PW4000系列發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪失效分析與預(yù)防

張雪洋，王 偉

（中國民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300）

PW4000系列發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪失效分析與預(yù)防

張雪洋，王 偉

（中國民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300）

對(duì)某飛機(jī)維修企業(yè)所負(fù)責(zé)的在役PW4000系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，該型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪的失效位置主要集中在高壓渦輪轉(zhuǎn)靜子葉片及封嚴(yán)上，失效形式主要表現(xiàn)為燒蝕、裂紋、腐蝕、涂層脫落、封嚴(yán)損傷和葉片伸長(zhǎng)等。本研究在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上對(duì)上述失效形式的現(xiàn)象和機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)及分析，并提出了相應(yīng)的處理方法。

高壓渦輪；失效；預(yù)防；裂紋；損傷；腐蝕

高壓渦輪（HPT）作為民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，承受惡劣復(fù)雜的循環(huán)熱載荷和機(jī)械載荷，其工作狀態(tài)與失效情況會(huì)直接影響到飛機(jī)的飛行安全。由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，高壓渦輪長(zhǎng)期承受高溫載荷、離心載荷、氣動(dòng)載荷、振動(dòng)載荷、高溫氧化及腐蝕等作用造成其失效的概率很高[1-5]，研究PW4000系列民用發(fā)動(dòng)機(jī)HPT的失效狀況與失效機(jī)理尤為重要，可更好地為航空維修企業(yè)提供技術(shù)支持與理論指導(dǎo)。本文依據(jù)國內(nèi)相關(guān)維修企業(yè)PW4000系列發(fā)動(dòng)機(jī)的HPT失效下發(fā)和修理的相關(guān)數(shù)據(jù)，提煉出了HPT的主要失效下發(fā)模式，針對(duì)不同的失效模式進(jìn)行分析、檢查并與發(fā)動(dòng)機(jī)廠商探討最終獲得相應(yīng)的失效機(jī)理和預(yù)防檢測(cè)方法。

1 燒蝕和裂紋

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，燒蝕故障主要出現(xiàn)在高壓渦輪的靜子葉片當(dāng)中，尤其是導(dǎo)向葉片。燒蝕的位置則主要集中在葉片的前后緣，如圖1所示。通過多次對(duì)燒蝕葉片進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，燒蝕的主要原因是：熱機(jī)械疲勞和冷卻孔堵塞。當(dāng)靜子葉片上的冷卻孔被堵塞后，冷卻氣體便不能順利通過冷卻孔來冷卻葉片，葉片將長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，更容易產(chǎn)生熱機(jī)械疲勞和較大的熱應(yīng)力，最終導(dǎo)致燒蝕和裂紋的出現(xiàn)，如圖2所示。對(duì)堵塞物取樣分析發(fā)現(xiàn)，摩擦脫落物和周圍環(huán)境中吸入的廢棄物為主要組成部分。

在日常HPT靜子葉片的孔探檢查中應(yīng)多注意葉片的前后緣，提高檢查效率。為了減少此種故障的出現(xiàn)，與普惠原廠探討后一直認(rèn)為，只有重構(gòu)導(dǎo)向器葉片才能徹底解決此種失效模式。

2 腐蝕

腐蝕是造成HPT損傷、發(fā)動(dòng)機(jī)下發(fā)的重要因素之一。腐蝕多發(fā)生在轉(zhuǎn)子葉片和渦輪1～2級(jí)氣體封嚴(yán)處，主要表現(xiàn)為以下3個(gè)方面。

圖1 靜子葉片燒蝕Fig.1 Ablation of stator vane

圖2 內(nèi)部擋板阻塞引起的燒傷Fig.2 Ablation caused by internal baffle block

2.1 高壓渦輪葉片表面腐蝕

二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的硫化問題曾引發(fā)2起空停，對(duì)這2次空停的某型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行翻修時(shí)，發(fā)現(xiàn)高壓渦輪葉片表面涂層有黑斑而且有凹坑腐蝕。引起了維修廠和普惠制造廠的一致關(guān)注。通過調(diào)查，其中一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過光譜分析儀，分析得到硅含量超標(biāo)；另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)也經(jīng)過光譜分析儀，分析得到鎘含量超標(biāo)，最終分析發(fā)現(xiàn)葉片在制造過程中，由于葉尖的不充分保護(hù)，導(dǎo)致葉尖溶液進(jìn)入葉片的內(nèi)腔室，溶液與葉片基體金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而引起硫化腐蝕，堵塞葉片冷卻空氣通道，導(dǎo)致蠕變和應(yīng)力斷裂。通過事實(shí)分析，導(dǎo)致葉片污染的腐蝕性物質(zhì)很可能是人體的汗液，另外水和沙土也是使葉片涂層性能衰退的原因[6-7]。

