燃?xì)鉁u輪起動機離心葉輪葉片斷裂分析

武 威 ， 滕旭東 ， 隋海鷗

（1.中國航發(fā)常州蘭翔機械有限公司，江蘇 常州 213002；2.空軍駐370 廠軍事代表室，江蘇 常州 213002）

0 引言

離心葉輪是燃?xì)鉁u輪起動機中重要的部件，其強度和振動特性是結(jié)構(gòu)完整性的重要指標(biāo)之一，不僅影響整個起動機的性能，還關(guān)系到起動機的壽命、安全等諸多方面；因此，在研制及試車的過程中，對于強度及振動之間的關(guān)系必須給與足夠高的重視。目前，國內(nèi)開展了大量關(guān)于離心葉輪的研究，通過對故障件進(jìn)行失效分析、有限元計算等，對發(fā)生故障的離心葉輪進(jìn)行改進(jìn)，減少了類似故障的頻發(fā)。文獻(xiàn)[1]中列舉了很多由于葉片強度、振動（低階振動）不足，高周疲勞失效導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子葉片斷裂、裂紋的故障。

在對燃?xì)鉁u輪起動機進(jìn)行長試考核時，發(fā)生離心葉輪排氣邊葉片斷裂的嚴(yán)重故障。對故障件的斷口、裂紋進(jìn)行斷裂分析、組織檢查等，通過有限元計算，綜合考慮低階低頻、高階高頻振動及可能引起振動的激振源，將故障現(xiàn)象和計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，為故障排除以及離心葉輪振動特性計算提供參考依據(jù)。

1 試驗過程與結(jié)果

離心葉輪和襯套通過螺母和銷釘以及過盈量保證兩者之間的裝配關(guān)系（圖1），其中葉輪有12 對大小葉片，材料為鋁合金（2A70），襯套材料為高溫合金（GH696），離心葉輪表面噴漆。離心葉輪前端與附件傳動機匣相連，后端與徑向擴壓器（28 個葉片）相連。工作時，燃?xì)鉁u輪起動機轉(zhuǎn)速從0 逐漸增加到最大工作轉(zhuǎn)速并停留30 s，然后再降低到0。

圖1 離心葉輪結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of centrifugal impeller

1.1 宏觀觀察

對離心葉輪的葉片進(jìn)行宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，葉片排氣邊出現(xiàn)斷裂和開裂現(xiàn)象。其中，10 個主葉片和7 個分流葉片斷裂，4 個分流葉片開裂，其余葉片目視完好，所有斷裂葉片的外觀相似，均在排氣側(cè)葉根處發(fā)生“矩形狀”的斷裂掉塊；裂紋葉片開裂與斷裂葉片橫向斷口類似，沿著葉根橫向發(fā)展。葉片斷裂和裂紋的形貌如圖2所示。

1.2 斷裂葉片斷口觀察

主葉片與分流葉片的斷裂位置及形式類似，均位于排氣邊，沿著葉根橫向發(fā)展一段后轉(zhuǎn)向沿葉高方向縱向發(fā)展，直至發(fā)生“矩形掉塊”。主葉片“矩形掉塊”尺寸約為7.0 mm×7.7 mm，距離葉根約1.9 mm（圖3）。

主葉片和分流葉片斷口宏觀形貌類似，葉根方向和葉高方向斷口均較粗糙，呈現(xiàn)灰色金屬光澤，葉根橫向斷口可大致看到弧線、棱線與臺階形貌，縱向斷口呈現(xiàn)纖維狀斷裂形貌（圖4）。

圖2 葉片的損傷形貌Fig.2 Appearance of fracture blades

圖3 斷裂主葉片“矩形掉塊”形貌Fig.3 The rectangular drop appearance of fracture main blades

利用掃描電鏡觀察葉片的微觀形貌，可見：主葉片和分流葉片的斷口微觀形貌相似，葉根方向斷口有一定的磨損特征；裂紋起源于葉盆側(cè)，呈多源、小線源形貌；擴展區(qū)可見疲勞條帶，為典型的疲勞斷裂特征；葉高方向斷口為過載的韌窩和磨損混合特征（圖5）。

1.3 開裂葉片斷口觀察

葉片的開裂形貌類似，裂紋位于排氣邊，沿葉根方向，位置與斷裂葉片葉根方向斷口一致。裂紋穿透整個葉片厚度，葉盆側(cè)擴展較大，葉背側(cè)擴展較小，從側(cè)面觀察，開裂造成葉片向葉背側(cè)錯位。分流葉片的葉盆側(cè)裂紋長度約為7.0 mm，葉背側(cè)裂紋長度約為4.7 mm（圖6）。

掃描電鏡下觀察開裂葉片裂紋可知，斷口有一定的磨損特征，裂紋起源于葉盆側(cè)，呈多源、小線源形貌，擴展區(qū)可見疲勞條帶，為典型的疲勞斷裂特征，人為打斷區(qū)為過載的韌窩特征（圖7）。

1.4 材質(zhì)檢查

圖4 斷裂葉片斷口宏觀形貌Fig.4 Macro appearances of fracture blades

圖5 主葉片斷口微觀形貌Fig.5 Microscopic feature of the fracture blades

圖6 葉片裂紋形貌Fig.6 Appearance of crack blades

故障件離心葉輪的材料為2A70 鋁合金（鍛件），分別選取開裂葉片和完好葉片利用線切割分別截取排氣邊垂直葉高方向截面（圖8）。磨制拋光制備金相試樣進(jìn)行組織檢查。金相組織檢查結(jié)果表明：開裂葉片與完好葉片組織均勻，未見明顯差異（圖9）。

