基于某航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)事件的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片超溫問(wèn)題研究

張晗+王茹雪+劉洋+孫沐昕

摘 要：某航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生振動(dòng)大故障。分解后，發(fā)現(xiàn)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片等多處零組件有磨損、變形甚至斷裂的情況。將全臺(tái)共計(jì)72片高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片委托中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司失效分析中心進(jìn)行分析，確認(rèn)原因?yàn)楦邏簻u輪轉(zhuǎn)子葉片超溫。分析高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片超溫的多種可能原因，采用排除法，推斷此次高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片超穩(wěn)為局部超溫，原因?yàn)楦邏簻u輪導(dǎo)向器堵塊脫落打傷高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片導(dǎo)致高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片冷卻失效。根據(jù)推斷尋找事實(shí)依據(jù)，推導(dǎo)故障模式。提出解決高壓渦輪導(dǎo)向器堵塊存在脫落可能性的方案，為后續(xù)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片超溫問(wèn)題的判斷提供分析思維導(dǎo)向。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；整機(jī)振動(dòng)；高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片超溫；冷卻失效

中圖分類號(hào)：V231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

當(dāng)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪部件承接在主燃燒室后，是將高溫高壓氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能最重要的部件之一。雖然目前絕大多數(shù)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片均采用高性能的單晶合金材料制造，但高溫高壓高轉(zhuǎn)速的惡劣工作條件下，仍存在多種影響因素導(dǎo)致高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部超溫，進(jìn)而發(fā)生葉片基體脫落等惡性狀況。

以最終確定為高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部超溫原因?qū)е碌哪澈娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)事件進(jìn)行典型分析，探究造成局部超溫的影響因素，充實(shí)完善振動(dòng)問(wèn)題數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題的判斷提供分析思維導(dǎo)向。

1.振動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查情況概述

1.1 故障現(xiàn)象

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)振動(dòng)值急劇上升，大幅超出規(guī)定值的現(xiàn)象。立即停止試驗(yàn)，用孔探儀檢查發(fā)現(xiàn)，該航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片多處燒蝕。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查情況

故障發(fā)生后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)按大組件進(jìn)行了分解檢查。外部管路、附件及尾噴口分解未見(jiàn)異常；分解加力擴(kuò)散器時(shí)，發(fā)現(xiàn)少量金屬顆粒；分解渦輪后機(jī)匣時(shí)，發(fā)現(xiàn)少量金屬粉末狀顆粒，且多為粉末狀碎屑；分解低壓渦輪轉(zhuǎn)子組合件時(shí)，發(fā)現(xiàn)低壓一級(jí)導(dǎo)向器密封片變形，低壓一級(jí)渦輪葉片表面存在不同程度打傷；分解高壓渦輪轉(zhuǎn)子組合件時(shí)，發(fā)現(xiàn)16片葉片存在嚴(yán)重?fù)p傷掉塊情況，其余葉片存在不同程度的變形，葉片葉尖磨損嚴(yán)重；分解主燃燒室聯(lián)合單元體時(shí)，發(fā)現(xiàn)高壓渦輪導(dǎo)向器葉片組上1件堵塊缺失，高壓渦輪導(dǎo)向器葉片表面存在多處不同程度的打傷，高壓渦輪外環(huán)塊磨損嚴(yán)重，外環(huán)塊封嚴(yán)片嚴(yán)重變形；分解二支點(diǎn)支承組件時(shí)，發(fā)現(xiàn)二支點(diǎn)密封裝置石墨斷裂一處；分解低壓?jiǎn)卧w、高壓機(jī)匣、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子及中介機(jī)匣組件時(shí)，未見(jiàn)明顯異常。

1.3 檢定結(jié)果

因主要受損零件集中在渦輪部分，高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片受損嚴(yán)重，故將全臺(tái)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片（72片）委托中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司失效分析中心進(jìn)行分析工作。對(duì)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片斷口分析結(jié)果表明，為高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片超溫導(dǎo)致的超溫疲勞斷裂。

2.高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片超溫影響因素分析

葉片出現(xiàn)超溫一般有以下幾個(gè)來(lái)源：油體霧化不良、燃油品質(zhì)不良、起動(dòng)噴嘴油壓過(guò)低等造成的燃燒不均勻，富油燃燒，火焰后移等導(dǎo)致的環(huán)境超溫；冷卻通道（氣膜孔、型芯堵塞、葉片結(jié)構(gòu)損壞）破壞造成溫度場(chǎng)分布不均勻?qū)е碌木植砍瑴氐取脑摵娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)葉片試車情況以及其他部件的損傷情況，對(duì)此臺(tái)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)局部區(qū)域性超溫的原因展開(kāi)分析。