為了避免類似情況的出現(xiàn)，在葉片的制造和維修過程中，加強(qiáng)了對(duì)葉尖的保護(hù)和葉片內(nèi)部的沖洗。在目前的情況下可采取的措施是：①葉片裝配過程中增加清水清洗工序，提高葉片涂層的清潔度；②增加葉片的預(yù)氧化工藝；③禁止在裝配過程中赤手接觸葉片表面。對(duì)于可能發(fā)生硫化腐蝕的葉片，采取了縮短孔探周期的方法進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 葉片腐蝕

對(duì)一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片而言，其葉盆和葉背面的硫化特征及現(xiàn)象是不同的，如圖3所示。對(duì)葉背面來講，硫化腐蝕會(huì)引起葉片壁變薄從而導(dǎo)致顏色退化。對(duì)于葉盆面而言硫化腐蝕會(huì)導(dǎo)致葉背面墻的膨脹、裂縫以及表面的著色和褪色。

圖3 一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片腐蝕Fig.3 Corrosion of first stage blade

二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片硫化腐蝕有3種常見的表現(xiàn)形式：

1）葉片尾緣冷卻孔堵塞

如圖4所示，比較松散的內(nèi)部腐蝕會(huì)堵塞葉片的冷卻孔從而引起葉片內(nèi)部冷卻空氣通道面積減少，導(dǎo)致葉片材料的局部過熱。在這種情況下，翼型葉片尾緣冷卻孔周邊在熱疲勞的作用下會(huì)產(chǎn)生裂紋。由于渦輪葉片的壁比較薄，在熱疲勞的作用下，裂紋會(huì)在葉片上進(jìn)行傳播，如圖5所示。此種故障情況是比較隱蔽的，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部孔探過程中難以發(fā)現(xiàn)。

圖4 葉片尾緣冷卻孔被堵塞Fig.4 Block of blade’s trailing edge

圖5 二級(jí)葉片腐蝕裂紋Fig.5 Corrosion cracks of srcond stage blade

2）葉片內(nèi)腔的腐蝕攻擊

硫化腐蝕在襲擊葉形前后緣時(shí)，葉片的內(nèi)腔會(huì)受到一定影響。如圖6所示，葉片頂部的耐磨區(qū)域會(huì)被消耗掉，熱機(jī)械疲勞在完全被釋放之前會(huì)沿著葉片表面進(jìn)行傳播，從而導(dǎo)致裂紋在葉片上的傳播。同樣此種故障情況也是比較隱秘的，在發(fā)動(dòng)機(jī)孔探檢查中也比較難于發(fā)現(xiàn)。

圖6 葉片頂端腐蝕Fig.6 Corrosion of blade top

3）葉片凹面腐蝕

葉片局部的硫化腐蝕一般從冷卻孔開始通過葉片表面進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍是從葉片底座五分之一高度開始到葉片頂端。目視檢查發(fā)現(xiàn)：硫化腐蝕早期表現(xiàn)為黑色斑點(diǎn)，晚期則會(huì)演變?yōu)榱鸭y。葉片上裂紋的產(chǎn)生與大小一般都取決于腐蝕襲擊的位置和強(qiáng)度。統(tǒng)計(jì)表明：黑色斑點(diǎn)主要出現(xiàn)在葉片凹形面上，凸形面上則很少出現(xiàn)，如圖7所示。斑點(diǎn)的出現(xiàn)也使得渦輪葉片的此種故障現(xiàn)象比較明顯，在發(fā)動(dòng)機(jī)的孔探過程中比較容易發(fā)現(xiàn)。

