渦輪葉片鋸齒形葉冠異常磨損分析

陳秋敏，周建鑫，方 騰，洪 兵

（1.中國航發(fā)成都發(fā)動機有限公司，成都 610503；2.空裝成都局某軍事代表室，成都 610503）

航空發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子葉片在高溫燃氣包圍下工作，承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的離心力、氣動力、熱應力及振動負荷，同時在高溫燃氣的沖擊下易于腐蝕。由于航空發(fā)動機的工況不斷變化，葉片還得經(jīng)受冷熱疲勞，所以是發(fā)動機中工作條件最為惡劣的零件之一。很多發(fā)動機特別是比較先進的發(fā)動機，渦輪工作葉片常采用帶冠配合的干摩擦阻尼結(jié)構，以提高渦輪效率和改善振動問題。原因是葉片采用帶冠結(jié)構后，可以減少葉尖漏氣，降低二次損失，提高效率；同時相鄰葉片的葉冠抵緊后可以減小葉片的扭曲變形和彎曲變形，增強葉片的剛性，在發(fā)動機工作狀態(tài)下，相鄰葉片葉冠間產(chǎn)生摩擦可以吸收振動能量，從而起到減振作用。

葉冠接觸設計不合理、加工工藝一致性較差原因?qū)е氯~輪初始緊度不夠、發(fā)動機工作中振動及熱負荷較大等情況，均會導致在多種載荷作用下，葉片之間不能持續(xù)保持合適的配合緊度狀態(tài)，在振動干摩擦作用下造成配合面逐漸損傷，隨著試車過程持續(xù)松動并進一步加速磨損。對于某型長壽命發(fā)動機，采用緊度配合的葉冠出現(xiàn)磨損是發(fā)動機大修時可能出現(xiàn)的故障，在允許的磨損量范圍內(nèi)可采用增材修復的方式恢復尺寸，但應避免在首翻壽命期內(nèi)提前出現(xiàn)配合面的嚴重磨損或者磨損尺寸超出修理范圍的情況，造成發(fā)動機振動偏大、密封性能下降，甚至葉輪整體松動、葉片斷裂故障，嚴重影響發(fā)動機安全。

1 異常磨損現(xiàn)象

某型發(fā)動機首翻壽命試車期間，低壓Ⅰ級渦輪葉片葉冠接觸面磨損，磨損面損傷程度不一，相鄰葉片葉盆、葉背配合面磨損凹凸形態(tài)呈現(xiàn)對應嚙合關系，磨損量超出設計圖下限，典型損傷葉片外觀如圖1所示。

理化分析結(jié)果：葉冠封嚴齒工作過程中配合面為干磨，導致葉冠封嚴齒局部產(chǎn)生黏著磨損，使得表面溫度較高發(fā)生變色，產(chǎn)生黏著磨損。

2 結(jié)構設計與分析

2.1 結(jié)構設計要求

低壓Ⅰ級渦輪葉片材料為鑄造高溫合金，葉冠采用鋸齒封嚴結(jié)構，設計上采用葉冠預扭轉(zhuǎn)，預扭轉(zhuǎn)角度（α角度）在葉輪裝配后回轉(zhuǎn)，使葉冠接觸面壓緊，葉冠接觸面與軸線平面的夾角（β角度）、接觸面弦長尺寸（A尺寸）均是與葉冠接觸緊度和接觸狀態(tài)有關的尺寸，共同增加葉冠接觸面積，在接觸面上產(chǎn)生足夠的過盈量和壓緊力。葉冠接觸面設計時裝配緊度太小，會增大振動和加速磨損，緊度太大會導致擠壓應力過高，影響葉片壽命。

2.2 接觸面工作狀態(tài)

2.2.1 接觸面積和接觸應力

本文針對發(fā)動機各工作狀態(tài)下的配合面接觸和壓緊力進行分析，驗證葉冠接觸面設計合理性。低壓Ⅰ級渦輪葉片裝配狀態(tài)下的A尺寸面接觸情況分析結(jié)果如圖2—圖6所示。圖3可見裝配狀態(tài)下為面接觸，接觸面積大約為80%；圖5可見最大轉(zhuǎn)速狀態(tài)下接觸面積增大至90%以上。因此在設計理論值條件下，裝配后的相鄰葉片為面接觸壓緊狀態(tài)，參照相關文獻分析結(jié)果，實際接觸面積大于工作面總面積的60%，防止局部接觸應力過大和磨損嚴重。

