航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件安全性提升方法研究與應(yīng)用

■ 盧婷婷 邵傳金/中國航發(fā)商發(fā)

發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件失效是導(dǎo)致飛機(jī)安全性事件最主要的原因之一，有針對(duì)性地制定應(yīng)對(duì)措施，并在相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造、工藝和使用維護(hù)過程加以落實(shí)，可以提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全水平。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全性設(shè)計(jì)不足會(huì)威脅人員人身安全、導(dǎo)致航空器損壞乃至產(chǎn)生機(jī)毀人亡等災(zāi)難性后果[1]。設(shè)計(jì)、工藝、制造以及人為差錯(cuò)等都是影響發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的主要原因[2]。通過分析研究成熟民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)及安全性事件信息，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的問題是引起民航飛行安全事件的重要原因。對(duì)熱端部件的失效機(jī)理進(jìn)行研究，識(shí)別失效的根本原因，并在設(shè)計(jì)至使用維護(hù)全過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)落實(shí)改進(jìn)措施或補(bǔ)償措施，可從根本上提高發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的安全性，具體過程如圖1所示。

圖1 基于熱端部件失效機(jī)理的發(fā)動(dòng)機(jī)安全性提升工作流程

失效機(jī)理研究

航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型熱端部件主要包括燃燒室、渦輪、反推裝置和噴管等，通常在高溫、高速、動(dòng)載荷下工作，將熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能或傳遞機(jī)械能，工況及環(huán)境條件嚴(yán)苛，一旦失效可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。以高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片為例，進(jìn)行失效機(jī)理研究，包括高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的工況與受力情況、失效類型以及典型失效模式分析，識(shí)別高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片失效的根源性問題，為發(fā)動(dòng)機(jī)安全性提升與優(yōu)化提供依據(jù)。

工況及受力

發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速、高溫狀態(tài)工作，葉片受力包括機(jī)械離心載荷、熱載荷、氣動(dòng)載荷及振動(dòng)載荷。葉片在高溫燃?xì)庀逻\(yùn)轉(zhuǎn)且承受共振環(huán)境，主要的失效抗力指標(biāo)為高溫蠕變及熱疲勞性能，受力情況包括：在高速旋轉(zhuǎn)情況下產(chǎn)生的離心拉應(yīng)力；通過驅(qū)動(dòng)空氣實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，氣體作用于葉片產(chǎn)生彎曲應(yīng)力；由于環(huán)境溫度分布或變化等因素產(chǎn)生的熱應(yīng)力；運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)氣流擾動(dòng)引起振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)及交變彎曲產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力。

失效類型

高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的失效類型主要有斷裂、變形和損傷。

高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片疲勞斷裂包括由離心力疊加彎曲應(yīng)力引起的疲勞斷裂、振動(dòng)環(huán)境引起的顫振疲勞斷裂、扭轉(zhuǎn)共振引起的疲勞斷裂、彎曲振動(dòng)引起的疲勞斷裂、環(huán)境介質(zhì)和接觸狀態(tài)引起的高溫疲勞和微動(dòng)疲勞，以及腐蝕損傷導(dǎo)致的疲勞斷裂。葉片斷裂失效會(huì)損壞其他葉片，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)喪失推力，影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全。

高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片變形是由于選材或工藝不合理以及環(huán)境溫度高等原因，使得葉片強(qiáng)度降低，進(jìn)而發(fā)生葉片蠕變變形；在發(fā)生超轉(zhuǎn)時(shí)，過高的離心力作用也會(huì)導(dǎo)致葉片變形；葉片在一定的溫度環(huán)境及載荷作用下還會(huì)發(fā)生塑性變形。葉片伸長變形后會(huì)導(dǎo)致葉片與機(jī)匣等靜子發(fā)生碰磨，進(jìn)而造成高壓渦輪零部件損傷、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)過大以及發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車等后果，影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行及安全性。

高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片損傷包括高溫導(dǎo)致的氧化燒蝕，高溫和環(huán)境污染共同作用導(dǎo)致的疲勞損傷、硫化燒蝕等。葉片損傷后會(huì)發(fā)生掉塊等情況，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)效率以及運(yùn)營安全性。

典型失效模式

在葉片失效類型研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合葉片設(shè)計(jì)特性及工作環(huán)境特性，進(jìn)一步分析了典型失效模式的失效機(jī)理，明確了導(dǎo)致失效的根本原因，如表1所示。

表1 高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片典型失效模式的機(jī)理分析

提升安全性的改進(jìn)應(yīng)用

通過以高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片為例，研究發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件失效機(jī)理，可以明確導(dǎo)致熱端部件失效的原因，如設(shè)計(jì)、制造工藝等，針對(duì)具體的原因制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施，希望實(shí)現(xiàn)從根源上降低熱端部件發(fā)生失效的可能性。同時(shí)，開展了相應(yīng)的驗(yàn)證工作，表明改進(jìn)措施的有效性以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品安全性提升的增益性。

改進(jìn)措施

高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片燒蝕的失效機(jī)理表明，高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片冷卻小孔的堵塞造成葉片散熱能力降低，逐漸升高的溫度使葉片被燒傷。根據(jù)有限元分析結(jié)果，在穩(wěn)態(tài)溫度場中，當(dāng)葉片所有冷卻小孔全部堵塞后，葉片前緣2/3以上的部分受到的熱沖擊最嚴(yán)重。針對(duì)基于失效機(jī)理研究識(shí)別的根源性問題，制定了高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的改進(jìn)措施，如表2所示。

表2 高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的改進(jìn)措施

改進(jìn)驗(yàn)證

在落實(shí)改進(jìn)措施后，對(duì)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片在使用環(huán)境下進(jìn)行仿真分析，如圖2所示，結(jié)果顯示：由于葉片前緣直接受到來自燃燒室氣流的沖擊，葉片前緣的溫度較高，最高溫度分布位置出現(xiàn)在前緣的葉尖處；從前緣到后緣方向，由于受到葉盆面的一列冷卻小孔的冷卻影響，溫度在小孔區(qū)域出現(xiàn)了明顯的下降，葉片的后緣位置冷卻孔徑較大，通過的冷卻氣流也較多，因此溫度不高；葉片整體的溫度分布較為均勻，說明葉片的冷卻孔徑和空間布局比較合理，葉片的散熱能力及抗熱沖擊能力較強(qiáng)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、涂層材料優(yōu)化、冷卻方案改進(jìn)等方式，可以提升高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片抗異物堵塞能力、抗氧化能力與冷卻能力，降低葉片燒蝕的可能性，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全性水平提升的目的。后續(xù)將結(jié)合部件、整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與產(chǎn)品運(yùn)營數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)措施在提升產(chǎn)品安全性水平上的有效性與增益性。

圖2 基于失效機(jī)理的改進(jìn)措施驗(yàn)證

結(jié)束語

安全性是航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的生命線，熱端部件失效對(duì)安全性的影響很大，引入基于熱端部件失效機(jī)理研究提升安全性水平的方法，可識(shí)別導(dǎo)致熱端部件失效的根源性問題[3]，制定針對(duì)性的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施或使用補(bǔ)償措施，從根本上提升零部件可靠性以及發(fā)動(dòng)機(jī)安全性。加強(qiáng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安全性影響大的典型零部件的失效機(jī)理研究，可以從根源上改進(jìn)設(shè)計(jì)、優(yōu)化流程，實(shí)現(xiàn)自底向上的產(chǎn)品安全性提升。