航天發(fā)動機渦輪葉片失效分析.doc

航空發(fā)動機渦輪葉片失效分析 渦輪葉片是航空發(fā)動機最主要的部件之一，高溫1600-1800度長期工作、要承受300米/秒左右的風速、高負荷（根據作用力的大小確定）、結構復雜的典型熱端機械構件，它的設計制造性能和可靠性直接關系到整臺發(fā)動機的性能水平耐久性和壽命。為了提高發(fā)動機的推重比，葉片設計時常采用比強度高的新材料；采用先進復雜的冷卻結構及工藝；降低工作裕度等措施來實現(xiàn)。因此，研究渦輪葉片失效分析對提高發(fā)動機工作安全及正確評估葉片的損傷形式和損傷程度有重要意義。1.渦輪轉子葉片結構特點 現(xiàn)代航空發(fā)動機多處采用多級軸流式渦輪。渦輪葉片具有氣動力翼型型面，為了使燃氣系統(tǒng)排出的燃氣流竜在整個葉片長度上做等量得功，并保證燃氣流以均勻的軸向速度進入排氣系統(tǒng)從葉根到葉尖有一個扭角，葉尖處的扭角比葉根處要大。 渦輪轉子葉片在渦輪盤上的固定方法十分重要，現(xiàn)代大多數(shù)燃氣渦輪發(fā)動機轉子都采用“樅樹形”榫齒。這種榫齒精確加工和設計，以保證所有榫齒都能按比例承受載荷。當渦輪靜止時，葉片在榫槽內有一定的切向活動量；而當渦輪轉動時，離心力將葉根拉緊在盤上。 渦輪葉片材料是保證渦輪性能和可靠性的基礎，渦輪葉片早期是用變形高溫合金，采用鍛造的方法制造。由于發(fā)動機設計與精鑄技術的發(fā)展，發(fā)動機渦輪葉片從變形合金發(fā)展為鑄造合金從實心發(fā)展為空心，從多晶發(fā)展為單晶，從而大大提高了葉片的耐熱性能。由于鎳基單晶超合金具有卓越的高溫蠕變性能已成為制造航空發(fā)動機熱端部件的重要材料。渦輪葉片的工作條件和受力分析2.葉片的工作條件 渦輪葉片時直接利用高溫高速燃氣做功的關鍵部件，溫度高負荷大應力狀態(tài)復雜工作環(huán)境非常惡劣。渦輪葉片在高溫燃氣的工作條件下，高溫氧化和燃氣腐蝕則是其主要的表面損傷形式。氧和硫是影響鎳基合金高溫合金氧化抗力最有害的兩種元素。氧化晶界擴散與晶界上的Cr。Al.。和Ti等元素發(fā)生化學反應形成氧化物，然后氧化物開裂，使疲勞裂紋萌生與擴展。硫以引起晶界脆化的方式加速疲勞裂紋的萌生與擴展。 渦輪轉子葉片在工作中一直處于高溫工作狀態(tài)，因此熱疲勞和高溫蠕變性能也是渦輪轉子葉片的重要失效抗力指標。渦輪轉子葉片主要是共振，在一般情況下很少出現(xiàn)顫振。3.渦輪轉子葉片受力分析 發(fā)動機在工作時，作用在渦輪轉子葉片上的力主要有以下幾種：葉片自身質量產生的離心力；作用在葉片上的彎曲應力；熱應力；振動應力。3.1葉片自身質量產生的離心力 渦輪葉片任一垂直于葉片軸線橫截面上的離心拉應力，等于該截面上的離心力沿葉片軸線方向的分量與截面面積之比。常用數(shù)值積分法求不同截面上的離心拉伸應力，將葉片分成n段，從葉尖到葉根有0，1，2，n，共n+1個截面，該葉片第i個截面面積為Ai則該截面上的離心拉伸應力為 （3-1）葉片分段愈小，計算結果就越精確。離心拉伸應力在葉尖截面處為零。