渦輪葉片裂紋故障的3維葉尖間隙變化特性分析

熊逸偉，張小棟，2，劉洪成，黃鑫，徐志豪，朱家浩

（1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2.現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：西安 710049）

0 引言

渦輪葉尖間隙是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)之一，葉尖間隙的變化不僅對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的工作效率、油耗以及使用壽命具有較大的影響[1]，而且反映了渦輪葉片的故障信息。因此，對(duì)渦輪葉尖間隙的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)能夠?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的故障診斷奠定良好的基礎(chǔ)。為了得到具有針對(duì)性的故障特征，更好地實(shí)現(xiàn)渦輪葉片故障診斷，對(duì)渦輪葉尖間隙變化機(jī)理的研究至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)渦輪葉尖間隙的變化機(jī)理展開(kāi)了研究。Lattime等[2]認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)載荷和飛行載荷是影響高壓渦輪葉尖間隙的主要因素；Kypuros等[3]和Agarwal等[4]建立了渦輪葉片、輪盤(pán)和機(jī)匣的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而得到葉尖間隙動(dòng)態(tài)變化的簡(jiǎn)化模型；豈興明等[5]和句彥松[6]采用有限元方法對(duì)渦輪葉片、輪盤(pán)和機(jī)匣的徑向變形量進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下渦輪葉尖徑向間隙的變化規(guī)律；賈丙輝等[7-8]研究了飛機(jī)機(jī)動(dòng)飛行以及轉(zhuǎn)子裂紋故障對(duì)高壓渦輪葉尖間隙變化規(guī)律的影響。上述對(duì)于渦輪葉尖間隙變化機(jī)理的研究，都僅考慮了徑向間隙。然而，在復(fù)雜的載荷條件下，渦輪葉片會(huì)在3維空間內(nèi)發(fā)生變形，導(dǎo)致葉尖間隙具有空間3維特征。滕飛等[9-10]提出了渦輪3維葉尖間隙，并利用有限元方法研究了不同長(zhǎng)度和位置的葉片裂紋故障對(duì)3維葉尖間隙的影響特性；熊逸偉等[11-12]研究了熱疲勞載荷以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)加速過(guò)程對(duì)渦輪3維葉尖間隙的影響特性。渦輪3維葉尖間隙除徑向間隙外，還包括軸向偏轉(zhuǎn)角和周向滑移角[9]，反映了渦輪葉片沿轉(zhuǎn)子軸向和周向的彎曲變形，而氣動(dòng)載荷是造成葉片彎曲變形的主要因素。于貴齊[13]建立了渦輪葉片氣動(dòng)載荷沿轉(zhuǎn)子軸向和周向的計(jì)算模型；Bai等[14]利用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)渦輪葉片表面的氣動(dòng)載荷分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)；Choi等[15]利用數(shù)值計(jì)算方法研究了轉(zhuǎn)靜子軸向間隙對(duì)高壓渦輪葉片氣動(dòng)性能的影響。

3維葉尖間隙的變化特性對(duì)于渦輪葉片故障診斷的研究至關(guān)重要。由于渦輪的實(shí)際工作環(huán)境非常惡劣，通常采用有限元方法研究3維葉尖間隙的變化特性。在影響葉尖間隙的多種因素中，氣動(dòng)載荷導(dǎo)致的渦輪葉片彎曲變形會(huì)對(duì)軸向偏轉(zhuǎn)角和周向滑移角產(chǎn)生影響；尾緣裂紋是渦輪葉片的典型故障，其故障信息會(huì)反映到3維葉尖間隙的變化上。因此，在通過(guò)有限元方法分析3維葉尖間隙的變化特性時(shí)，氣動(dòng)載荷及裂紋故障的影響非常重要。本文研究了渦輪葉片3維葉尖間隙的有限元分析模型，進(jìn)而對(duì)比分析了渦輪葉片有無(wú)裂紋情況下3維葉尖間隙變化特性的差異。

