某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片故障分析及排除方法研究

韓偉 宗劍

摘要：壓氣機(jī)是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉片給空氣作功以提高空氣壓力的部件，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片是壓氣機(jī)的重要組成部分。在壓氣機(jī)的工作過程中常常因?yàn)槿~片振動(dòng)而產(chǎn)生故障，因此對(duì)壓氣機(jī)葉片常見故障進(jìn)行分析提出排除方案具有重要意義。本文對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的常見故障進(jìn)行研究，通過案例闡述了壓氣機(jī)葉片的斷裂故障以及相應(yīng)的排故方法。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);壓氣機(jī)葉片;故障排除

中圖分類號(hào)：V263.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0058-02

0? 引言

壓氣機(jī)葉片是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一。壓氣機(jī)葉片暴露于復(fù)雜惡劣的工作條件下，受高速氣流的直接侵蝕以及灰塵、沙子和碎石等異物的沖擊，壓氣機(jī)葉片容易失效，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障。因此研究發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片故障機(jī)理并分析故障排除方法對(duì)壓氣機(jī)葉片安全性的提高具有積極重要的意義。葉片的物理故障主要為斷裂和裂紋兩種形式，本文主要就斷裂故障形式展開討論。以某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，先闡述其壓氣機(jī)葉片的斷裂現(xiàn)象，并對(duì)該斷裂現(xiàn)象從宏觀和微觀角度進(jìn)行故障分析，從而得出故障原因，最后提出排故方法及提高葉片抗疲勞強(qiáng)度的措施，并通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1? 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片概述

壓氣機(jī)是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中利用高速旋轉(zhuǎn)的葉片給空氣作功以提高空氣壓力的部件。壓氣機(jī)葉片分為定子葉片和轉(zhuǎn)子葉片。其中旋轉(zhuǎn)葉片通常被稱為轉(zhuǎn)子葉片或工作葉片，而定子葉片被稱為導(dǎo)向葉片。定子葉片主要是把壓縮過來的氣流進(jìn)行整流和擴(kuò)壓，定葉的角度可調(diào)節(jié)以便增加效率。定子葉片位于前部，而轉(zhuǎn)子葉片在后部工作。壓氣機(jī)的工作葉片一般由葉身和榫頭組成。在燃燒室中產(chǎn)生的高溫高壓氣體流經(jīng)定子葉片，并通過管道匯聚將一些壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能而進(jìn)行整流和加速，沖擊下一行工作葉片。

2? 壓氣機(jī)葉片斷裂故障

2.1 壓氣機(jī)葉片斷裂的故障現(xiàn)象

現(xiàn)一某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中出現(xiàn)燃?xì)鉁囟绕叩漠惓，F(xiàn)象，返廠試車過程中壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生斷裂。通過分解檢查和理化分析，確定各斷裂葉片的斷裂性質(zhì)及首斷件，并對(duì)其斷口進(jìn)行宏觀和顯微分析，并做出故障分析和結(jié)論，最后得到排故方案。經(jīng)返廠檢查后發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)盤發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象如圖2所示：葉片盤上的石墨烯有明顯的刮痕，但沒有全部脫落。Ⅰ級(jí)靜子葉片進(jìn)氣邊緣未見明顯損傷，但每片葉片葉盆面葉根處均有一處變形排氣邊及葉盆面損傷明顯。Ⅱ級(jí)靜子也有明顯的損傷現(xiàn)象但排氣邊較進(jìn)氣邊損傷嚴(yán)重，葉根處有撕裂現(xiàn)象，其他靜子葉片雖無整片斷裂現(xiàn)象但還是有明顯的局部斷裂處。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)附件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)線位移傳感器插針頂部存在變形現(xiàn)象如圖3所示。

2.2 壓氣機(jī)葉片斷裂的故障分析

從斷口宏觀和痕跡上看，Ⅱ級(jí)葉片斷口分為2類斷口形貌。其中一類為疲勞擴(kuò)展充分的疲勞斷裂，此類故障葉片較少，僅有2葉片為此類，如圖4所示。另一類葉片的疲勞斷裂是由可見較小面積的多個(gè)線性起源的小疲勞臺(tái)階組成。

Ⅲ級(jí)葉片均在葉片根部折斷，并未發(fā)現(xiàn)疲勞擴(kuò)展充分的疲勞區(qū)，綜上看來受損程度較為嚴(yán)重。從微觀角度觀察斷口，用掃描電鏡微觀觀察Ⅱ級(jí)盤葉片，疲勞擴(kuò)展充分，葉片疲勞起源于距進(jìn)氣邊約6.4mm的葉盆側(cè)，呈單個(gè)點(diǎn)源特征，源區(qū)未見冶金缺陷，擴(kuò)展區(qū)可見細(xì)密的疲勞條帶，如圖5所示?？梢钥吹綌嗫诤笃诳梢娦』【€，斷口基本被磨平。

Ⅲ級(jí)盤上每葉片上基本都在葉背上有個(gè)平坦區(qū)，該區(qū)呈現(xiàn)多個(gè)線性的疲勞起源和擴(kuò)展，但擴(kuò)展較小如圖6所示。

2.3? 壓氣機(jī)葉片斷裂故障分析結(jié)論

從宏觀微觀分析來看壓氣機(jī)Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)盤轉(zhuǎn)子葉片全部靠近根部斷裂，Ⅱ級(jí)部分轉(zhuǎn)子為擴(kuò)展性疲勞斷裂，另一部分為多個(gè)線性起源的小疲勞臺(tái)階的疲勞斷裂。為進(jìn)一步排查燃?xì)鉁囟绕咴?，進(jìn)行4種情況下臺(tái)架整機(jī)模擬試驗(yàn)。

①發(fā)動(dòng)機(jī)最大引氣條件。

②放氣活門常開，發(fā)動(dòng)機(jī)最大引氣，安裝常規(guī)進(jìn)氣畸變板（DC60=-0.41）、導(dǎo)葉片角度為13度。

③改裝畸變板（DC60=-1.05），發(fā)動(dòng)機(jī)最大引氣，導(dǎo)葉片角度為3度。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在第4種狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)與外場(chǎng)T45溫度偏高時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)相當(dāng)。

結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)可得出可調(diào)葉片角度偏小是導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片斷裂的原因。

2.4 壓氣機(jī)葉片斷裂的排故措施和效果

①在檢查過程中，用清潔油擦拭葉片，以除去碳和其他沉積物。

②用目視檢查葉片的進(jìn)氣邊，除定期檢查外，還應(yīng)檢查葉片根部區(qū)域是否損壞。

③在葉片上使用噴丸處理可顯著提高葉片的抗疲勞性并延長其使用壽命。選擇五個(gè)普通葉片和五個(gè)噴丸葉片進(jìn)行沖擊吹動(dòng)疲勞測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。顯然，噴丸刀片的疲勞壽命提高了近5到6倍。

3? 結(jié)論

本文主要就壓氣機(jī)葉片斷裂故障展開討論，以某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，先闡述其壓氣機(jī)葉片的斷裂現(xiàn)象，并對(duì)斷裂現(xiàn)象從宏觀和微觀角度進(jìn)行觀察，觀察結(jié)果表明：Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)盤轉(zhuǎn)子葉片全部靠近根部斷裂，可調(diào)葉片角度偏小是導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片斷裂的原因。最后提出排故方法及提高葉片抗疲勞強(qiáng)度的措施，并通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)葉片使用噴丸處理可顯著提高葉片的抗疲勞性并延長其使用壽命。

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