向葉根方向逐漸增大，根部截面的離心拉伸應力最大。3.2作用在葉片上的彎曲應力 燃氣驅動渦輪轉子葉片，有很大的橫向其體力作用在葉片上，從而產生彎曲應力，還會引起扭轉應力。若轉子葉片各截面重心的連線不與z軸重合，則葉片旋轉時產生的離心力還將引起離心力彎矩。作用在轉子葉片某一截面上的總彎矩應等于作用在該截面上的氣體力彎矩和離心力彎矩的代數(shù)和3.3熱應力 對于渦輪葉片轉子，不僅工作溫度高，而且葉型厚度變化大。在燃氣的沖擊下，會產生很大的熱應力。此外。發(fā)動機工作狀態(tài)的變化，使葉片的溫度也隨之變化，尤其在啟動停車時溫度變化更為劇烈。在發(fā)動機使用過程中，每啟動和停車一次，渦輪葉片上就會出現(xiàn)一次交變的熱應力。一般可用下列公式進行簡單的計算 (3-3)式中 零件指定部位熱應力; E材料的彈性模量； 材料的熱膨脹系數(shù)； 受熱部件指定部位的溫度變化梯度。 熱應力對渦輪轉子葉片強度的影響是不可忽視的。一方面材料的力學性能隨溫度升高而降低，另一方面葉片上的某些部位總應力將增大，這就使葉片的安全裕度明顯下降。為了提高渦輪葉片的安全裕度應采取措施減小熱應力，其中包括： 1。在滿足氣動性能的前提下，盡量減小葉片的厚度差，特別是排氣邊緣不可過薄。有時可將葉片設計成空心的，以使壁厚盡可能均勻。 2。采取適當?shù)睦鋮s方法，使葉片的溫度下降，溫差減小，以降低熱應力。 3。選用導熱性能好的葉片材料，使葉片上的溫度分布盡快趨向均勻，以減少熱應力。3.4振動應力 由于氣流的擾動等原因會激起葉片振動，使葉片產生交變的彎曲應力和扭轉應力。大量失效分析結果表明，渦輪葉片的斷裂失效，大多數(shù)是由于在離心應力的基礎上疊加了振動應力所致。下一部分將單獨討論。4.轉子葉片的振動類型及其特征 轉子葉片在工作狀態(tài)下要承受大的離心應力載荷，如果再疊加上非正常工作情況下引起的振動交變載荷則極有可能導致葉片早起疲勞斷裂失效。大部分轉子葉片的疲勞斷裂失效均與各種類型的振動有關。4.1轉子葉片的震動分類與基本振型 渦輪葉片在實際工作中出現(xiàn)振動，按振動的表現(xiàn)形式分，主要有強迫振動、顫振、旋轉失速和隨機振動四種；按照葉片振動里的來源分，有強迫振動和自激振動；按作用在葉片上的應力分有振動彎曲應力和扭轉應力。對于實際葉片振動分析，主要是自振頻率、振型、振動應力和激振力的來源四個因素。在一般清快下，頻率越高，振幅越小，危險性也就越小，大幅低頻振動最為危險。 振型是指葉片以某階自振頻率振動時，葉片各部分的相對振動關系。典型的振型有一彎、二彎、三彎和一扭、二扭等。對于渦輪轉子來說，主要是一彎和一扭振型。4.1.1尾流激振 在發(fā)動機環(huán)形氣流通道中存在障礙物，當葉片轉子經過這些障礙物時，葉片所受的氣動力將有所改變，會引起激振力?；鹧嫱渤隹诹鲌龇植际遣痪鶆虻?，對于渦輪轉子會產生類似于均布障礙物的影響也會引起激振力。4.1.2顫振 顫振屬于自激振動，葉片的振型與頻率都與尾流激振大致相同，它與強迫振動不同之處在于它不伴有任何帶頻率的激振力。