對金相試樣進(jìn)行顯微硬度檢查，開裂葉片與完好葉片硬度均勻，未見明顯差異，滿足圖紙和技術(shù)條件要求（表1）。

2 離心葉輪振動特性分析

為驗證離心葉輪在實際工作中是否出現(xiàn)共振，對離心葉輪進(jìn)行振動特性分析，計算時取一對完整大小葉片在內(nèi)的循環(huán)對稱段作為計算模型，有限元模型見圖10。

圖7 葉片打斷斷口微觀形貌Fig.7 Microscopic feature of the interrupt blades

圖8 金相取樣位置Fig.8 Metallographic sampling location

圖9 開裂葉片與完好葉片組織對比Fig.9 Tissue contrast of crack and good blades

表1 硬度分析結(jié)果（HV0.2）Table 1 Hardness analysis reaults（HV0.2）

圖10 有限元計算幾何模型Fig.10 Finite element model of centrifugal impeller

計算時，模擬實際裝配情況，對圖10 中扇形區(qū)的兩側(cè)進(jìn)行循環(huán)對稱約束，并對A、B 2 個端面分別施加軸向和周向約束，計算不同轉(zhuǎn)速時的振動頻率，繪制不同節(jié)徑時的坎貝爾圖。綜合考慮坎貝爾圖中交點的共振轉(zhuǎn)速與設(shè)計轉(zhuǎn)速之間的共振裕度、可能引起共振的激振源及振動應(yīng)力分布等因素，確定引起共振的坎貝爾圖[2-3]（圖11）。圖11中：從0 點出發(fā)的3 條射線分別代表等轉(zhuǎn)速線（K=1）、四倍頻（K=4）及二十八倍頻（K=28）轉(zhuǎn)速線；4 條豎線分別代表設(shè)計轉(zhuǎn)速的60%、設(shè)計轉(zhuǎn)速的80%、設(shè)計轉(zhuǎn)速、參考轉(zhuǎn)速。從圖中可以看出，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，K=1、K=4 的轉(zhuǎn)速線與各階振動頻率均沒有交點，K=28 轉(zhuǎn)速線與各階均有交點。由于起動機工作的特殊性，本次長試試車時，在設(shè)計轉(zhuǎn)速以下的任何轉(zhuǎn)速均不停留，直接加速到設(shè)計轉(zhuǎn)速后停留30 s，計算圖11 中的共振轉(zhuǎn)速并分析共振轉(zhuǎn)速與設(shè)計轉(zhuǎn)速之間的共振裕度可知，除第37～40 階的共振轉(zhuǎn)速與設(shè)計轉(zhuǎn)速之間的共振裕度較?。ㄐ∮诠舱裨６?0%的要求[4]），并且振動應(yīng)力分布與故障件相似，振動應(yīng)力峰值與故障件裂紋位置相同，第37（38）階及第39（40）階的振動應(yīng)力分布如圖12 所示。

3 分析與討論

圖11 4 節(jié)徑坎貝爾圖Fig.11 4-knot camp bell diagram

圖12 振動應(yīng)力分布Fig.12 Vibration stress distribution

離心葉輪在短時間試車時就出現(xiàn)多數(shù)葉片在葉根位置發(fā)生橫向疲勞斷裂，斷裂位置、斷裂性質(zhì)、起源位置均一致，且源區(qū)未見冶金缺陷，葉片這類高周疲勞斷裂模式往往與振動有關(guān)[5-6]。

通過離心葉輪振動特性分析結(jié)果可知，在設(shè)計轉(zhuǎn)速附近存在由徑向擴壓器帶給葉片的高階高頻強迫耦合振動，通過計算可知，該故障件出口外徑與徑向擴壓器葉片進(jìn)口半徑的比值接近正常比值范圍的下限，這是一種非常規(guī)設(shè)計；從徑向擴壓器葉片的葉型來分析可知其為典型的超音速擴壓器；三維定常流場分析結(jié)果表明，離心葉輪的出口絕對馬赫數(shù)已超過音速，在徑向擴壓器進(jìn)口存在較強的激波[7-11]。根據(jù)離心壓氣機的流動特點，在離心葉輪出口處射流和尾流的分界面明顯，速率和壓力梯度大，如下游的無葉擴壓段短，則其摻混時間短、摻混區(qū)域小，嚴(yán)重影響徑向擴壓器的進(jìn)口流場。尾流與激波的相互干擾形成的氣流脈動可能激起離心葉輪的高階振動，影響離心葉輪的壽命。同時對試車譜進(jìn)行分析，離心葉輪在共振轉(zhuǎn)速附近長時間工作，使得循環(huán)振動次數(shù)超過了鋁合金材料的低循環(huán)疲勞壽命，滿足了高周疲勞累計損傷的條件。

4 結(jié)論

1）離心葉輪葉片斷裂性質(zhì)為高周疲勞。

2）離心葉輪在設(shè)計點附近存高頻耦合共振，同時激振載荷相對較強，兩者共同作用導(dǎo)致葉片出現(xiàn)較高的振動應(yīng)力，經(jīng)過一定的振動循環(huán)以后，葉片因高周疲勞累積損傷而出現(xiàn)破壞，最終導(dǎo)致葉片斷裂。