其他各級渦輪葉片葉冠結(jié)構類似，葉身逐級加長，通過計算分析，得到高壓Ⅱ級、低壓Ⅰ～Ⅳ級渦輪葉片在裝配狀態(tài)下各級葉片接觸面積呈遞減趨勢，葉冠接觸面的接觸應力分布結(jié)果見表1。

表1 各級帶冠葉片應力值

高壓轉(zhuǎn)速較大，高壓Ⅱ級渦輪葉片相較于低壓渦輪葉片接觸應力水平相對較高，平均應力為49.84 MPa，最大應力為205.97 MPa。

在低壓轉(zhuǎn)速下，低壓Ⅰ級渦輪葉片最短，葉冠接觸面的平均應力裝配狀態(tài)的平均應力（31.64 MPa）也為各級中最小。選取裝配、慢車、額定及起飛狀態(tài)（最大狀態(tài)）等不同轉(zhuǎn)速下的多個狀態(tài)，分別展開計算，得到工作狀態(tài)各轉(zhuǎn)速下接觸面的應力水平變化不大，其中最大狀態(tài)的平均應力最小，其值為23.78 MPa，低壓Ⅰ級渦輪葉片葉冠接觸面平均應力與工作轉(zhuǎn)速關系職如圖7所示。

對于低壓Ⅰ～Ⅳ級渦輪葉片而言，在裝配狀態(tài)下，葉片的長度、扭轉(zhuǎn)角逐級增大，裝配過盈量也隨之逐級增大，計算結(jié)果顯示，接觸面積比例逐級減小，而裝配狀態(tài)和最大狀態(tài)下接觸面的平均應力呈現(xiàn)上升趨勢。裝配狀態(tài)各級葉片接觸面積、接觸面平均應力和最大狀態(tài)下各級葉片接觸面平均應力分別如圖8—圖9所示。

2.2.2 振動特性分析

對低壓Ⅰ級渦輪葉片振動特性進行計算分析，在工作轉(zhuǎn)速內(nèi)，1～6階頻率不存在與轉(zhuǎn)速相關的共振點，如圖10所示。

2.2.3 小結(jié)

出現(xiàn)異常磨損的低壓Ⅰ級渦輪葉片葉冠裝配接觸狀態(tài)為面接觸，接觸面積約為85%；發(fā)動機最大工作狀態(tài)時接觸面能達到90%，在發(fā)動機各狀態(tài)下葉冠接觸面能夠持續(xù)保持足夠的接觸面積和配合緊度，且整體應力水平較低；通過計算1～6階振動頻率，工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不存在與轉(zhuǎn)速相關的共振點。因此葉片的結(jié)構、尺寸、頻率等設計合理。

3 異常磨損機理分析

在設計狀態(tài)正確合理的前提下，結(jié)合理化分析結(jié)果為配合面產(chǎn)生黏著磨損，應考慮葉片加工尺寸、葉輪裝配狀態(tài)、發(fā)動機工作熱負荷和振動是否超出規(guī)定要求。

3.1 葉片尺寸和裝配狀態(tài)

葉片加工和裝配工藝及過程影響最終成品尺寸、裝配和工作狀態(tài)。該批葉片為改進前工藝加工，葉冠A尺寸、L尺寸、葉冠預扭轉(zhuǎn)角α等均是通過葉身六點定位澆注方箱，將葉身鑄造基準轉(zhuǎn)移到方箱表面作為機加基準，再通過翻轉(zhuǎn)方箱實現(xiàn)尺寸磨削加工；檢測時同樣以方箱表面為基準進行尺寸測量或依靠工裝設備保證尺寸合格。存在加工工藝基準轉(zhuǎn)化、最終裝配基準和檢測基準不完全一致情況。

葉輪裝配后葉冠裝配間隙不均勻、整圈端面不平整，存在臺階差，導致實際接觸面積比設計理論條件下偏小，分析認為這些現(xiàn)象均與葉冠尺寸加工工藝基準轉(zhuǎn)換、加工一致性較差有關。裝配前未進行葉冠尺寸選配以嚴格確保初始緊度和各個葉片的配合均勻性，導致整圈葉片之間存在受力不均勻情況。