圖7 腐蝕黑斑Fig.7 Corrosion spots

通過總結(jié)轉(zhuǎn)子葉片腐蝕表現(xiàn)形式，可得出在孔探檢查過程中：

對(duì)于一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片：①應(yīng)注意凹形翼面的褪色和燒傷；②應(yīng)注意凸形翼面的膨脹、裂紋、褪色和著色。

對(duì)于二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片：①應(yīng)多注意葉片表面的裂紋、暗點(diǎn)以及燒穿；②應(yīng)多注意葉片尾緣空氣冷卻通道的腐蝕程度和裂紋大??；③應(yīng)多注意葉片中部區(qū)域的蠕變和細(xì)化。

2.3 封嚴(yán)腐蝕

高壓渦輪進(jìn)廠大修時(shí)，1～2級(jí)氣體封嚴(yán)上的點(diǎn)狀腐蝕大大增加了該氣體封嚴(yán)的報(bào)廢率，如圖8所示。該腐蝕主要出現(xiàn)在封嚴(yán)刀口之間的凹陷處，能引起不連續(xù)的圓周裂紋，至今未發(fā)現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

圖8 1～2級(jí)氣體封嚴(yán)點(diǎn)狀腐蝕Fig.8 Pitting corrosion of seals between Stage 1 and 2

對(duì)這些黑色斑點(diǎn)進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)這些斑點(diǎn)是由硫化物質(zhì)構(gòu)成的，從而證明該腐蝕為硫化腐蝕，對(duì)腐蝕源進(jìn)行跟蹤得到：含有硫化物質(zhì)的高溫氣體進(jìn)入1～2級(jí)氣體封嚴(yán)的孔中并引發(fā)腐蝕。對(duì)于此種現(xiàn)象，車間一般對(duì)1～2級(jí)氣體封嚴(yán)進(jìn)行熒光檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 熒光檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Results of fluorescence detection

觀察可知，圖9中的白色斑點(diǎn)即為高壓渦輪1～2級(jí)氣體封嚴(yán)上的裂紋。在熒光檢測(cè)中，當(dāng)被檢測(cè)的部件泡在熒光液體時(shí)，由于毛細(xì)作用，熒光液體進(jìn)入裂紋當(dāng)中。而在部件的洗滌過程中，裂紋中的熒光液體很難被洗掉從而留在裂紋中，在檢測(cè)光的照射下便會(huì)顯現(xiàn)出來。為了進(jìn)一步確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性，車間對(duì)該部件進(jìn)行了10倍放大的目視檢測(cè)。檢查效果如圖10所示。

從圖10中也可看出在部件表面存在腐蝕斑點(diǎn)，某些位置還出現(xiàn)了小的裂紋。這樣通過運(yùn)用以上兩種檢測(cè)方法便可準(zhǔn)確鑒別出1～2級(jí)氣體封嚴(yán)的點(diǎn)狀腐蝕裂紋，從而對(duì)該故障進(jìn)行防治[8-10]。

