馬利麗，何立強(qiáng)，任偉峰

（1.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)，北京100097；2.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片長(zhǎng)期工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的惡劣環(huán)境下，在氣動(dòng)、機(jī)械和熱的共同作用下，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動(dòng)等問題比較突出。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高和空氣流量的加大，工作葉片變得薄而長(zhǎng)，很容易出現(xiàn)振動(dòng)問題，并導(dǎo)致葉片出現(xiàn)裂紋甚至斷裂[1-2]。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)葉片強(qiáng)度與振動(dòng)問題進(jìn)行了研究。金向明等[3]對(duì)整體離心葉輪葉片的振動(dòng)可靠性進(jìn)行分析；李春旺等[4]分別考慮離心力場(chǎng)、氣動(dòng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)及熱力場(chǎng)等因素的影響，對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片工作狀態(tài)下的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)溫度場(chǎng)和離心力場(chǎng)是影響葉片固有頻率的主要因素，但對(duì)葉片的振型影響很小。田愛梅等[5]提出1種構(gòu)件振動(dòng)可靠性設(shè)計(jì)方法；徐可君等[6]建立了葉片振動(dòng)非概率可靠性評(píng)估體系、方法及模型，并將其應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)、渦輪葉片的振動(dòng)可靠性計(jì)算；陳立偉等[7]建立了平均應(yīng)力為定值和隨機(jī)變量時(shí)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)可靠性模型，給出了可靠度計(jì)算的相應(yīng)表達(dá)式及分析流程；歐陽德等[8]提出了1種發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)可靠性評(píng)估方法，引入了概率故障樹概念；宋兆泓[9]給出了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片故障的理論研究、計(jì)算分析、實(shí)驗(yàn)研究、故障結(jié)論、排故方法和使用效果等；江龍平等[10]將灰色理論與方法引入葉片的振動(dòng)可靠性評(píng)估；孟越等[11]對(duì)葉片強(qiáng)迫響應(yīng)問題提出了應(yīng)用瞬態(tài)分析的方法。但在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作中，振動(dòng)問題遠(yuǎn)比靜力問題復(fù)雜[12-13]，故障發(fā)生后其原因定位也更加困難。以往研究發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的振動(dòng)模態(tài)時(shí)，關(guān)注較多的是葉片的形狀、結(jié)構(gòu)、裝配形式[14]及尾流激勵(lì)[15]等因素，對(duì)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)試車中發(fā)生的裂紋故障分析定位方法研究較少。

本文針對(duì)某渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)自由渦輪葉片長(zhǎng)時(shí)間工作發(fā)生的裂紋故障，采用故障樹分析法以自由渦輪葉片裂紋為頂事件，從設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)載荷等方面自上而下對(duì)故障原因底事件進(jìn)行梳理，通過無損檢查與計(jì)量、葉片測(cè)頻、冶金分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等方法排查故障原因，并建立3維模型模擬試驗(yàn)工況開展強(qiáng)度和振動(dòng)特性數(shù)值仿真分析，確定了自由渦輪裂紋發(fā)生的主要原因，提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 故障概述

在對(duì)某渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行首翻期壽命試車中發(fā)動(dòng)機(jī)例行定檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)在自由渦輪1片動(dòng)葉上有1條疑似穿透性裂紋，在車臺(tái)對(duì)該葉片進(jìn)行磁流、熒光確認(rèn)，通過熒光確認(rèn)在位于該葉片4/5葉高尾緣處有長(zhǎng)約5～7 mm的裂紋，如圖1所示。經(jīng)孔探儀檢查其他部件未見異常，經(jīng)磁堵檢查未見異常金屬屑，滑油光譜分析正常。試車過程共有5個(gè)試車譜，各試車譜的完成情況見表1。截止到發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)工作超過800 h。

