航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片故障診斷分析方法 Analysis Method of Fault Diagnosis of Turbine Blades for Aero Engines

黃超偉 HUANG Chao-wei 馬樂 MA Le

摘要：發(fā)動機(jī)被稱為飛機(jī)的心臟，而渦輪葉片是航空發(fā)動機(jī)最重要的部件，因此渦輪葉片的可靠性對飛機(jī)來說至關(guān)重要。但它也因工作環(huán)境惡劣的原因成為發(fā)動機(jī)最容易出現(xiàn)故障的地方。因此，航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片的故障檢測、故障分析對飛機(jī)安全飛行意義重大。本文通過對不同狀況下飛機(jī)渦輪葉片所采取不同檢測方法對渦輪葉片上的缺陷進(jìn)行故障檢測與分析，研究葉片失效原因，確保飛機(jī)安全飛行。

Abstract： The engine is called the heart of the aircraft， and the turbine blades are the most important component of the aircraft engine， so the reliability of the turbine blades is critical to the aircraft. But it is also the most prone to engine failure due to poor working conditions. Therefore， the fault detection and fault analysis of turbine blades of aero engines is of great significance to the safe flight of aircraft. In this paper， the fault detection and analysis of defects on turbine blades are carried out by different detection methods taken in different conditions， the causes of blade failure are studied， and the safe flight of aircraft is ensured.

關(guān)鍵詞：渦輪葉片;故障檢測;故障分析;安全飛行

Key words： turbine blades;fault detection;fault analysis;failure

中圖分類號：V263.1? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0125-02

0? 引言

1963-1978年美空軍發(fā)生約3800起飛行事故，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)故障占43.47%，失效原因有：風(fēng)扇葉片斷裂，壓氣機(jī)葉片產(chǎn)生疲勞裂紋、渦輪葉片斷裂等[1]。1998-2003年，我國飛行事故中發(fā)動機(jī)故障占50.5%，其中葉片斷裂約45%[2]。

對于渦輪葉片來說，其科技含量高，我國的航空工業(yè)起步較晚，航空科技領(lǐng)域具有一定的短板。而在先進(jìn)的歐美發(fā)達(dá)國家，渦輪發(fā)動機(jī)從生產(chǎn)到維修，都具有先進(jìn)的技術(shù)保障。比如歐美國家的渦輪發(fā)動機(jī)渦輪前的燃燒的溫度可以經(jīng)達(dá)到了1700K以上溫度而不因熱應(yīng)力和巨大離心力產(chǎn)生失效。不說生產(chǎn)研發(fā)和制造技術(shù)，就單從維修技術(shù)上看，仍有不小差距[3]。從目前我國的渦輪葉片維修現(xiàn)實(shí)情況看，想要提高維修能力，必須要重視對渦輪葉片失效分析的基本研究。資料顯示，近年來航空發(fā)動機(jī)發(fā)生的重大事故中，絕大部分原因都是渦輪葉片失效[4]，如圖1所示。

1? 渦輪葉片故障檢測與分析

在航空發(fā)動機(jī)中，對任何一處缺陷的疏忽，可能就會引發(fā)安全事故。維修人員必須采用有效的檢測技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)缺陷使其更加直觀地顯示出來，從而對缺陷的相關(guān)特征信息進(jìn)行有效的自動提取和識別。維修人員可根據(jù)發(fā)動機(jī)工作時(shí)長、發(fā)動機(jī)工作狀況、發(fā)動機(jī)故障現(xiàn)象等采用不同的檢查方法對發(fā)動機(jī)渦輪葉片進(jìn)行故障檢查分析。

1.1 渦輪葉片檢測方法

1.1.1 孔探檢測? 在發(fā)動機(jī)沒有完全拆解前，我們可以借助孔探儀對渦輪葉片進(jìn)行檢測。首先在直桿鏡上連接適當(dāng)長度的加長直角觀察高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片鏡或者使用側(cè)視鏡進(jìn)行觀察。渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)可以站在風(fēng)扇整流罩的后面，將直桿鏡及直角觀察鏡插人風(fēng)扇內(nèi)機(jī)匣前緣或者需要檢查的孔探口進(jìn)行發(fā)動機(jī)的例行檢查。操作過程中，維修人員要將設(shè)備調(diào)整到合適的視角，并由另一個(gè)工作人員協(xié)助緩慢、勻速地后兩個(gè)孔探口分別對高壓渦輪葉片的前緣、后緣進(jìn)行檢查[5]，如圖2所示。

1.1.2 滲透檢測? 渦輪葉片的滲透檢測是利用毛細(xì)管作用，把融有熒光材料或者著色劑的滲透液涂抹到葉片表面，滲透液由于毛細(xì)作用滲入渦輪葉片的表面缺陷中，清理干凈未滲透入缺陷而遺留在表面的滲透液，經(jīng)干燥后再用顯像劑，利用毛細(xì)作用把缺陷中的滲透液重新吸附到葉片表面上，就可以放大呈現(xiàn)出葉片缺陷的形狀和分布。這種方法可以同時(shí)檢測多個(gè)葉片，在發(fā)動機(jī)大修或檢修時(shí)一般都使用熒光材料來檢測其表面損傷;而在外場條件下，通常使用著色法進(jìn)行檢測。

