壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣碰磨試驗研究

楊文強(qiáng)

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241）

航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片葉尖與機(jī)匣內(nèi)壁之間的距離稱為葉尖間隙。為了盡可能減小壓氣機(jī)葉尖氣流損失，提升壓氣機(jī)性能，希望葉尖間隙盡可能小。但葉尖間隙越小，其高速旋轉(zhuǎn)的葉片與機(jī)匣內(nèi)壁之間發(fā)生碰磨的風(fēng)險就越大，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)靜子間隙增大、軸承磨損、葉片折斷等機(jī)械失效[1-4]，從而降低發(fā)動機(jī)安全性和可靠性，危害航空安全[5]。由于碰磨故障機(jī)理和碰磨引發(fā)的系統(tǒng)響應(yīng)的復(fù)雜性，國內(nèi)外很多學(xué)者針對碰磨故障進(jìn)行了大量的研究工作，也取得了豐碩的研究成果。Muszynaka[6]對碰磨過程中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象如摩擦、沖擊以及碰磨轉(zhuǎn)子的振動響應(yīng)等方面進(jìn)行了綜述。Ahmad[7]探討了剛度硬化、不平衡、外阻尼、外激勵頻率、反向渦動、盤的彈性、庫侖摩擦、旋轉(zhuǎn)加速度、扭轉(zhuǎn)載荷、熱效應(yīng)對碰磨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響。Wang 等[8]通過試驗研究了轉(zhuǎn)動葉片和靜子機(jī)匣（采用平板模擬）之間的碰磨接觸現(xiàn)象，研究了葉片徑向力和切向力與侵入深度和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。德國學(xué)者Ahrens 等[9]研究了葉片侵入量和法向接觸力之間的關(guān)系以及摩擦因數(shù)與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

本文主要結(jié)合某型航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)部件葉尖間隙計算結(jié)果以及預(yù)計可能發(fā)生的碰磨工況，根據(jù)壓氣機(jī)部件真實工作條件確定碰磨試驗參數(shù)，對碰磨首發(fā)的轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行了碰磨試驗研究。同時對試驗結(jié)果進(jìn)行了分析，并對壓氣機(jī)部件試驗的碰磨風(fēng)險進(jìn)行了預(yù)測。

1 試驗方法與試驗裝置

試驗方法與試驗裝置的原理如圖1 所示[10]。試驗輪盤在電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動下實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，葉片安裝在輪盤外緣，并在與其相對的180°位置安裝配重葉片用于平衡葉片的離心力。模擬機(jī)匣的涂層平板安裝在高精密雙向進(jìn)給平臺上，可同時實現(xiàn)徑向和軸向的精密進(jìn)給，進(jìn)給速率范圍為1.5～2025μm/s。為模擬葉片工作的實際溫度環(huán)境，采用超音速火焰加熱涂層平板，并使用熱電偶實時監(jiān)測平板溫度。使用三向測力儀實時測量高速碰摩力，平板背面安裝加速度傳感器測量碰摩瞬時的加速度響應(yīng)。根據(jù)碰磨瞬時信號以及平板進(jìn)給速率可計算碰磨深度。試驗過程由計算機(jī)自動控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在線監(jiān)控和記錄轉(zhuǎn)速、葉尖線速度、主軸振動、平板進(jìn)給速率、進(jìn)給深度、加熱溫度等參數(shù)，試驗裝置實物如圖2 所示。

圖1 試驗裝置原理圖

圖2 試驗裝置實物圖

2 試驗過程

為模擬真實的葉片和機(jī)匣的碰磨條件，選取壓氣機(jī)部件中首先碰磨的葉片進(jìn)行試驗，其碰磨時的工作環(huán)境溫度、葉尖切線速度、碰磨時刮入涂層的速率、碰磨深度等均作為試驗設(shè)計時的參考依據(jù)。考慮刮入速率和碰磨深度參數(shù)的預(yù)測誤差，試驗時此參數(shù)有所加大。

壓氣機(jī)部件葉尖間隙最小級為第四級，其轉(zhuǎn)子葉片材料為鈦合金TA19，對應(yīng)機(jī)匣材料為不銹鋼M152，涂層材料為鎳包石墨Metco307 NS-2，工作環(huán)境溫度為200℃左右。結(jié)合壓氣機(jī)部件運行工況、計算得到的可能的碰磨深度以及非預(yù)期的惡劣碰磨工況，確定葉片-機(jī)匣碰磨試驗工況參數(shù)詳見表1。

表1 試驗工況

碰磨試驗所采用的試驗葉片的材料、加工工藝、氣動外形均與真實葉片相同；參考國內(nèi)碰磨試驗經(jīng)驗，忽略機(jī)匣圓弧形狀對試驗的影響，將模擬機(jī)匣設(shè)計為帶涂層的平板，模擬機(jī)匣的材料、加工工藝、涂層硬度等均與真實機(jī)匣相同。被試葉片和平板實物如圖3 所示。

圖3 被試葉片及平板

將被試葉片、平板以及配重葉片裝于試驗臺，啟動試驗臺至規(guī)定葉尖切線速度，調(diào)試超音速火焰使平板溫度穩(wěn)定達(dá)到200℃后，即可啟動平板進(jìn)給裝置以規(guī)定進(jìn)給率進(jìn)行碰磨試驗。試驗完成后將試驗裝置停車，將被試葉片和平板拆除，進(jìn)行目視檢查、拍照、尺寸測量和記錄。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 碰磨試驗現(xiàn)象