2.1 環(huán)境超溫

從高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片損傷周向分布情況看，損傷掉塊且超溫的葉片集中在1/4的區(qū)域內(nèi)。距離較遠(yuǎn)的葉片有過(guò)熱，但無(wú)超溫現(xiàn)象，可以說(shuō)明高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片環(huán)境溫度無(wú)明顯異常，即部分葉片的超溫疲勞斷裂是由局部超溫導(dǎo)致的。

2.2 局部超溫

梳理經(jīng)驗(yàn)樹(shù)，導(dǎo)致高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部超溫的原因有：高壓渦輪轉(zhuǎn)子冷卻流路不暢；高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片頂端蓋板脫落或翹曲；葉片內(nèi)冷卻通道堵塞；高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片損傷導(dǎo)致冷卻失效。針對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行逐條分析。

2.2.1 高壓渦輪轉(zhuǎn)子冷卻流路不暢

該冷卻流路的空氣從高壓壓氣機(jī)出口引入轉(zhuǎn)子盤腔內(nèi)部，經(jīng)高壓壓氣機(jī)封嚴(yán)盤上的一道篦齒流入高壓鼓筒軸外腔，然后又經(jīng)一道篦齒與經(jīng)預(yù)旋噴嘴后的主燃燒室內(nèi)環(huán)腔的氣流匯合后分為兩股。一股經(jīng)篦齒盤上的外篦齒后，從導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子葉片根部的間隙流入主流道；另一股經(jīng)篦齒盤上的孔后流入高壓渦輪工作葉片，對(duì)高壓渦輪工作葉片冷卻后，分別從葉片前緣、蓋板上和其他部位的氣膜孔及尾緣的劈縫流入主流道。根據(jù)主燃燒室故檢結(jié)果，預(yù)旋噴嘴處未發(fā)現(xiàn)異常，冷卻流路未發(fā)現(xiàn)堵塞，故某航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部超溫的原因不為高壓渦輪轉(zhuǎn)子冷卻流路不暢。

2.2.2 高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片頂端蓋板脫落或翹曲

高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片蓋板缺失可造成葉片內(nèi)冷卻空氣從頂端流出，葉片氣模孔無(wú)冷卻氣流出，葉片氣膜冷卻失效，會(huì)造成葉片燒蝕掉塊。檢查葉片蓋板，掉塊較大的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉片蓋板在前緣位置完全損傷，其他宏觀未裂葉片的葉片蓋板無(wú)明顯掉塊，僅存在較為嚴(yán)重的刮磨，及葉背葉尖棱邊變形缺失。該航空發(fā)動(dòng)機(jī)曾發(fā)生過(guò)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片蓋板脫落、翹曲故障，與此次事故的現(xiàn)象不符，且高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片已經(jīng)采取多種措施，避免蓋板翹曲故障發(fā)生。因此認(rèn)為某航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部超溫的原因?yàn)楦邏簻u輪轉(zhuǎn)子葉片頂端蓋板脫落或翹曲的概率較低。

2.2.3 葉片內(nèi)冷卻通道堵塞

外來(lái)物堵塞高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片冷卻通道，有可能導(dǎo)致葉片冷卻的逆流裕度不足而發(fā)生超溫。因此做如下工作，分解檢查故障葉片榫頭底部進(jìn)氣窗口，未發(fā)現(xiàn)堵塞物；解剖葉片未發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象；復(fù)查葉片水流量均合格。據(jù)此排除某航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部超溫的原因?yàn)槿~片內(nèi)冷卻通道堵塞。

2.2.4 高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片損傷導(dǎo)致冷卻失效

檢查結(jié)果表明，一個(gè)高壓渦輪導(dǎo)向器堵塊缺失。該堵塊尺寸為14.8mm×4.3mm×2.2mm，材料為K40M。裝配于高壓渦輪導(dǎo)向葉片上緣板后端，用真空釬焊方法固定，主要作用是封堵葉片緣板鑄造時(shí)的工藝退渣口。

將全臺(tái)共計(jì)72片高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片做能譜分析，結(jié)果表明第14塊高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片表面存在K40M，且所有高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片表面未見(jiàn)其他異常外來(lái)成分。這表明缺失的高壓渦輪導(dǎo)向器堵塊脫落，并且撞擊了高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片。分析認(rèn)為如果高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片受到外物打傷產(chǎn)生裂紋或裂口，裂紋或裂口損傷隨著高壓渦輪轉(zhuǎn)子工作出現(xiàn)擴(kuò)展，使高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部冷卻空氣從損傷處流出，葉片氣模冷卻失效造成葉片超溫?zé)g，在中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司失效分析中心分析報(bào)告中，有3片葉片疲勞起源特征為外物打傷。