1 渦輪轉(zhuǎn)子3維葉尖間隙有限元分析模型

1.1 渦輪轉(zhuǎn)子有限元分析模型

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子的真實(shí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為了便于加工制造，對(duì)用于試驗(yàn)臺(tái)上的渦輪模擬轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。模擬轉(zhuǎn)子由輪轂和葉片組成，葉片高50 mm，通過(guò)螺栓固定到輪轂上，輪轂半徑為20 mm，因此渦輪轉(zhuǎn)子的半徑為70 mm。盡管模擬轉(zhuǎn)子葉片與輪轂之間的螺栓連接與航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片與輪盤(pán)之間常用的榫頭連接有所不同，但在2種連接方式下均可將渦輪葉片視為懸臂梁模型，渦輪葉片在載荷下的變形也不會(huì)受到連接方式的影響。因此，上述簡(jiǎn)化不會(huì)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的正確性產(chǎn)生顯著影響。此外，為了更真實(shí)地模擬渦輪葉片，葉身有一定的扭轉(zhuǎn)角度。并且，葉尖表面設(shè)計(jì)為與機(jī)匣內(nèi)表面同軸的圓柱面，以保證在靜止?fàn)顟B(tài)下葉尖表面各點(diǎn)處的3維葉尖間隙在轉(zhuǎn)子的圓周方向具有一致性，渦輪模擬轉(zhuǎn)子幾何模型如圖1所示。

圖1 渦輪模擬轉(zhuǎn)子幾何模型

由于渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高，單個(gè)葉片經(jīng)過(guò)機(jī)匣參考點(diǎn)的時(shí)間非常短。在試驗(yàn)臺(tái)上模擬渦輪轉(zhuǎn)子的典型工作轉(zhuǎn)速為3000 r/min，轉(zhuǎn)子葉片從靠近到離開(kāi)參考點(diǎn)的整個(gè)過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為15°，則轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間僅為1/1200 s，因此，該過(guò)程可視為瞬態(tài)過(guò)程。為了分析瞬態(tài)過(guò)程中模擬轉(zhuǎn)子渦輪葉片3維葉尖間隙的動(dòng)態(tài)變化特性，采用顯式動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行仿真計(jì)算。對(duì)渦輪模擬轉(zhuǎn)子的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到渦輪模擬轉(zhuǎn)子有限元分析模型，如圖2所示。

圖2 渦輪模擬轉(zhuǎn)子有限元分析模型

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，對(duì)渦輪模擬轉(zhuǎn)子有限元分析模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。由于渦輪轉(zhuǎn)子沿圓周方向具有循環(huán)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此取模擬轉(zhuǎn)子的1/6扇區(qū)進(jìn)行分析，以減少有限元分析的計(jì)算量。另外，模擬渦輪轉(zhuǎn)子的葉片和輪轂采用螺栓連接，但在仿真計(jì)算中沒(méi)有建立螺栓的有限元模型。盡管葉片與輪轂的連接處存在相對(duì)振動(dòng)，但由于有限元仿真的時(shí)間僅1/1200 s，在如此短的時(shí)間內(nèi)，振動(dòng)對(duì)葉尖間隙變化特性的影響較小。因此，在有限元仿真中不考慮葉片與輪轂連接處的振動(dòng)對(duì)3維葉尖間隙變化特性的影響，而采用“綁定”的方式連接葉片和輪轂，保證其相對(duì)位置不變。此外，為了對(duì)比有無(wú)裂紋故障葉片的3維葉尖間隙變化特性的差異，在葉片尾緣處設(shè)置了不同長(zhǎng)度的裂紋。由于不同材料的力學(xué)性能具有一定的差異，葉片材料的選擇會(huì)對(duì)有無(wú)裂紋故障葉片3維葉尖間隙仿真結(jié)果的數(shù)值大小產(chǎn)生影響。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料通常為鎳基高溫合金，較小的載荷難以使其變形。為此，選擇鋁合金作為模擬轉(zhuǎn)子葉片的材料，保證葉片在試驗(yàn)臺(tái)的載荷條件下具有相對(duì)明顯的變形。為了確保計(jì)算的精度，對(duì)裂紋尖端附近區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化。并且，為了保證顯示動(dòng)力學(xué)分析的收斂性，設(shè)置自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，并設(shè)置最大循環(huán)次數(shù)為1×107次，保證每個(gè)子步具有足夠小的時(shí)間步長(zhǎng)。