圖1 葉片裂紋照片

表1 各試車譜完成情況

2 檢查與分析結(jié)果

2.1 熒光檢查

將發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查，并對(duì)27片自由渦輪葉片均進(jìn)行熒光檢查和X光檢查。熒光檢查發(fā)現(xiàn)共有6片葉片（含臺(tái)架發(fā)現(xiàn)的）存在單條裂紋，存在裂紋的葉片在轉(zhuǎn)子上的分布如圖2所示。圖中紅色為出現(xiàn)裂紋的葉片，黑線為裂紋長(zhǎng)度；6片裂紋葉片榫齒表面嚙合痕跡分布較均勻，未見異常接觸痕跡，葉尖及型面表面均未見碰摩及擊打痕跡。

圖2 裂紋葉片分布

從圖中可見，發(fā)生裂紋的葉片裝配位置呈離散分布，無明顯規(guī)律性。裂紋的位置與長(zhǎng)度情況見表2。其中27號(hào)葉片的裂紋最長(zhǎng)，為10 mm，其余5片葉片的裂紋長(zhǎng)度均為4 mm左右。裂紋在葉片上的位置比較相似，距離葉尖約8～10 mm，約為20%葉高的位置（葉高約45 mm）。裂紋平直，基本與排氣邊垂直，形貌相似。

表2 裂紋位置與長(zhǎng)度情況

2.2 斷口冶金分析

為進(jìn)一步判斷葉片裂紋的性質(zhì)，對(duì)葉片進(jìn)行斷口分析，如圖3所示。從冶金結(jié)果來看，檢測(cè)的2個(gè)葉片成分合格，滲層及基體顯微組織正常，裂紋性質(zhì)為疲勞開裂。疲勞裂紋起始于葉片排氣邊葉盆表面，源區(qū)寬約0.4 mm，區(qū)域可見4個(gè)明顯的疲勞臺(tái)階，由表面起始后穿過滲層延伸至基體，呈線性多源特征，源區(qū)未見冶金缺陷。裂紋擴(kuò)展前期斷面均較平坦，中、后期高低起伏較大，疲勞裂紋擴(kuò)展方向?yàn)橛扇~盆向葉背及進(jìn)氣邊方向，局部位置的疲勞弧線擴(kuò)展方向存在一定的差異性，疲勞弧線之間局部位置可見寬窄交替變化的疲勞條帶，由此判斷葉片在工作過程中除了承受正常的穩(wěn)態(tài)工作應(yīng)力外，應(yīng)當(dāng)還疊加有振動(dòng)應(yīng)力。初步判斷自由渦輪葉片裂紋性質(zhì)為疲勞開裂。

圖3 葉片斷口區(qū)形貌

2.3 葉片測(cè)頻

試驗(yàn)后對(duì)裝機(jī)葉片頻率進(jìn)行復(fù)測(cè)，并與裝機(jī)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)前后葉片的頻率基本相同，最大變化量在3%以內(nèi)，符合該核心機(jī)自由渦輪轉(zhuǎn)子裝配要求。初步判斷試驗(yàn)并未對(duì)葉片頻率帶來很大影響，裂紋發(fā)生的原因并不是頻率的改變?cè)斐傻摹?/p>

2.4 葉型對(duì)比復(fù)查

對(duì)6片存在裂紋的自由渦輪葉片和6片正常葉片的葉型全部進(jìn)行3坐標(biāo)計(jì)量，每片葉片計(jì)量5個(gè)截面，計(jì)量結(jié)果均與理論葉型進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)計(jì)量結(jié)果可知，裂紋葉片的葉型與理論葉型之間的偏差范圍與正常葉片與理論葉型之間的偏差范圍基本相同，均處于0～+0.18 mm，表明試驗(yàn)并未造成渦輪葉片的葉型變化。

3 計(jì)算分析與討論

為進(jìn)一步明確渦輪葉片裂紋故障發(fā)生的原因和機(jī)理，對(duì)自由渦輪轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行強(qiáng)度和振動(dòng)特性計(jì)算，確定其在工作條件下的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分布情況及在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在的可能發(fā)生共振的轉(zhuǎn)速。