在試驗過程中，由于葉片高速旋轉(zhuǎn)，與涂層碰磨過程中有火花出現(xiàn)，火花出現(xiàn)的多少與平板進(jìn)給速率關(guān)系明顯。例如，在350m/s 切線速度下，進(jìn)給率為5μm/s 時火花少量出現(xiàn)，在進(jìn)給率為50μm/s 時火花出現(xiàn)較多，在100μm/s 時火花大量出現(xiàn)。碰磨進(jìn)給速率越大，火花出現(xiàn)越多，說明碰磨接觸力和碰磨能量隨著進(jìn)給速率的增加而增大。同時火花飛濺方向與葉片旋轉(zhuǎn)方向相同，均出現(xiàn)在葉片盆面。

3.2 碰磨對葉片的影響

試驗后對葉片進(jìn)行目視檢查、葉片葉型三坐標(biāo)檢測等分析。

對試驗后的葉片進(jìn)行目視檢查，發(fā)現(xiàn)所有葉片均無目視可見損傷，僅有2 片葉片葉尖背側(cè)存在微量毛刺，且毛刺易掉落，結(jié)合力不強(qiáng)，說明葉片磨損量少。將試驗后葉片與正常未經(jīng)碰磨的葉片對比，發(fā)現(xiàn)所有葉片均無目視可見外觀、形狀和角度改變，也沒有掉塊或破損現(xiàn)象。針對所有被試葉片進(jìn)行了三坐標(biāo)檢測，各葉片三坐標(biāo)檢測結(jié)果如圖4 所示和表2。所有葉片均有微小變形，除個別葉片外，大部分葉片葉尖處變形量比葉根處變形量大，其原因為葉尖處厚度較薄，且葉尖處為懸臂結(jié)構(gòu)，剛度較差，當(dāng)碰磨力施加到葉尖處時，葉尖變形更大。針對碰磨后變形的葉片進(jìn)行了氣動性能影響評估。

圖4 葉型偏差示意圖

表2 葉型測量結(jié)果

以碰磨后葉片變形最大的第5 號葉片為對象，針對碰磨前后的葉片氣動性能進(jìn)行三維數(shù)值分析。進(jìn)口采用標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，計算過程中采用同一套網(wǎng)格，通過逐漸改變出口背壓，得到葉片碰磨前后的氣動性能。計算結(jié)果如圖5 所示，綠線代表碰磨前的葉片出口總壓分布，紫線代表碰磨變形后的葉片出口總壓分布。碰磨后，葉尖葉型發(fā)生周向微小變形，葉尖處變形達(dá)0.12mm，導(dǎo)致靠近葉尖區(qū)域葉片出口總壓分布發(fā)生變化，葉中截面以下總壓分布幾乎未改變。

圖5 碰磨前后出口總壓分布

針對該葉片碰磨前后壓比、效率進(jìn)行三維數(shù)值計算，計算結(jié)果如圖6 和圖7 所示。從圖中可看出，其壓比和效率線幾乎與碰磨變形前的重合，意味著即使是變形最大的轉(zhuǎn)子葉片，其單級氣動特性幾乎沒有變化。碰磨變形對轉(zhuǎn)子的流量、壓比、效率影響幾乎可忽略不計。

圖6 碰磨前后壓比

圖7 碰磨前后效率

3.3 碰磨對涂層的影響

試驗后對涂層進(jìn)行目視檢查、尺寸測量等分析。

試驗后的所有涂層界面均呈現(xiàn)規(guī)則長條形圓弧面，界面光滑、清晰，無破損或掉塊。

試驗后對實際碰磨深度進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)除一組實測深度小于設(shè)計碰磨深度19%外，其他各組實際碰磨深度均大于設(shè)計碰磨深度，試驗結(jié)果是可信的。實測碰磨深度見表3。試驗結(jié)果表明可磨耗涂層鎳包石墨與機(jī)匣的結(jié)合強(qiáng)度、可磨耗性能均良好，不會發(fā)生涂層破損和掉塊現(xiàn)象從而對高速轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生不利影響。

表3 實測碰磨深度

4 結(jié)論

1）碰磨過程中出現(xiàn)火花現(xiàn)象，導(dǎo)致鎳的熔化和在葉片表面的粘結(jié)，葉片表面粗糙度增大，氣體流動易分離。

2）碰磨過程中進(jìn)給率的大小對碰磨影響較大，碰磨進(jìn)給率越大，碰磨能量越大，出現(xiàn)的火花越多。

3）碰磨后葉片無明顯毛刺或破損。

4）碰磨后葉片均發(fā)生較小周向變形，其變形對單級氣動性能影響很小，可以忽略不計。

5）所有試驗結(jié)果表明，采用該種葉片、涂層以及相近工況的壓氣機(jī)部件，即使發(fā)生碰磨情況，也不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)靜子安全問題，同時也不會對氣動性能產(chǎn)生不利影響。

對完成部件性能試驗后的某型壓氣機(jī)進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)該碰磨首發(fā)級個別轉(zhuǎn)子葉片葉尖存在毛刺，無目視可見顯著變形或破損，且對應(yīng)機(jī)匣內(nèi)壁涂層約250mm 弧長區(qū)域存在碰磨痕跡，磨損面界面清晰，涂層無掉塊。上述現(xiàn)象表明該試驗件在預(yù)期試驗工況下發(fā)生葉片與涂層碰磨后未發(fā)生轉(zhuǎn)靜子零件損傷問題，試驗件運轉(zhuǎn)安全。