1.2 氣動(dòng)載荷數(shù)學(xué)模型

在渦輪運(yùn)行過(guò)程中，葉片會(huì)受到轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)造成的離心載荷作用，以及燃燒室高溫高壓燃?xì)庠斐傻臒彷d荷和氣動(dòng)載荷作用。離心載荷和熱載荷會(huì)導(dǎo)致渦輪葉片和輪盤(pán)的徑向變形，進(jìn)而影響葉尖徑向間隙。然而，高溫高壓燃?xì)饬鹘?jīng)導(dǎo)向葉片后，會(huì)直接沖刷渦輪轉(zhuǎn)子葉片，導(dǎo)致葉片彎曲變形，進(jìn)而對(duì)于軸向偏轉(zhuǎn)角和周向滑移角產(chǎn)生顯著的影響。因此，對(duì)于渦輪葉片3維葉尖間隙的變化特性，需要重點(diǎn)考慮氣動(dòng)載荷的影響。為此，在針對(duì)模擬轉(zhuǎn)子的仿真研究中，為了研究氣動(dòng)載荷對(duì)3維葉尖間隙的影響，首先需要對(duì)氣動(dòng)載荷進(jìn)行模擬。于貴齊[13]利用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)建立了渦輪葉片氣動(dòng)載荷的數(shù)學(xué)模型，渦輪葉片軸向氣動(dòng)載荷pa和周向的氣動(dòng)載荷pu分別表示為

式中：n為傅里葉展開(kāi)的級(jí)數(shù)；N為靜子葉片數(shù)；Ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；t為時(shí)間；a0a和a0u分別為軸向和周向氣動(dòng)載荷傅里葉展開(kāi)式中的常數(shù)項(xiàng)；ana,bna和anu,bnu分別為軸向氣動(dòng)載荷和周向氣動(dòng)載荷傅里葉展開(kāi)式中的各項(xiàng)系數(shù)。

根據(jù)式（1），假設(shè)n=6，且模擬轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)15°的過(guò)程中經(jīng)過(guò)1個(gè)靜子葉片，即N=1。結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程以及試驗(yàn)臺(tái)上用于施加氣動(dòng)載荷的高壓風(fēng)機(jī)的工作參數(shù)，分別計(jì)算軸向氣動(dòng)載荷和周向氣動(dòng)載荷，將其按照矢量進(jìn)行合成，并將合成后的氣動(dòng)載荷施加到模擬轉(zhuǎn)子葉片的表面。最終，施加到葉片表面的氣動(dòng)載荷如圖3所示。

圖3 葉片表面的氣動(dòng)載荷

1.3 葉片尾緣裂紋參數(shù)

渦輪葉片在復(fù)雜的載荷條件下極易發(fā)生故障，尾緣裂紋則是渦輪葉片的典型故障之一。裂紋的出現(xiàn)使葉片在復(fù)雜載荷作用下的變形進(jìn)一步加劇，進(jìn)而對(duì)渦輪3維葉尖間隙產(chǎn)生影響。由于渦輪葉片尾緣厚度較薄，強(qiáng)度較低，因此在葉片尾緣更容易發(fā)生裂紋故障，并且氣動(dòng)載荷容易導(dǎo)致葉根附近區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。為此，將裂紋設(shè)置在葉片尾緣處距離葉根5 mm的位置。此外，對(duì)于渦輪葉片裂紋故障診斷，裂紋擴(kuò)展到一定程度葉片可能斷裂，因此需要盡早發(fā)現(xiàn)葉片上的微小裂紋故障。考慮到渦輪模擬轉(zhuǎn)子的葉片寬度為18 mm，為此，在葉片尾緣處分別設(shè)置長(zhǎng)度為2、4、6 mm的裂紋（如圖4所示），表示不同嚴(yán)重程度的裂紋故障，進(jìn)而分析在不同長(zhǎng)度的裂紋故障下渦輪葉片3維葉尖間隙的變化特性。

