發(fā)動機壓氣機葉片斷裂故障分析與試驗驗證

張再德

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

0 引言

發(fā)動機是飛機的心臟[1]，壓氣機葉片是發(fā)動機的關鍵轉動件，其可靠性直接影響發(fā)動機的安全[2]。壓氣機在服役期間承受高溫、高頻且超長周次的載荷作用，易發(fā)生疲勞斷裂事故[3]。在發(fā)動機眾多的斷裂件中，先確定首斷件及肇事件是故障分析的關鍵[4]。對于故障發(fā)動機，經分解檢查后，根據損傷情況確定首斷件[5]，然后分析故障原因，必要時進行試驗驗證[6]。

渦軸發(fā)動機裝直升機調試過程中，雙發(fā)燃氣溫度相差195 ℃，發(fā)動機性能嚴重異常，隨后發(fā)動機返廠試車驗證，此時發(fā)動機性能正常。在隨后的試車過程中，發(fā)動機尾噴管和放氣活門突然出現大量火星并停車。分解檢查發(fā)現，發(fā)動機壓氣機Ⅱ級、Ⅲ級盤葉片發(fā)生斷裂。葉片材料均為TC11鈦合金。

1 故障分析

在故障發(fā)生前，發(fā)動機各參數均未見異常，發(fā)動機振動、起動時間、停車余轉時間均正常。故障出現后，發(fā)動機很快停車。

1.1 分解檢查

壓氣機Ⅱ級、Ⅲ級盤全部葉片靠近根部斷裂（圖1）；葉片盤上的石墨涂層存在明顯刮磨，但未露基體。Ⅰ級靜子葉片進氣邊未見明顯損傷，但每片葉片葉盆面葉根處均有一處變形，排氣邊及葉盆面損傷明顯，排氣邊葉根存在撕裂現象；Ⅱ級靜子扇形段進氣邊和排氣邊均有損傷，但排氣邊較進氣邊損傷嚴重，葉根處有撕裂現象，Ⅲ級靜子葉片進氣邊和排氣邊損傷情況相當，葉根處有撕裂現象，所有靜子葉片均無整片斷裂現象；軸流機匣第一道涂層有輕微刮磨痕跡；第二、三道涂層刮磨損傷嚴重，已露出基體。

圖 1 故障后的壓氣機葉片盤Fig.1 Compressor blades after failure

對發(fā)動機裝機附件進行檢查，發(fā)現線位移傳感器插針頂部存在變形現象，插針蓋板與筒體配合處有約0.8 mm的間隙，相當于導葉角度關小2°（圖 2）。

圖 2 線位移傳感器Fig.2 Linear displacement sensor

通過分解過程的檢查，除線位移傳感器插針頂部存在變形現象外，其他外觀、尺寸異常均為故障后損傷導致。

1.2 冶金分析

1）斷口宏觀觀察。

從斷口宏觀和痕跡上看，Ⅱ級葉片斷口分為2類斷口形貌：一類是疲勞擴展充分（疲勞區(qū)面積約40%）的疲勞斷裂[7]，23片葉片中有2片葉片屬于此類（圖3）；另一類是較大應力作用下的，在葉盆側（個別在葉背側也存在）可見較小面積的多個線性起源的小疲勞臺階的疲勞斷裂[8]，其中有13個葉片可見。

圖 3 疲勞擴展充分葉片斷口Fig.3 Fracture of blade with full fatigue propagation

壓氣機Ⅲ級盤29片葉片均在葉片葉身根部折斷，所有葉片未發(fā)現類似Ⅱ級盤葉片疲勞擴展充分的疲勞區(qū)。

2）斷口微觀觀察。

Ⅱ級盤葉片疲勞擴展充分葉片疲勞起源于距進氣邊約6.4 mm的葉盆側，呈單個點源特征，源區(qū)未見冶金缺陷，擴展區(qū)可見細密的疲勞條帶[9]，在斷口后期可見小弧線（圖4）。Ⅱ級盤葉片疲勞擴展充分，葉片斷口基本被磨損，無法觀察斷口原始形貌以及疲勞起源，在平坦區(qū)局部微觀未磨損到的小區(qū)域可觀察到細密的疲勞條帶，且從弧型輪廓和疲勞條帶方向可判斷疲勞起源于葉盆側，因此確認Ⅱ級盤葉片疲勞擴展充分葉片斷口也為擴展比較充分的疲勞斷裂。