3.1 物理模型與數(shù)值方法

按設(shè)計(jì)圖樣構(gòu)建自由渦輪葉片的3維模型，如圖4所示。采用MSC/PATRAN進(jìn)行有限元前、后處理，采用MSC/NASTRAN進(jìn)行振動(dòng)特性計(jì)算。采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元對(duì)葉片進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，共有164308個(gè)單元，242393個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 葉片3維模型及網(wǎng)格

高壓渦輪葉盤結(jié)構(gòu)承受著質(zhì)量離心力、熱載荷、葉片及前后盤腔氣動(dòng)力、盤與軸裝配應(yīng)力及葉盤的振動(dòng)應(yīng)力等，其中離心載荷和熱載荷占主要成分，因此，開展離心載荷/熱載荷耦合狀態(tài)下葉片結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析。根據(jù)葉片的安裝方式，確定葉片的約束條件為葉片榫齒接觸面的全部位移施加約束。

3.2 數(shù)值結(jié)果與分析

3.2.1 強(qiáng)度特性的計(jì)算結(jié)果

由于離心力對(duì)葉片的應(yīng)力影響最大，所以強(qiáng)度計(jì)算選取在最高工作轉(zhuǎn)速43522 r/min下進(jìn)行。該發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片采用K418B高溫合金，材料的特性見表3。從表中可見，溫度對(duì)材料的特性影響較大，所以不能用恒定溫度場(chǎng)來模擬葉片的工作環(huán)境。因此將工作狀態(tài)下的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)施加于葉片表面，以模擬真實(shí)的工作環(huán)境。對(duì)于渦輪葉片的氣動(dòng)載荷本文在計(jì)算中并未施加，主要是因?yàn)樽杂蓽u輪的進(jìn)、排氣壓力較低，壓力面與吸力面的壓差較小，由氣動(dòng)載荷產(chǎn)生的葉片彎應(yīng)力相對(duì)較小，對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果影響不大，可忽略。

表3 K418B合金特性

自由渦輪轉(zhuǎn)子葉片強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖5所示。渦輪葉片在工作條件下的最大穩(wěn)態(tài)應(yīng)力位于葉片的葉根部位。從計(jì)算結(jié)果來看，葉盆根部中間區(qū)域的應(yīng)力值最大，為834 MPa，葉片的強(qiáng)度滿足要求，裂紋位置不存在應(yīng)力過大等問題。

圖5 計(jì)算工況下葉片當(dāng)量應(yīng)力分布

3.2.2 振動(dòng)特性的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，自由渦輪導(dǎo)葉共有19片，自由渦輪導(dǎo)葉前面有3個(gè)固定支板，自由渦輪后面有6個(gè)固定支板。由此可確定激振數(shù)為3、6、19。渦輪葉片的工作溫度為750℃，工作轉(zhuǎn)速范圍為23760～43560 r/min。

葉片固有頻率和葉片共振轉(zhuǎn)速的計(jì)算結(jié)果分別見表4、5。有限元分析得到的自由渦輪葉片坎貝爾圖如圖6所示。從圖中可見，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，K=3、6、19倍激勵(lì)線與自由渦輪葉片固有的 4、5、6等階存在多個(gè)交點(diǎn)（即共振點(diǎn)），共振階數(shù)多。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)試車的試車譜中轉(zhuǎn)速停留點(diǎn)，認(rèn)為在32558 r/min時(shí)自由渦輪葉片第5階的固有頻率與導(dǎo)向器的激勵(lì)頻率19可能形成共振。