顫振的頻率基本上由葉片本身的幾何尺寸和材料性質所決定，因而稱為“自激振動”。 顫振有亞音速失速、亞音速非失速、超音速失速、超音速非失速及堵塞顫振等。葉片自激振動時必然要從氣流中吸取能量，以補償震動的阻尼場。發(fā)生顫振的必要條件是氣流攻角大于臨界攻角，葉背氣流分離引起升力變化，導致顫振。 顫振多發(fā)生在壓氣機轉子葉片，而渦輪轉子葉片很少見到顫振。顫振的危害性很大，可在極短時間內使葉片發(fā)生斷裂失效，而且往往使一個扇形面內的多個葉片斷裂。4.1.3隨機振動 隨機振動在各個頻率下都有激振力，這些激振力作用在葉片上，會引起葉片普遍的強迫振動，而在某幾個頻率下引起共振，這幾個頻率就是葉片的自振頻率。隨機振動的激振源是強大的噪聲，故又將此引起的葉片疲勞成為噪聲疲勞，噪聲源是葉片對氣流的干擾和氣流燃燒。噪聲越大，激振力越強，葉片受損可能性越大。5.葉片的失效模式 分析葉片產生失效的主要原因，歸納起來主要包括：熱疲勞在內的低循環(huán)疲勞。振動引起的高循環(huán)疲勞，高溫長時間載荷作用下的蠕變變形和蠕變應力斷裂，高溫燃氣沖刷腐蝕和氧化、以及外物損傷等。轉子葉片的失效模式隨工作條件的不同而有所不同，主要是外物損傷、變形伸長和斷裂三種失效形式。 葉片的外物損傷失效主要表現(xiàn)為凹坑、掉塊、表層剝落、彎曲變形、裂紋和折斷等。其中凹坑、裂紋等損傷往往會成為腐蝕和疲勞斷裂的初因。 轉子葉片變形伸長失效的直接后果是葉身與機匣相磨，降低發(fā)動機的使用可靠性。其主要原因有：材料選用不當或熱處理工藝不當使葉片的屈服強度偏低；葉片工作溫度過高，是葉片強度降低；或者發(fā)動機超轉，造成離心力過高。葉片變形失效在實際使用中出現(xiàn)的概率較低。判斷葉片是否發(fā)生變形伸長的主要依據是檢查機匣有無磨損的痕跡或檢查葉片是否由于使用溫度過高而發(fā)生蠕變。 轉子葉片出現(xiàn)斷裂失效的概率最高，其危害性也最大，往往是一個葉片折斷而打壞其他葉片，乃至使整臺發(fā)動機無法工作而危及飛行安全。除因外物撞擊造成葉片瞬時過載斷裂外，絕大多數(shù)是由于各種原因引起的不同類型的疲勞斷裂失效。 葉片疲勞斷裂失效主要是因為離心力疊加彎曲應力引起的疲勞斷裂、由振動環(huán)境引起的顫振，扭轉共振、彎曲振動疲勞斷裂以及由環(huán)境介質以及接觸狀態(tài)引起的高溫疲勞、微動疲勞和腐蝕損傷導致的疲勞斷裂。但由于葉片工作環(huán)境的復雜性，葉片實際的疲勞斷裂往往并非上述某一模式。而是多種情況的疊加。5.1葉片的低周疲勞斷裂失效 轉子葉片在實際運行過程中，一般情況下不容易出現(xiàn)低周疲勞斷裂失效，但在以下三種情況下，會出現(xiàn)低周疲勞斷裂失效： 1.葉片危險截面上所受的正常工作應力雖低于材料的屈服強度，但當危險截面附近存在范圍較大的嚴重區(qū)域性缺陷。在該區(qū)域中的缺陷使附近的較大區(qū)域內的盈利超過材料的屈服強度而產生大范圍的塑性變形，在此情況下葉片會出現(xiàn)低周疲勞斷裂失效。 2.