3 涂層脫落

在PW4000系列發(fā)動(dòng)機(jī)中，涂層的脫落主要表現(xiàn)為2個(gè)方面：葉片熱障涂層的脫落和外部封嚴(yán)陶瓷涂層的脫落。

3.1 熱障涂層脫落

熱障涂層的脫落主要出現(xiàn)在二級(jí)靜子葉片上，如圖11所示，出現(xiàn)的主要位置為葉片的受壓力面和前緣。

圖11 二級(jí)靜子葉片熱障涂層脫落Fig.11 Thermal barrier’s falling off of second stage vane

在維修場(chǎng)內(nèi)，對(duì)故障葉片進(jìn)行X射線等檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)明顯的損傷和缺陷。在金相檢查中發(fā)現(xiàn)，葉片熱障涂層脫落的位置有明顯的外物沖擊跡象。此種外物為CMAS（calcium，magnesium，aluminide and silicon）[3-4]，是一種游離于云層中的粉粒（或熔沙），一般形成于沙塵暴中，能夠達(dá)到30 000 ft的高度。當(dāng)CMAS被發(fā)動(dòng)機(jī)從進(jìn)氣道吸入后，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣流的流動(dòng)，該物質(zhì)會(huì)沉積并粘附在高壓渦輪二級(jí)靜子葉片的表面上。由于該葉片的工作溫度相當(dāng)高，沉積物便會(huì)被熔化并進(jìn)一步嵌入到熱障涂層的晶粒結(jié)構(gòu)中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束后，熔化后的沉積物便會(huì)在涂層晶粒結(jié)構(gòu)中固化。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)數(shù)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部便會(huì)經(jīng)歷多次冷熱交替，沉積物與涂層晶粒一次又一次的作用，熱障涂層便會(huì)從二級(jí)靜子葉片上脫落下來。熱障涂層脫落之后，靜子葉片的基體合金便會(huì)直接暴露在高溫氣體當(dāng)中，從而出現(xiàn)裂紋等損傷[11]。

3.2 陶瓷涂層脫落

陶瓷涂層的脫落主要發(fā)生在一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片外部封嚴(yán)上，它和一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的損傷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響都非常大，因?yàn)槠鋼p傷都會(huì)直接影響渦輪葉片葉尖間隙，從而影響氣流在HPT中的工作效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。陶瓷涂層的脫落會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)EGT裕度的損失并對(duì)二級(jí)葉片帶來沖擊損傷。

如圖12所示，一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片所對(duì)應(yīng)的外部封嚴(yán)有所脫落。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)該脫落一般從封嚴(yán)的尾部開始（以葉片旋轉(zhuǎn)方向?yàn)閰⒄眨?，并逐步影響到整個(gè)封嚴(yán)。涂層脫落之后，基體金屬便直接暴露在高溫氣流當(dāng)中。該涂層的脫落還會(huì)導(dǎo)致渦輪二級(jí)靜子葉片的前緣被燒傷并鼓起甚至燒穿。

圖12 一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片外部封嚴(yán)損傷Fig.12 External seal damage of first stage blade

分析發(fā)現(xiàn)，封嚴(yán)基體金屬和陶瓷涂層熱膨脹率差異[5]是脫落出現(xiàn)的重要原因之一。如果封嚴(yán)片的長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，涂層的材料就必須具有較高的彎曲度，這樣就會(huì)削弱涂層的粘合強(qiáng)度。所以縮短封嚴(yán)片的長(zhǎng)度更加有利于封嚴(yán)片的正常工作。如果陶瓷涂層的厚度比較大，涂層的脫落就會(huì)引起葉尖間隙的較大改變，這也促使降低涂層的厚度。然而在相同的工作溫度下，涂層的厚度改變會(huì)直接影響陶瓷涂層材料的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)[12]。

4 封嚴(yán)損傷

封嚴(yán)的損傷主要產(chǎn)生于渦輪一級(jí)的內(nèi)部封嚴(yán)。在世界范圍內(nèi)，PW4000系列的發(fā)動(dòng)機(jī)HPT一級(jí)內(nèi)部氣封的裂紋或斷裂已引起了43起事故（其中包括12起空停）。通過對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析表明，該部件的失效具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）如圖13所示，失效的起始位置主要集中在該部件的尖端和圓錐處；

2）裂紋和斷裂端口處呈現(xiàn)疲勞裂紋特征；

3）出現(xiàn)上述故障的高壓渦輪單元體都有過大修經(jīng)歷，而新的高壓渦輪單元體則沒有發(fā)生過類似事件，這也說明高壓渦輪單元體大修的某些過程會(huì)對(duì)該氣體封嚴(yán)的振動(dòng)裕度產(chǎn)生影響，從而使該部件產(chǎn)生設(shè)計(jì)時(shí)無法預(yù)料的疲勞損傷。

圖13 一級(jí)內(nèi)部封嚴(yán)Fig.13 Internal seal of first stage

5 葉片伸長(zhǎng)超限

依據(jù)維修數(shù)據(jù)對(duì)HPT葉片伸長(zhǎng)現(xiàn)象分析表明，葉片伸長(zhǎng)多集中在二級(jí)轉(zhuǎn)子上，它使得轉(zhuǎn)子葉片與轉(zhuǎn)子葉片外部封嚴(yán)之間的距離變短，一方面影響發(fā)動(dòng)機(jī)的EGT裕度，另一方面也容易引起兩者的摩擦從而導(dǎo)致葉片的損傷。