圖 4 疲勞擴展充分葉片微觀特征Fig.4 Microscopic fracture characteristic of blade with full fatigue propagation

Ⅲ級盤上29片葉片基本上每片葉片在葉背面中部均存在一個平坦區(qū)，該區(qū)呈現多個線性的疲勞起源和擴展，但擴展面積較?。▓D5）。

圖 5 Ⅲ級盤葉片斷口Fig.5 Fracture of blade of stage Ⅲ compressor

3）機匣刮磨情況解剖檢查。

軸流機匣第一道機匣涂層（對應1級葉盤）未露出基體；第二、三道涂層（分別對應Ⅱ、Ⅲ級盤）刮磨損傷嚴重，已露出基體。Ⅲ級盤對應的機匣段局部基體螺紋已經被刮磨掉大半，而Ⅱ級盤對應的機匣段基體螺紋基本完好，Ⅲ級盤葉片與機匣的刮磨程度重于Ⅱ級盤葉片與機匣的刮磨程度。每級機匣上對應葉片進氣邊刮磨較排氣邊嚴重。從刮磨程度周向分布看，刮磨程度在周向分布不均勻，且整體看Ⅲ級盤葉片與機匣的刮磨不均勻性稍大于第Ⅱ級盤葉片。

4）其他檢查。

分別在Ⅱ、Ⅲ級盤輪盤部位取樣進行化學光譜分析，成分符合技術條件要求。對在離心葉輪外罩及離心葉輪處、擴壓器、大彎管、導葉支座、擴壓器進口處、火焰筒、內機匣等部位收集的袋碎塊、碎屑經目視、磁性檢查及能譜分析[10]可知：大部份碎塊、碎屑為TC11鈦合金，為壓氣機Ⅱ、Ⅲ級轉子及離心葉輪葉片材料；還有靜子葉片材料、鋁-硅涂層材料、鎳-石墨涂層材料、積碳等，未見外來物。對有殘留斷面的碎塊觀察均為韌窩，未見疲勞特征。

1.3 分析與討論

斷口分析結果表明：Ⅱ級盤葉片斷口上可見兩類疲勞斷口：第一類斷口疲勞區(qū)平坦，起源為單源，疲勞擴展充分（約40%），擴展區(qū)條帶細密，斷裂性質為高周疲勞[11]；另一類斷口上起源為多個線性起源，疲勞擴展區(qū)面積很小，斷裂性質為大應力疲勞。Ⅲ級盤所有葉片斷口均可見小面積的疲勞特征，疲勞起源在葉盆側，呈現多個線源特征，斷裂性質為大應力疲勞[12]。

根據故障現象可知，Ⅱ、Ⅲ級盤和機匣存在嚴重的刮磨現象，Ⅱ級盤葉片大應力疲勞斷裂斷口的起源和斷口特征與葉片在刮磨作用下的斷口起源和擴展類似；Ⅲ級盤葉片斷口也與在刮磨作用下導致的葉片彎曲振動類似，因此分析認為，Ⅱ、Ⅲ級盤葉片出現大應力疲勞斷裂的葉片是由于受到了異常的刮磨導致。

綜上所述，分析認為：Ⅱ級盤葉片中第一類斷口葉片為故障的首斷件，也是此次故障的肇事件；Ⅱ級盤其他葉片和Ⅲ級盤葉片的斷裂為首斷件發(fā)生高周疲勞斷裂后葉片葉尖刮磨所致。