1.1.3 射線檢測? 渦輪葉片射線檢測是通過設(shè)備發(fā)射X射線，射線在經(jīng)過物體后會產(chǎn)生衰減，如果渦輪葉片局部區(qū)域存在缺陷，射線在經(jīng)過葉片后會產(chǎn)生不同程度的衰減，使得葉片不同部位穿透出的射線強(qiáng)度不同，以此來對葉片內(nèi)部存在的缺陷進(jìn)行判定。通過射線檢測可以直觀的顯現(xiàn)出葉片的缺陷影像，便于對葉片缺陷進(jìn)行判定，同時(shí)也可清晰判斷缺陷的數(shù)量及分布。

1.1.4 超聲波檢測? 渦輪葉片超聲波檢測是利用設(shè)備把超聲波發(fā)射進(jìn)葉片內(nèi)部，由于超聲波在葉片內(nèi)傳播時(shí)，遇到葉片缺陷與葉片產(chǎn)生的交界面會發(fā)生反射，通過接收反射信號并進(jìn)行分析可以判定葉片的內(nèi)部缺陷。同時(shí)可根據(jù)接收到的反射波信號出現(xiàn)的位置來對缺陷進(jìn)行定位。此種監(jiān)測方法可確定渦輪葉片內(nèi)部缺陷的大小、位置、取向、埋深和性質(zhì)等參量。

1.1.5 聲發(fā)射檢測? 聲發(fā)射檢測技術(shù)，是通過聲發(fā)射源發(fā)射彈性波，通過葉片內(nèi)部應(yīng)力造成的瞬態(tài)位移，利用聲發(fā)射傳感器探測葉片結(jié)構(gòu)位移量并將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電信號處理顯現(xiàn)出來。聲發(fā)射檢測主要是檢測葉片內(nèi)缺陷的擴(kuò)展，并根據(jù)葉片的應(yīng)力特點(diǎn)判斷缺陷危險(xiǎn)程度。

1.1.6 紅外檢測? 紅外檢測是通過紅外設(shè)備加熱渦輪葉片，由于葉片內(nèi)缺陷的原因造成熱量傳導(dǎo)不同而導(dǎo)致葉片表面溫度的不同，同時(shí)通過紅外顯像設(shè)備記錄并展現(xiàn)紅外影像形成溫度場，根據(jù)溫度場分布就可以檢測出葉片中是否有裂紋、剝離、夾層等缺陷。

1.2 渦輪葉片故障分析

1.2.1 裂紋分析? 發(fā)動機(jī)完全拆解后，對葉片進(jìn)行目視檢查我們會發(fā)現(xiàn)葉片的表面沒有高溫氧化變色現(xiàn)象，但是發(fā)現(xiàn)葉片前緣熱障涂層脫落的現(xiàn)象發(fā)生并伴有裂紋。觀察裂紋位置，不難發(fā)現(xiàn)，裂紋位于葉身葉盆側(cè)的上部，裂線不規(guī)則。裂紋較短部分，呈近似弦向擴(kuò)展，如圖3所示。

1.2.2 斷口分析? 斷口的地方能夠清楚的看見一些放射狀的棱線、弧線特征，這些特征表明渦輪葉片斷裂的原因是因?yàn)槠赱6]，具體斷口特征如圖4所示。

通過用電子顯微鏡對斷口進(jìn)行掃描，我們會觀察到如圖5所示的現(xiàn)象：熱障涂層有開裂現(xiàn)象。取一個(gè)渦輪葉片作為觀察樣本，經(jīng)金相制備、研磨、拋光、清洗、腐蝕后，再用電子顯微鏡對葉片的基體組織及碳化物進(jìn)行檢查[7]。在經(jīng)過腐蝕液進(jìn)行后，葉片金相組織，如圖6所示，可見葉片組織有超溫現(xiàn)象，因?yàn)樵趫D中可以明顯看到晶界處有碳化物。

2? 結(jié)論與思考

渦輪葉片失效方面有一些認(rèn)識與思考，希望能夠?qū)︼w機(jī)發(fā)動機(jī)維修工作起到一定的參考借鑒作用。結(jié)合研究結(jié)果和維修人員的維修經(jīng)驗(yàn)，提出以下建議：①如果渦輪葉片有明顯斷裂、裂紋等現(xiàn)象，需要立即拆下起動機(jī)。這些損傷會起動機(jī)渦輪盤動不平衡，在惡劣的工作環(huán)境中工作使徑向軸承失效。②渦輪葉片可能存在再結(jié)晶隱患，影響發(fā)動機(jī)使用安全。因此，應(yīng)增加葉片內(nèi)腔重點(diǎn)區(qū)域的再結(jié)晶檢測控制。③建議改進(jìn)葉片排氣窗結(jié)構(gòu)或改進(jìn)鑄造工藝，減小葉片排氣窗間隔墻處的殘余應(yīng)力，消除再結(jié)晶。

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