3.2 發(fā)動機振動

首翻壽命試驗發(fā)動機振動值未超出限定要求，試車過程中振動未發(fā)生較大變化，振動變化趨勢如圖11所示。

3.3 發(fā)動機工作熱負荷

為確保性能可靠，某型發(fā)動機確定了三個起飛狀態(tài)下的渦輪后燃氣溫度（排氣溫度）限制值，限制溫度1為初裝出廠排氣溫度，對應計算低壓Ⅰ級渦輪葉片前緣溫度802℃；限制溫度2為無引氣條件下確定的排氣溫度限制值，對應計算低壓Ⅰ級渦輪葉片前緣溫度850℃，限制溫度3為有引氣條件下確定的更高的排氣溫度限制值，對應計算低壓Ⅰ級渦輪葉片前緣溫度890℃。經(jīng)統(tǒng)計，試驗過程中起飛狀態(tài)總工作時間的68.56%在排氣溫度限制溫度2以上，其中0.96%時間已經(jīng)達到限制溫度3以上。經(jīng)換算，首翻壽命試驗發(fā)動機已完成相當于外場翻修壽命的循環(huán)數(shù)，但起飛狀態(tài)時間約為外場翻修壽命期的3倍，額定狀態(tài)時間為7.9倍。

從材料手冊可知該材料的溫度-抗拉強度曲線可以看出，低壓Ⅰ級渦輪葉片的材料在800℃以內(nèi)時強度持續(xù)穩(wěn)定在σb=1 020 MPa，超過該溫度后，性能開始急劇降低。首翻壽命試驗發(fā)動機實際起飛狀態(tài)、額定狀態(tài)時間已超過實際配裝飛機外場翻修壽命的使用載荷，起飛狀態(tài)對應的低壓渦輪進口溫度最高達到890℃，預計在地面起飛狀態(tài)比外場實際使用同狀態(tài)下低壓渦輪進口溫度高46℃。同時實際空中巡航時排氣溫度比地面溫度更低，外場實際使用過程中低壓渦輪進口溫度負荷低80～90℃。

因此首翻壽命試驗發(fā)動機起飛狀態(tài)和額定狀態(tài)排氣溫度較高的原因有2個方面，一是本臺試驗用發(fā)動機在檢驗試車時起飛狀態(tài)排氣溫度已經(jīng)超過限制溫度1以上10.9℃，后續(xù)首翻壽命試車過程中溫度持續(xù)偏高；二是試車過程中引氣量較大，使得發(fā)動機長時間處于較高負荷下工作，加劇了排氣溫度的上升。

對比首翻壽命試驗發(fā)動機起飛狀態(tài)時間和實際外場使用負荷，首翻壽命試驗發(fā)動機考核試車過程溫度較高、時間長，導致材料強度性能急劇降低；外場實際使用的某臺發(fā)動機工作溫度正常，其材料強度性能處于800℃轉(zhuǎn)折段。因此首翻壽命試驗發(fā)動機葉冠接觸面在材料強度性能較低狀態(tài)的工作時間太長，促使葉冠磨損程度嚴重且磨損速率較高。

4 結(jié)論與建議

綜合磨損機理分析、結(jié)構分析、工藝過程及發(fā)動機實際使用情況對比，得出渦輪葉片葉冠異常磨損的原因有以下幾個方面。

（1）改進前工藝加工的葉片為葉身定位加工榫頭和葉冠，加工基準、檢測基準、裝配基準不一致，存在葉片加工一致性較差問題。

（2）未進行葉冠尺寸終檢，且在裝配前未選配葉片（過盈量由合格葉片保證），導致部分葉片裝配后存在葉輪的初始緊度可能不足、裝配均勻性較差問題。

（3）首翻壽命試驗發(fā)動機試車溫度負荷明顯高于外場，起飛狀態(tài)和額定狀態(tài)試車時間長，葉片長期工作在材料性能急劇下降的溫度以上，材料耐磨損性能下降，在振動沖擊作用下磨損加劇。

為避免在翻修期內(nèi)提前出現(xiàn)較嚴重的葉冠磨損和松動，可采取以下措施。

（1）開展葉片加工工藝改進后的驗證，加工榫頭后，夾持榫頭加工葉冠裝配面，確保加工基準與裝配基準一致。

（2）增加成品葉片葉冠尺寸復測，按照榫頭作為定位裝夾基準進行測量，確保測量基準和裝配基準一致。

（3）選配葉片葉冠尺寸，保證葉輪狀態(tài)葉冠初始緊度滿足要求，且葉冠裝配一致性較好、葉輪整體受力均勻。

（4）結(jié)合大修用發(fā)動機使用驗證情況，開展配合面耐磨涂層噴涂/耐磨合金焊接研究。

（5）從加工、裝配、試車使用各方面持續(xù)開展發(fā)動機排氣溫度影響因素分析和控制技術研究，從降低溫度負荷方面改善葉冠異常磨損問題。