減少故障發(fā)生率，外場(chǎng)使用中采取了定期監(jiān)控葉冠間隙情況的措施，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制使用。目前，隨著該鋸齒冠渦輪葉片外場(chǎng)總使用時(shí)數(shù)的不斷累積，外場(chǎng)葉冠出現(xiàn)間隙發(fā)動(dòng)機(jī)的子樣及其監(jiān)控記錄的不斷增加，使得對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)鋸齒冠渦輪葉片葉冠間隙擴(kuò)展規(guī)律的進(jìn)一步研究成為可能。此外，當(dāng)前外場(chǎng)主要通過(guò)定期監(jiān)控葉冠總間隙情況對(duì)葉冠出現(xiàn)間隙的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制使用，而總間隙的測(cè)量需要擴(kuò)開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)加力擴(kuò)散器進(jìn)行，外場(chǎng)監(jiān)控措施操作性不強(qiáng)。

考慮上述情況，本文主要基于鋸齒冠渦輪葉片葉冠間隙的外場(chǎng)監(jiān)控檢查記錄開(kāi)展葉冠間隙擴(kuò)展規(guī)律的統(tǒng)計(jì)分析，包括葉冠間隙擴(kuò)展典型規(guī)律和擴(kuò)展速率的分析，葉片松動(dòng)數(shù)量和間隙對(duì)應(yīng)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析，以及葉冠出現(xiàn)間隙發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)使用情況的統(tǒng)計(jì)分析，為后續(xù)提出更加合理、有效、可操作性強(qiáng)的外場(chǎng)監(jiān)控措施提供參考和指導(dǎo)。

1 間隙擴(kuò)展規(guī)律

1.1 統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)說(shuō)明

考慮葉片掉冠故障為葉片各壽命階段均可能出現(xiàn)的故障模式，與葉片的使用壽命無(wú)明顯關(guān)聯(lián)，故從前期積累的196臺(tái)次[8]葉冠出現(xiàn)間隙的發(fā)動(dòng)機(jī)中選取了間隙記錄比較完整的112臺(tái)次發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)間隙檢查記錄的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為樣本，開(kāi)展了葉片葉冠間隙擴(kuò)展特點(diǎn)和規(guī)律的詳細(xì)分析與研究。

1.2 葉冠間隙擴(kuò)展典型規(guī)律和擴(kuò)展速率的分析

從統(tǒng)計(jì)的112臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的間隙記錄[9]來(lái)看，葉冠出現(xiàn)間隙的階段工作時(shí)間一般在100 h以上。

從112個(gè)紀(jì)錄中整理出能夠體現(xiàn)總間隙由小到大擴(kuò)展情況的28臺(tái)次發(fā)動(dòng)機(jī)作為樣本，分析葉冠間隙擴(kuò)展的持續(xù)時(shí)間。分析結(jié)果表明間隙由小到大擴(kuò)展的平均持續(xù)時(shí)間為58 h。

上述統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，葉冠從最初配合狀態(tài)到產(chǎn)生間隙的工作時(shí)間明顯比間隙由小到大擴(kuò)展的工作時(shí)間長(zhǎng)，小間隙出現(xiàn)后會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)展為較大間隙?？偨Y(jié)葉冠間隙因磨損而擴(kuò)展的整個(gè)過(guò)程，主要包含以下2個(gè)典型的階段：

（1）間隙穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段。從出廠的“緊”配合狀態(tài)到葉片階段工作時(shí)間t0時(shí)，葉冠間的過(guò)盈配合由于磨損而逐步消失成為0間隙或小間隙配合狀態(tài)的過(guò)程，該過(guò)程在間隙擴(kuò)展的整個(gè)過(guò)程來(lái)看持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，認(rèn)為該段擴(kuò)展過(guò)程為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明該段過(guò)程持續(xù)時(shí)間一般在100 h以上，間隙穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展的平均速率估算值約為0.12 mm/h。

（2）間隙異常擴(kuò)展階段。葉片在經(jīng)歷穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段達(dá)到一定的小間隙后，間隙擴(kuò)展速率呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，即隨著間隙的逐步擴(kuò)展，間隙擴(kuò)展速率也逐步上升。在此階段，葉冠間隙以異?？焖俚臄U(kuò)展速率由小間隙繼續(xù)擴(kuò)展到較大水平。統(tǒng)計(jì)分析表明異常擴(kuò)展階段持續(xù)時(shí)間平均水平為58 h，對(duì)葉片掉冠或出現(xiàn)裂紋的發(fā)動(dòng)機(jī)異常擴(kuò)展階段的平均擴(kuò)展速率進(jìn)行了估算，最高達(dá)0.42 mm/h，平均為0.26 mm/h。

基于上述特點(diǎn)，繪制發(fā)動(dòng)機(jī)II級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子葉冠間隙隨葉片階段工作時(shí)間的變化過(guò)程曲線，其變化趨勢(shì)如圖1所示[10]。

圖1 葉冠總間隙擴(kuò)展趨勢(shì)

1.3 松動(dòng)葉片數(shù)量和間隙的對(duì)應(yīng)關(guān)系統(tǒng)計(jì)

由于在外場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)不擴(kuò)開(kāi)加力擴(kuò)散器情況下無(wú)法開(kāi)展總間隙測(cè)量工作，但比較方便對(duì)松動(dòng)葉片數(shù)量進(jìn)行檢查，因此開(kāi)展了松動(dòng)葉片數(shù)量同葉冠間隙對(duì)應(yīng)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)，以期通過(guò)確定松動(dòng)葉片數(shù)量控制標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的使用。