因此，高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片受到外物打傷引起葉片冷卻失效有很大可能是某航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部超溫的主要原因。

3.某航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢查結(jié)論并改進(jìn)工藝

在初步判定為高壓渦輪導(dǎo)向器堵塊脫落打傷高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片引起葉片冷卻失效后，有大量的故障檢查事實(shí)滿足以上推論，如：高壓渦輪導(dǎo)向器工藝堵塊掉落；高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片損傷嚴(yán)重；高壓渦輪導(dǎo)向器及其他高壓渦輪后的流道件均有不同程度損傷；高壓渦輪之前的流道件故檢未發(fā)現(xiàn)異常；掉塊葉片主要集中在周向約1/4區(qū)域內(nèi)；故障起始發(fā)生在高壓渦輪導(dǎo)向器和高壓渦輪之間；從斷口分析結(jié)果來(lái)看，高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)疲勞斷裂是由于葉片超溫造成材質(zhì)疲勞性能下降，在源區(qū)應(yīng)力集中（氣膜孔和燒蝕缺陷）和振動(dòng)應(yīng)力作用下出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致掉塊；從試車情況分析，應(yīng)是高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生故障后引起的振動(dòng)；從以往高導(dǎo)葉片堵塊脫落故障分析，由于高導(dǎo)堵塊焊接工藝存在問(wèn)題，堵塊存在脫落的可能性，且堵塊脫落對(duì)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片等零件會(huì)造成傷害；從故障原因分析，高導(dǎo)葉片堵塊脫落打傷高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片可以造成高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片冷卻失效導(dǎo)致局部超溫，進(jìn)而發(fā)生撕裂掉塊等。

依據(jù)分析推得故障模式：發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，一個(gè)高壓渦輪導(dǎo)向器堵塊發(fā)生脫落，掉落在高壓渦輪導(dǎo)向器與高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片之間的流道內(nèi)。堵塊隨著氣流撞擊到高速旋轉(zhuǎn)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子某些葉片前緣，對(duì)這些葉片產(chǎn)生傷害，形成裂紋或裂口。裂紋或裂口損傷在熱應(yīng)力、離心應(yīng)力及振動(dòng)應(yīng)力等的共同作用下，逐步擴(kuò)展，導(dǎo)致高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片冷卻失效，致使葉片超溫造成材質(zhì)疲勞性能下降，進(jìn)而發(fā)生撕裂掉塊的情況。撕裂掉塊的葉片殘骸四散，對(duì)相鄰高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片繼續(xù)產(chǎn)生傷害。葉片的撕裂掉塊影響了附近其他葉片的冷卻效果，致使其他葉片也發(fā)生了超溫的情況。多個(gè)葉片的損傷使得高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡被破壞，高壓渦輪轉(zhuǎn)子發(fā)生振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值激增，振動(dòng)引起高壓渦輪轉(zhuǎn)子異位，高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片與高壓渦輪機(jī)匣外環(huán)以及空氣導(dǎo)管與低渦軸等發(fā)生異常碰磨。

至此，某航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中振動(dòng)故障的原因判定為高壓渦輪導(dǎo)向器堵塊脫落。針對(duì)此問(wèn)題，將高壓渦輪導(dǎo)向器堵塊的工藝方法由真空釬焊改為氬弧焊，某航空發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中杜絕了此類問(wèn)題的發(fā)生。

結(jié)語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展很大程度上是由于一次又一次解決了振動(dòng)問(wèn)題。振動(dòng)影響因素眾多，如何準(zhǔn)確抓住發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的罪魁禍?zhǔn)祝敬卧囼?yàn)過(guò)程振動(dòng)的排除方法可供相關(guān)技術(shù)人員借鑒：

（1）全面系統(tǒng)檢查故障航空發(fā)動(dòng)機(jī)，得到翔實(shí)的故障檢查結(jié)論；

（2）抓住故障檢查結(jié)論重要部分進(jìn)行最高能力分析；

（3）查閱振動(dòng)問(wèn)題數(shù)據(jù)庫(kù)尋找故障發(fā)生可能原因，利用排除法分析；

（4）大膽假設(shè)最可能原因，尋找事實(shí)證明，推理故障模式；

（5）判定故障原因，進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，充實(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題數(shù)據(jù)庫(kù)。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題的解決上，充實(shí)完善航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題數(shù)據(jù)庫(kù)、建立符合航空發(fā)動(dòng)機(jī)體系的分析問(wèn)題方法，才是解決振動(dòng)問(wèn)題，提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)技術(shù)的正確途徑。

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