通過多次觀察伸長(zhǎng)葉片發(fā)現(xiàn)：①葉片沒有出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象；②葉片的冷卻通道沒有堵塞跡象；③二級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子葉片前緣溫度超限；④葉片的材料屬性和流體性能正常。這就說明葉片前緣溫度超限對(duì)葉片伸長(zhǎng)有一定的影響，而腐蝕和冷卻孔的阻塞則不是葉片伸長(zhǎng)的原因[6]。

為了更好地做好預(yù)防工作，根據(jù)PW4000系列的發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊(cè)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片出現(xiàn)伸長(zhǎng)時(shí)便需要按循環(huán)數(shù)對(duì)葉片進(jìn)行檢查。一旦葉片伸長(zhǎng)超過了0.015 in就必須在5個(gè)循環(huán)之內(nèi)下發(fā)，并進(jìn)行修理或更換。

6 結(jié)語

本文對(duì)PW4000系列發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪的失效下發(fā)和維修數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析得到了高壓渦輪的主要失效模式，并針對(duì)各個(gè)失效模式得到了相應(yīng)的失效位置和現(xiàn)象：燒蝕、裂紋主要出現(xiàn)在靜子葉片（尤其是導(dǎo)向葉片）的前后緣上；腐蝕則主要發(fā)生在轉(zhuǎn)子葉片和封嚴(yán)上，位置不同，腐蝕現(xiàn)象也會(huì)有所差距；涂層脫落主要出現(xiàn)于二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片熱障涂層和一級(jí)轉(zhuǎn)子外部陶瓷封嚴(yán)；一級(jí)內(nèi)部封嚴(yán)損傷的始發(fā)位置一般比較固定；葉片伸長(zhǎng)則主要出現(xiàn)在二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片上。

預(yù)防失效措施主要分為以下3個(gè)方面。

1）設(shè)計(jì)與制造 ①在渦輪葉片前緣涂抹抗氧化抗腐蝕的涂層；②改變渦輪封嚴(yán)結(jié)構(gòu)；③渦輪葉片結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)；④加強(qiáng)渦輪冷卻，現(xiàn)在常見同時(shí)使用對(duì)流冷卻、沖壓冷卻以及氣膜冷卻。

2）駕駛員操作 ①注意監(jiān)控EGT溫度，防止發(fā)動(dòng)機(jī)超溫；②防止發(fā)動(dòng)機(jī)喘振或失速，如正確使用反推、飛行中操縱柔和、推油門不能過快過猛等。

3）技術(shù)人員維修 ①在發(fā)動(dòng)機(jī)上孔探時(shí)間間隔縮短；②修理車間檢查的清理預(yù)處理；③渦輪葉片完整性檢查；④渦輪的無損檢測(cè)。

通過維修廠內(nèi)的進(jìn)一步檢查、分析并與發(fā)動(dòng)機(jī)原廠探討得到了不同失效模式所對(duì)應(yīng)的失效原因以及檢測(cè)維修方法和注意事項(xiàng)。為維修廠的日常檢測(cè)和維修提供參考。

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（責(zé)任編輯：黃 月）

Failure analysis and prevention of high pressure turbine in PW4000 engine

ZHANG Xue-yang，WANG Wei
（Engineering and Techniques Training Center，CAUC，Tianjin 300300，China）

Failure statistical analysis data of PW4000 engine in service is carried on in an aircraft maintenance enterprise. Results show that the failure positions of PW4000 engine high pressure turbine mainly concentrate on high pressure turbine blades，vanes and seal；main failure modes are ablation，crack，corrosion，coating shedding，seal damage and blade elongation.On the basis of the statistical analysis，the phenomena and mechanisms of failure modes are summarized and analyzed and the corresponding processing methods are put forward.

high pressure turbine；failure；prevention；crack；damage；corrosion

V267；TG174.4

：A

：1674-5590（2015）04-0025-05

2015-01-04；

：2015-03-26

：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11304380）

張雪洋（1981—），男，天津人，助教，碩士，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)控制.