考慮到全臺(tái)葉片松動(dòng)對(duì)應(yīng)的間隙數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確確定，且不唯一，而松動(dòng)葉片數(shù)量少時(shí)，松動(dòng)葉片數(shù)量與葉冠間隙的對(duì)應(yīng)關(guān)系會(huì)因松動(dòng)葉片數(shù)量的微小偏差而產(chǎn)生較大變化，全臺(tái)葉片松動(dòng)和松動(dòng)葉片數(shù)量≤5片對(duì)應(yīng)的間隙樣本不適合作為該統(tǒng)計(jì)的樣本。從統(tǒng)計(jì)的112臺(tái)次發(fā)動(dòng)機(jī)中選擇了葉冠間隙和松動(dòng)葉片數(shù)量存在對(duì)應(yīng)關(guān)系的46個(gè)樣本數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，葉片葉冠間隙增加時(shí)，松動(dòng)葉片數(shù)量相應(yīng)地也增加。二者比例關(guān)系的計(jì)算結(jié)果為：近90%的樣本葉冠間隙和松動(dòng)葉片數(shù)量的比例關(guān)系低于0.15 mm/片；10%的樣本數(shù)據(jù)超過(guò)0.15 mm/片，最大為0.25 mm/片。綜上所述可初步確定，葉冠間隙和松動(dòng)葉片數(shù)量近似存在0.15 mm/片的比例關(guān)系，即松動(dòng)葉片數(shù)量每增加1片，葉冠間隙近似增加0.15 mm，該結(jié)論使外場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)在葉片葉冠出現(xiàn)間隙后在剩余壽命期內(nèi)采用葉片松動(dòng)數(shù)量作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制使用的標(biāo)準(zhǔn)成為可能。

此外，依據(jù)掉冠發(fā)動(dòng)機(jī)間隙記錄情況繪制的松動(dòng)葉片數(shù)量隨階段工作時(shí)間變化關(guān)系，如圖2所示。從圖中可見(jiàn)，掉冠發(fā)動(dòng)機(jī)松動(dòng)葉片數(shù)量隨階段工作時(shí)間的擴(kuò)展過(guò)程也同葉冠間隙一樣存在短時(shí)異常擴(kuò)展的現(xiàn)象，異常擴(kuò)展時(shí)間在50 h左右，從某種程度上驗(yàn)證了松動(dòng)葉片數(shù)量同葉冠間隙之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系的結(jié)論，同時(shí)，異常擴(kuò)展時(shí)間與統(tǒng)計(jì)得到的異常擴(kuò)展的平均時(shí)間58 h基本相當(dāng)。

圖2 葉片掉冠發(fā)動(dòng)機(jī)松動(dòng)葉片數(shù)量隨階段工作時(shí)間的變化關(guān)系[3]

1.4 葉冠出現(xiàn)間隙的發(fā)動(dòng)機(jī)使用情況統(tǒng)計(jì)

針對(duì)14臺(tái)葉片掉冠或出現(xiàn)裂紋的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及從統(tǒng)計(jì)的112個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)樣本中選取葉冠間隙超標(biāo)返廠和監(jiān)控已到達(dá)翻修壽命期限的發(fā)動(dòng)機(jī)，以其首次發(fā)現(xiàn)葉冠間隙的工作時(shí)間為數(shù)據(jù)樣本（樣本總計(jì)94個(gè)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：

（1）14個(gè)葉片掉冠和出現(xiàn)裂紋發(fā)動(dòng)機(jī)樣本首次發(fā)現(xiàn)葉冠間隙的階段工作時(shí)間均在200 h以內(nèi)。

（2）葉冠間隙超標(biāo)返廠發(fā)動(dòng)機(jī)共計(jì)29臺(tái)，其首次發(fā)現(xiàn)葉冠間隙的階段工作時(shí)間基本在210 h以內(nèi)。

（3）監(jiān)控已到達(dá)翻修壽命期限的發(fā)動(dòng)機(jī)共計(jì)41臺(tái)，其首次發(fā)現(xiàn)葉冠間隙的階段工作時(shí)間基本在215 h以上。

上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，階段工作時(shí)間200 h以內(nèi)發(fā)現(xiàn)葉冠間隙或葉片松動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)很難正常使用至翻修壽命。

2 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)鋸齒冠渦輪葉片葉冠間隙擴(kuò)展規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，葉冠總間隙擴(kuò)展存在以下典型特征：

（1）葉冠間隙存在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和異常擴(kuò)展階段，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展時(shí)間一般在100 h以上，異常擴(kuò)展時(shí)間在50 h左右。

（2）松動(dòng)葉片數(shù)量同葉冠總間隙存在一定的比例關(guān)系。

（3）葉冠首次發(fā)現(xiàn)間隙的階段工作時(shí)間較短（一般在200 h以內(nèi)）的發(fā)動(dòng)機(jī)很難正常工作至翻修壽命。

3 建議

考慮上述研究成果，建議后續(xù)在外場(chǎng)葉冠間隙監(jiān)控過(guò)程中引入葉片松動(dòng)情況檢查的監(jiān)控措施，以改善外場(chǎng)監(jiān)控措施的可操作性，同時(shí)，通過(guò)制定合理的間隙控制標(biāo)準(zhǔn)，盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作處在葉片葉冠間隙的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，以便對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行合理的控制使用。

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