圖4 不同長(zhǎng)度的葉片尾緣裂紋

1.4 3維葉尖間隙數(shù)值求解方法

為了分析渦輪葉片3維葉尖間隙的動(dòng)態(tài)變化特性，需要定義1組參考點(diǎn)來(lái)計(jì)算3維葉尖間隙。在以往研究中，參考點(diǎn)通常選擇為葉尖表面上的固定點(diǎn)[9-11]。但實(shí)際上，3維葉尖間隙反映的是葉尖表面與機(jī)匣內(nèi)表面之間的空間特征，且葉片與機(jī)匣的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化。因此，可在機(jī)匣上選擇固定的參考點(diǎn)，提取參考點(diǎn)與葉尖表面之間的徑向距離來(lái)計(jì)算3維葉尖間隙。為此，在有限元分析過(guò)程中，在葉尖表面上方的機(jī)匣上定義1個(gè)切平面作為參考平面，并在切平面上定義3個(gè)固定不動(dòng)的直角坐標(biāo)系，將參考點(diǎn)定義在直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)處。當(dāng)葉片位于參考點(diǎn)下方時(shí)，提取參考點(diǎn)到葉尖表面的徑向距離來(lái)計(jì)算出3維葉尖間隙。根據(jù)文獻(xiàn)[16]提出的3維葉尖間隙光纖測(cè)量傳感器的探頭結(jié)構(gòu)，3個(gè)參考點(diǎn)呈等腰直角三角形排布，如圖5所示。3個(gè)參考點(diǎn)沿水平方向和豎直方向的距離d=2 mm，并且參考點(diǎn)0位于葉尖表面的幾何中心的正上方。

圖5 傳感器探頭結(jié)構(gòu)及參考點(diǎn)坐標(biāo)系選擇

假設(shè)在ti（i=1，2，…，m，m為有限元分析輸出的時(shí)間步數(shù)）時(shí)刻，3個(gè)參考點(diǎn)同時(shí)位于葉尖表面上方，且各參考點(diǎn)到變形后的葉尖表面的徑向距離分別為x0(ti)、x1(ti)和x2(ti)，則ti時(shí)刻的徑向間隙h(ti)、軸向偏轉(zhuǎn)角α(ti)和周向滑移角β(ti)分別為

按照式（2）計(jì)算出不同時(shí)刻下的3維葉尖間隙值就可以得到渦輪葉片3維葉尖間隙的變化特性。需要注意的是，只有當(dāng)1組參考點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)系同時(shí)位于葉尖表面上方時(shí)才能夠計(jì)算3維葉尖間隙。

2 無(wú)裂紋渦輪葉片的3維葉尖間隙變化特性分析

為了保證渦輪葉尖表面各處的葉尖間隙在圓周方向具有一致性，在機(jī)匣內(nèi)表面為圓柱面的假設(shè)條件下，葉尖表面也應(yīng)該為圓柱面，如圖6所示。因此，在不施加任何載荷、不考慮轉(zhuǎn)子振動(dòng)的理想條件下，模擬渦輪轉(zhuǎn)子的3維葉尖間隙應(yīng)為定值。對(duì)于徑向間隙，葉尖表面和機(jī)匣內(nèi)表面的半徑分別為70、73 mm，因此在理想條件下徑向間隙為3 mm。從渦輪轉(zhuǎn)子周向視角來(lái)看，葉尖表面的頂端為直線，參考點(diǎn)位于機(jī)匣切平面內(nèi)，因此在理想條件下軸向偏轉(zhuǎn)角為0°；從渦輪轉(zhuǎn)子軸向視角來(lái)看，葉尖表面為圓弧，假設(shè)參考點(diǎn)0位于該圓弧頂點(diǎn)的正上方，參考點(diǎn)2與參考點(diǎn)0均在機(jī)匣的切平面上，且間隔距離為2 mm，則參考點(diǎn)0和2到葉尖表面的徑向投影距離不相等。此時(shí)可以計(jì)算出2個(gè)參考點(diǎn)在葉尖表面投影點(diǎn)的連線與機(jī)匣切平面的夾角約為0.82°，此為理想條件下的周向偏轉(zhuǎn)角。