由于設計考慮不周是葉片危險截面上局部區(qū)域的工作應力接近或超過材料的屈服強度，且危險截面處存在不必要的缺陷，則葉片會提前出現(xiàn)低周疲勞斷裂失效。 3.當轉子葉片出現(xiàn)如顫振、共振、超溫等非正常情況，葉片的危險截面上的整體應力水平該于材料的屈服強度，葉片也會出現(xiàn)低周疲勞斷裂失效。 低周疲勞斷裂失效大都與設計因素有關，大多出現(xiàn)在葉片根部附近，典型的葉片低周疲勞斷口上一般不存在明顯的疲勞弧線。5.2葉片扭轉共振疲勞斷裂失效 葉片扭轉共振疲勞斷裂失效一般為高周疲勞斷裂失效。具有如下典型特征： 1.發(fā)生在扭轉共振節(jié)線上的掉角； 2.葉片疲勞斷口上存在的疲勞弧線清晰可見，但疲勞線條非常細密。 3.斷裂一般始于葉背，向葉盆擴散，疲勞區(qū)占據大部分斷裂面面積。 4.葉片的斷裂均起源于電腐蝕坑或外物打傷處。 葉片扭轉共振疲勞斷裂有兩個重要因素，一是出現(xiàn)扭轉共振，而是葉片表面普遍存在的點腐蝕或遭受到外物打擊。5.3葉片的彎曲振動疲勞斷裂失效 彎曲振動疲勞斷裂失效也是葉片常見的斷裂失效，且通常為高頻失效，其斷裂循環(huán)周次（N），對于渦輪葉片一般N在105106之間。葉片的疲勞斷裂位置與彎曲振動振型密切相關。在彎曲振動引起的疲勞斷裂失效中，一彎振型最為常見，且危害性大。這是因為一彎振動出現(xiàn)在葉片根部，振動應力值最高，離心力也大。當葉片出現(xiàn)一階彎曲共振時，由于彎曲振動應力的作用，葉片有可能出現(xiàn)斷裂疲勞失效。為防止葉片在葉身處出現(xiàn)疲勞斷裂失效的最有效方法就是避免葉片出現(xiàn)一彎共振，即控制葉片的靜頻，同時可以考慮增加葉片的振動阻尼，有效地抑制葉片的震動。另外，可以從控制冶金材質、表面、加工工藝等方面采取措施，以提高葉片的疲勞抗力。5.4轉子葉片的高溫疲勞與熱損傷疲勞斷裂失效 渦輪轉子葉片是在高溫環(huán)境下工作，承受溫度交變和應力交變作用，因而有可能出現(xiàn)蠕變損傷和疲勞損傷。工程上將因蠕變與疲勞發(fā)生作用而導致的斷裂失效稱為高溫疲勞斷裂失效。 轉子葉片出現(xiàn)斷裂失效必須同時具備以下三個條件時，才可以判斷為高溫疲勞斷裂失效：（1） 葉片疲勞斷口的源區(qū)呈沿晶斷裂特征；（2） 葉片斷裂處的溫度超過材料的臨界蠕變溫度；（3） 葉片疲勞斷裂處只承受呈方波形狀的離心拉伸應力，其手里水平超過臨界值，即超過材料在該溫度下的蠕變極限或疲勞極限。 一般情況下轉子葉片很少出現(xiàn)高溫疲勞斷裂失效。但渦輪轉子在實際應用中因熱損傷出現(xiàn)的疲勞斷裂失效則較為常見。發(fā)動機在使用過程中，由于非正常工況（如喘振、進氣道畸變、燃油調節(jié)不良、噴油霧化不良及操作失誤等）引起短時間超溫而使零件受過熱或過燒損傷的現(xiàn)象稱為過熱損傷。遭受熱損傷的轉子葉片易發(fā)生疲勞斷裂。由熱損傷引起的疲勞斷裂基本特征如下：（1） 葉片斷裂部位通常在葉片的最高溫度區(qū)內，斷面垂直于葉片軸線；（2） 斷裂起始于葉片進氣邊邊緣，源區(qū)斷面呈深黑色，氧化嚴重，擴展區(qū)斷面較平坦，顏色明顯不如源區(qū)深，有疲勞弧線，瞬斷區(qū)（3） 等等（4） 對沃爾沃 轉子葉片出現(xiàn)熱損傷疲勞斷裂失效的原因是發(fā)動機在超過規(guī)定溫度的情況下運轉造成的，根據其嚴重程度可以分為過熱超溫和過燒超溫。