2 故障原因分析及試驗驗證

2.1 原因分析

根據冶金分析結果，從設計、制造和裝配、使用方面對故障原因進行綜合分析。

在設計方面，Ⅱ級盤葉片強度壽命計算、低循環(huán)疲勞部件試驗、超轉破裂零部件試驗表明設計壽命滿足要求，多臺完成長試的發(fā)動機分解后Ⅱ級盤葉片均無異常；發(fā)動機正常運行時均未出現明顯葉尖碰磨、軸向碰磨現象，表明徑向和軸向設計間隙合理；壓氣機壁面動態(tài)靜壓測量試驗和整機葉尖振幅測量試驗表明不會出現旋轉失速問題；溫度場計算結果表明不會出現高溫及熱損傷疲勞問題；振動特性計算、振動應力測試、葉尖振幅測量試驗及高周疲勞評估表明，在穩(wěn)態(tài)工作轉速范圍內沒有危險共振；葉片滿足λ1＞0.3（彎曲顫振）、λ2＞1.6（扭轉顫振）的準則要求，葉片振幅測量試驗驗證了工作范圍內沒有發(fā)現葉片顫振。

在制造和裝配方面，復查了裝機零件，從毛坯驗收到加工過程符合質量體系要求，過程受控；故障件材質和尺寸進行了復測，符合要求；故障件零件頻率、裝機間隙測量記錄未見異常；分解時檢查壓氣機轉子軸向預緊未發(fā)生變化，轉子未松動；軸承未見損壞，發(fā)動機振動未見異常。

在使用方面，目視檢查和各處收集的碎塊、碎屑進行磁性檢查及能譜分析，未見外來物；發(fā)動機運行數據分析結果表明，發(fā)動機未發(fā)生喘振；發(fā)動機在外場及廠內均進行了跟隨性檢查，未出現可調葉片不跟隨現象；線位移傳感器插針頂部存在變形，可能存在反饋信號不準確，可能出現可調葉片角度不準確問題；另外，中間位置葉片所受到的非正常激勵頻率，除了以上、下游葉排葉片數為基頻的各倍頻以外，還會由于上下游葉排相互干涉，耦合出新的頻率，可能出現嚴重進氣畸變問題。

2.2 燃氣溫度偏高整機試驗驗證

為排查燃氣溫度偏高原因，進行4種情況下臺架整機模擬試驗：

1）直升機最大引氣條件。

2）導葉角度分別為 20°、30°。

3）放氣活門常開，直升機最大引氣，安裝常規(guī)進氣畸變板（DC60=-0.41）、導葉角度關13°。

4）改裝畸變板（DC60=-1.05），直升機最大引氣，導葉角度關3°。

整機模擬試驗結果表明，在第4種情況下，發(fā)動機參數與外場T45溫度偏高時發(fā)動機參數相當。

2.3 壓氣機葉片葉尖振幅測量試驗

為驗證壓氣機Ⅱ級葉片斷裂的故障機理，在整機上模擬外場可能出現的狀態(tài)，進行不同條件下壓氣機葉片葉尖振幅測量試驗[13]。測試及分析結果表明：

1）在90.8%轉速附近，Ⅱ級葉片存在3倍頻引起的1階彎曲共振；

2）發(fā)動機正常使用狀態(tài)下，Ⅱ級葉片葉尖振幅不大于0.2 mm，對應的振動應力小于120 MPa，葉片高周疲勞儲備系數[14]為3.88，大于2.1的標準要求；

3）當進氣畸變指數DC60=-1.05，導葉角度關3°，直升機最大引氣時，在90.8%轉速附近，Ⅱ級葉片葉尖最大振幅為0.79 mm，對應的最大振動應力為472 MPa，高周疲勞儲備系數為1.0，遠小于2.1的標準要求（圖6）。

3 結論

1）壓氣機Ⅱ級、Ⅲ級盤全部轉子葉片靠近根部斷裂，Ⅱ級部分轉子葉片呈高周疲勞性質，為首斷件。

圖 6 Ⅱ級盤葉片Goodman圖Fig.6 Goodman diagram of blade of stage Ⅱ compressor

2）發(fā)動機嚴重進氣畸變狀態(tài)下，發(fā)動機燃氣溫度偏高，Ⅱ級轉子葉片一階彎曲振動應力過高。

3）非正常激勵頻率、可調葉片角度偏小是導致壓氣機葉片斷裂的原因。