圖6 模擬轉(zhuǎn)子葉尖表面

渦輪葉片在氣動(dòng)載荷作用下發(fā)生彎曲變形，因此3維葉尖間隙也隨之改變。對(duì)于上述模擬渦輪轉(zhuǎn)子，在氣動(dòng)載荷作用下，渦輪葉片經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)時(shí)其3維葉尖間隙的動(dòng)態(tài)變化如圖7所示。

圖7 無(wú)裂紋葉片的3維葉尖間隙

從圖中可見(jiàn)，在無(wú)裂紋葉片經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)的過(guò)程中，徑向間隙逐漸增大，周向偏轉(zhuǎn)角逐漸減小，而軸向偏轉(zhuǎn)角呈先略微增大然后減小的趨勢(shì)。在氣動(dòng)載荷作用下，葉片沿軸向和周向發(fā)生變形，變形后的葉尖表面不再是與機(jī)匣內(nèi)表面同軸的圓柱面，因此3維葉尖間隙也不再是定值。從圖7（a）中可見(jiàn)，葉片經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)時(shí)，徑向間隙的變化幅度約為0.09 mm，因此氣動(dòng)載荷對(duì)徑向間隙的影響相對(duì)較小。為了得到軸向偏轉(zhuǎn)角和周向滑移角，需選擇3個(gè)參考點(diǎn)同時(shí)位于葉尖表面的時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)圖5（b）中參考點(diǎn)和葉尖表面的相對(duì)位置關(guān)系可知，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)離開(kāi)參考點(diǎn)2時(shí)，便無(wú)法計(jì)算3維葉尖間隙，而此時(shí)葉片幾乎位于3個(gè)參考點(diǎn)的正下方。因此，根據(jù)如圖5（b）所示參考點(diǎn)得到的3維葉尖間隙變化特性反映了葉片逐漸靠近參考點(diǎn)的過(guò)程，此時(shí)軸向偏轉(zhuǎn)角和軸向滑移角均呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)。因此，在氣動(dòng)載荷作用下，當(dāng)無(wú)裂紋葉片經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)時(shí)其3維葉尖間隙不再是理論上的定值，并且氣動(dòng)載荷對(duì)軸向偏轉(zhuǎn)角和周向滑移角的影響比對(duì)徑向間隙的影響更為顯著。

3 裂紋故障渦輪葉片的3維葉尖間隙變化特性分析

為了對(duì)比分析不同嚴(yán)重程度的裂紋故障葉片相對(duì)于無(wú)裂紋葉片其3維葉尖間隙變化曲線特征，在渦輪葉片尾緣的相同位置定義了不同長(zhǎng)度的裂紋，裂紋特征參數(shù)如圖8所示。

圖8 裂紋特征參數(shù)

在有限元分析過(guò)程中，裂紋長(zhǎng)度L=2、4、6 mm，表示渦輪葉片不同嚴(yán)重程度的裂紋故障。在改變L時(shí)，裂紋開(kāi)口高度a保持不變。因此，L越短，其裂尖張開(kāi)角δ越大。在氣動(dòng)載荷作用下，當(dāng)葉片經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)時(shí)，不同葉片的3維葉尖間隙變化特性如圖9所示。