還可以根據時間長短分為短期超溫和長期超溫。短期朝聞是指時間在幾秒鐘到幾分鐘之內，其產生原因主要是發(fā)動機喘振，進氣道畸變或操作失誤等情況；長期超溫時間一般在幾十分鐘以上，主要產生原因是由于發(fā)動機溫度裕度不足，燃油霧化不良或燃油調節(jié)器故障等。5.5轉子葉片微動疲勞斷裂失效 當兩個零件的接觸表面之間存在法向壓力并做小幅值的相對滑動時，由于機械和化學的聯(lián)合作用，會產生包括微動疲勞、微動磨損、微動腐蝕在內的微動損傷。微動疲勞產生微裂紋、微動磨損改變尺寸而喪失正常的配合關系，以及微動腐蝕引起的表面腐蝕損傷等都會大大降低零件的疲勞抗力。同時微動損傷部位在兩零件的表面接觸處，不分解很難進行有效的監(jiān)控和檢測。在微動過程中對微動損傷起作用的主要參數(shù)有： 1.匹配零件兩接觸面之間的相對滑動幅值與頻率； 2.兩接觸面間應力大小、方向及其變化； 3.匹配零件的材料及接觸表面的狀態(tài)； 4.兩接觸面間的溫度及環(huán)境。 這些參量的相互作用及影響不同，微動損傷的表現(xiàn)形式也不同，其中以微動疲勞損傷對構件的疲勞壽命影響最大。 由微動損傷引起的疲勞斷裂失效有如下兩種情況： 1.戴冠葉片的葉冠微動磨損引起葉冠之間的間隙增大，使葉片所受的振動應力、扭轉應力也相應的增大，當其綜合應力超過允許值時，就會在葉片的危險截面處出現(xiàn)疲勞斷裂。 2.轉子葉片與輪盤的榫頭連接處，結合面之間往往存在微小的相對滑動，極易出現(xiàn)微動磨損傷面導致疲勞斷裂失效。 由于航空發(fā)動機轉子葉片與輪盤在工作過程中存在著溫度滯還，葉片和輪盤連接處不能采用過盈固裝的辦法來減小與防治微動，因此在其連接接觸面之間存在相對滑動是必然的。在這種情況下，為了防止或減小二者之間的微動損傷，一般可采取以下措施： 1.合理選材，盡量使葉片與輪盤材料的線膨脹系數(shù)相接近，或選用膨脹系數(shù)低的材料； 2.在微動表面造成殘余壓應力，如采用噴丸，冷滾壓等措施； 3.在微動接觸面上鍍銀或涂以干膜潤滑等； 4.根據材料的線膨脹系數(shù)，正確控制裝配間隙。5.6葉片腐蝕損傷疲勞斷裂失效 渦輪轉子葉片在環(huán)境中，往往易遭受化學或電化學腐蝕損傷，其主要損傷形式有點腐蝕、應力腐蝕、晶間腐蝕、剝蝕和高溫腐蝕等。如果轉子葉片表面遭受上述形式的腐蝕損傷正好處在葉片的最大應力部位，則疲勞裂紋往往會在這些損傷處萌生，從而大大降低葉片材料的疲勞強度。渦輪葉片的高溫腐蝕損傷主要有高溫氧化、熱腐蝕、碳化和燒蝕等。6.渦輪葉片失效的診斷技術 渦輪葉片常見的檢測技術有機上孔探檢測、修理車間檢測前的預清洗、葉片完整性檢測以及無損探傷。6.1機上孔探檢測 渦輪葉片的機上孔探檢查，就是利用發(fā)動機渦輪機匣殼體上的探視孔，使用孔探儀，對渦輪葉片進行可視檢查。