表4 葉片固有頻率計(jì)算結(jié)果 Hz

表5 葉片共振轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果

圖6 計(jì)算得到自由渦輪葉片坎貝爾圖

自由渦輪葉片第5階振型和自由渦輪葉片第5階當(dāng)量振動(dòng)應(yīng)力分別如圖7、8所示。從圖中可見，在葉片尾緣距離葉頂20%～30%位置的變形最大，振動(dòng)應(yīng)力也最大。振動(dòng)應(yīng)力最大位置與葉片裂紋位置基本相符，也間接證實(shí)了在32558 r/min時(shí)自由渦輪葉片第5階的固有頻率與導(dǎo)向器的激勵(lì)頻率19形成共振的判斷。

通過以上有限元分析可知，葉片產(chǎn)生裂紋的主要原因是：葉片第5階固有頻率與導(dǎo)向器葉片激勵(lì)頻率發(fā)生共振，振動(dòng)模態(tài)為高階彎曲振型，造成葉身高階彎曲疲勞裂紋。

圖7 葉片第5階振型

圖8 葉片第5階當(dāng)量振動(dòng)應(yīng)力

4 改進(jìn)措施

根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合外場(chǎng)使用實(shí)際情況對(duì)試車譜進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。產(chǎn)生裂紋的主要原因是試驗(yàn)中的自由渦輪工作轉(zhuǎn)速范圍與外場(chǎng)使用存在差距，超出了設(shè)計(jì)所規(guī)定的安全范圍，所以重點(diǎn)調(diào)整螺旋槳的工作轉(zhuǎn)速范圍，使其基本處于規(guī)定的安全工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，更加接近外場(chǎng)使用情況。后經(jīng)1000 h試車驗(yàn)證，均未再發(fā)生相同故障。

5 結(jié)論

對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)自由渦輪裂紋故障進(jìn)行了檢測(cè)分析及有限元數(shù)值模擬研究，找到導(dǎo)致葉片裂紋故障的主要原因，結(jié)論如下：

（1）由金相剖切檢查及能譜分析結(jié)果可知，葉片基體及滲層的成分基本正常，顯微組織正常，無過熱過燒現(xiàn)象。

（2）由斷口分析可知，葉片裂紋性質(zhì)均為疲勞開裂，疲勞裂紋均起始于葉片排氣邊葉盆的表面，呈線性多源特征，6片葉片裂紋屬同一性質(zhì)。結(jié)合有限元分析得到的葉片疲勞裂紋分布位置及渦輪葉片典型的振型圖判斷，葉片的振動(dòng)模態(tài)屬于高階彎曲振型。

（3）疲勞裂紋產(chǎn)生的原因主要是試車載荷譜的停留轉(zhuǎn)速制定不合理，在試車時(shí)自由渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超出使用范圍，部分轉(zhuǎn)速停留在高階共振點(diǎn)，氣體經(jīng)過激振源產(chǎn)生的激勵(lì)頻率與葉片的固有頻率接近而形成共振，從而造成葉身高階彎曲疲勞裂紋。

該裂紋故障原因分析與排查方法具有一定的工程應(yīng)用參考價(jià)值，可為渦輪、壓氣機(jī)等旋轉(zhuǎn)部件的故障分析提供借鑒。

6 建議

為避免類似故障重復(fù)發(fā)生，提出以下改進(jìn)建議：

（1）對(duì)借用或沿用的轉(zhuǎn)子件應(yīng)掌握其工作使用條件、強(qiáng)度和振動(dòng)特性及其安全使用裕度，給出相應(yīng)的限制使用條件；

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)試車譜的編制除了應(yīng)準(zhǔn)確體現(xiàn)實(shí)際使用載荷、環(huán)境條件等之外，還應(yīng)充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵件、轉(zhuǎn)子件等的強(qiáng)度和振動(dòng)裕度等因素，適當(dāng)規(guī)避敏感轉(zhuǎn)速點(diǎn)；

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)重大試驗(yàn)譜的編制和試驗(yàn)過程應(yīng)加強(qiáng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)、不同專業(yè)等關(guān)鍵點(diǎn)確認(rèn)和充分交流，防患于未然，減少研制風(fēng)險(xiǎn)。