圖9 裂紋葉片的3維葉尖間隙

在氣動(dòng)載荷作用下，裂紋葉片3維葉尖間隙變化特性變得更加復(fù)雜。從圖中可見(jiàn)，有無(wú)裂紋葉片的徑向間隙均呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)，并且數(shù)值上差異不大。由于徑向間隙主要受離心載荷的影響，因此在相同轉(zhuǎn)速條件下，有無(wú)裂紋葉片的徑向間隙具有一致的變化趨勢(shì)。裂紋故障會(huì)導(dǎo)致徑向間隙的數(shù)值差異，但差異不明顯。然而，有無(wú)裂紋葉片的葉片軸向偏轉(zhuǎn)角和周向滑移角的變化特性差異明顯。對(duì)于裂紋故障葉片，氣動(dòng)載荷引起的彎曲變形會(huì)導(dǎo)致裂紋面被擠壓，裂尖張開(kāi)角δ減小，從而導(dǎo)致軸向偏轉(zhuǎn)角和周向滑移角增大；然而離心載荷會(huì)導(dǎo)致裂紋面被拉開(kāi)，δ增大，從而導(dǎo)致軸向偏轉(zhuǎn)角和周向滑移角減小，并且裂紋長(zhǎng)度越大，離心載荷對(duì)裂紋的拉伸作用越強(qiáng)。綜合考慮氣動(dòng)載荷和離心載荷的影響，裂紋長(zhǎng)度為6 mm的葉片受離心載荷的影響更顯著，導(dǎo)致其軸向偏轉(zhuǎn)和和周向偏轉(zhuǎn)角小于無(wú)裂紋葉片的。

從圖9（b）、（c）中可見(jiàn)，在裂紋長(zhǎng)度為2、4 mm時(shí)，受氣動(dòng)載荷的影響更為顯著，裂紋面在氣動(dòng)載荷作用下被迅速擠壓，裂紋葉片的軸向偏轉(zhuǎn)角和周向滑移角也迅速減小，從而導(dǎo)致葉片的軸向偏轉(zhuǎn)角和周向滑移角變化曲線斜率更大。有無(wú)裂紋葉片的軸向偏轉(zhuǎn)角和周向滑移角變化曲線斜率有明顯差異，可作為葉片裂紋的一種故障特征，用于渦輪葉片裂紋的故障診斷。

從圖9（b）中還可見(jiàn)，裂紋長(zhǎng)度為6 mm的葉片的軸向偏轉(zhuǎn)角在第0.41 ms處突然增大，然后再逐漸減小。并且，在第0.42 ms之后，其軸向偏轉(zhuǎn)角減小的速率與其它裂紋葉片的相當(dāng)。裂紋長(zhǎng)度為6 mm的葉片經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)的時(shí)間段約為第0.38～0.46 ms。由圖4可知，在第0.38～0.41 ms的氣動(dòng)載荷最大，之后逐漸減小。因此，當(dāng)氣動(dòng)載荷較大時(shí)，裂紋面被擠壓；隨著氣動(dòng)載荷逐漸減小，被擠壓的裂紋面逐漸分離，在此過(guò)程中，葉片的剛度可能發(fā)生突變，因而導(dǎo)致軸向偏轉(zhuǎn)角突然變化。當(dāng)裂紋面分離之后，裂紋長(zhǎng)度為6 mm的葉片的軸向偏轉(zhuǎn)角減小速率與其它裂紋葉片的一致。由于正常葉片軸向偏轉(zhuǎn)角的變化曲線較為平滑，軸向偏轉(zhuǎn)角的突變可作為一種故障特征用于識(shí)別渦輪葉片是否存在裂紋故障。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于無(wú)裂紋渦輪葉片，氣動(dòng)載荷導(dǎo)致的葉片彎曲變形對(duì)徑向間隙的影響相對(duì)較小，對(duì)軸向偏轉(zhuǎn)角和周向滑移角的影響較為明顯，一般呈逐漸減小的變化趨勢(shì)。

（2）對(duì)于裂紋長(zhǎng)度為2、4 mm的故障葉片，其軸向偏轉(zhuǎn)角和周向滑移角的變化范圍及其變化曲線的斜率比正常葉片的大。

（3）對(duì)于裂紋長(zhǎng)度為6 mm的故障葉片，在氣動(dòng)載荷和離心載荷的共同作用下，裂紋面會(huì)被擠壓或者相互分離，葉片剛度可能發(fā)生突變，進(jìn)而導(dǎo)致其軸向偏轉(zhuǎn)角發(fā)生突變。

（4）從3維葉尖間隙的軸向偏轉(zhuǎn)角和周向滑移角變化特性來(lái)看，渦輪裂紋故障葉片與無(wú)裂紋葉片之間存在較為明顯的差異，這種差異為基于3維葉尖間隙的渦輪葉片裂紋故障診斷提供了借鑒。