這種技術不必分解發(fā)動機，在飛機上就可以進行，簡單快捷?？滋綑z查可以有效發(fā)現(xiàn)渦輪葉片的燒熔、腐蝕、掉塊、裂紋、積炭和冷卻孔堵塞等損傷缺陷情況，從而有助于了解、掌握渦輪乃至整臺發(fā)動機的技術狀態(tài)和健康狀況，完全徹底的檢查出渦輪葉片部位的危及飛行安全的故障隱患、保證發(fā)動機正?？煽窟\轉。6.2修理車間檢測前的預清洗處理 渦輪葉片表面粘附有燃料燃燒后的沉積物以及涂層和經高溫氧化腐蝕后產生的熱蝕層，一般通稱為積炭。由于積炭增加了葉片的厚度，改變了葉間原有的燃氣通道，致使渦輪效率下降；另一方面，熱蝕層會降低葉片的機械強度；同時積炭葉也掩蓋了葉片表面的損傷，不便于檢測。因此葉片在進行監(jiān)測和修理前，要進行除積炭清洗。6.3葉片完整性檢測 以前，通常用角規(guī)、卡尺等“硬”測量儀檢測航空發(fā)動機渦輪葉片的葉身尺寸，雖然技術簡單易行，但存在易檢測者人為因素的影響，檢測精度低，檢測效率低等缺點。后來，在坐標測量機的基礎上，編制微機控制自動檢測所用的應用軟件，發(fā)展研制了檢測渦輪葉片的葉身幾何形狀的坐標測量系統(tǒng)，自動檢測葉身的幾何形狀，并于標準葉型進行比較自動給出偏差檢測結果，來判斷葉片的可用度和所需采用的修理手段。 盡管各種制造商的坐標測量機所采用的具體技術有所差別，但都有以下共同特點：自動化程度高；檢測速度快，通常一個葉片在1min內檢測完畢；檢測結果精度高；軟件可擴充性好，只要改變標準葉型數(shù)據庫就可以適合不同型號的葉片檢測。6.5無損檢測 在實際檢測中，目視檢測是最簡單的也是最常用的方法，它可以發(fā)現(xiàn)葉片表面較明顯和尺寸較大的損傷，但具有很大的認為不確定因素，檢測誤差較大；光學顯微檢查可發(fā)現(xiàn)葉片表面較細微的裂紋；磁粉、渦流、滲透著色等無損檢測技術手段也已廣泛應用到渦輪葉片的檢測中。但較為先進的是用超聲波和CT檢測葉片結構完整性。7.提高渦輪葉片強度的幾種措施 在渦輪葉片材質一定，即葉片固有疲勞強度一定的情況下，葉片的抗疲勞性能首先決定于其表面狀態(tài)，因為材料表面層的晶格缺陷數(shù)目、組織以及化學成分的不均勻性遠高于葉片的中心，因此，在渦輪葉片表面形成一個高承載能力的表面層對提高渦輪葉片的疲勞強度有重要意義。7.1合理選材 葉片疲勞強度是由材料的成分及其內部組織狀態(tài)所決定的，不同的材料具有不同的固有疲勞強度。在選擇鍛、鑄造葉片的材料時，應選用純度高、缺陷小、晶粒均勻、晶粒度適當?shù)母咂趶姸炔牧希_保渦輪葉片的固有疲勞強度。7.2改進工藝 工藝因素對渦輪葉片疲勞強度的影響遠大于尺寸因素的影響。先進、合理的工藝流程可以使葉片的疲勞性能穩(wěn)定、并提高葉片的承載能力。7.2.1鍛、鑄造工藝 為了提高葉片的鍛、鑄造質量，因此在鍛、鑄造過程中要注意以下工作參數(shù)的選擇：（1） 澆注溫度的選區(qū)應以使型殼得到良好的填充和保證鑄件獲得最少的疏松為原則（2） 型殼溫度的選擇應與澆注溫度相配合（3） 冷卻速度。影響葉片蠕變性能的主要因素是鑄造條件下的葉片冷卻速度。對于高溫的