郎達(dá)學(xué)＊ 行峰濤

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所 中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412002）

篦齒封嚴(yán)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛使用的一種有效的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)[1]，通常在高溫高轉(zhuǎn)速高載荷條件下工作，一旦失效會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)癱瘓無(wú)法工作。 某航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子上的篦齒封嚴(yán)環(huán)， 用于對(duì)轉(zhuǎn)子、 靜子之間的氣體流路進(jìn)行封嚴(yán)， 并設(shè)置有軸向、 徑向通氣槽對(duì)零件進(jìn)行冷卻。 其中1 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在使用時(shí)間剛剛達(dá)到一半設(shè)計(jì)壽命時(shí)， 其篦齒封嚴(yán)環(huán)失效并缺失， 造成發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車故障并報(bào)廢、 使用該型發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)停飛。 對(duì)篦齒封嚴(yán)環(huán)殘骸進(jìn)行冶金分析， 確定斷口性質(zhì)為疲勞失效。

本文通過(guò)理論計(jì)算分析和低循環(huán)疲勞疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證了帶通氣槽的篦齒封嚴(yán)環(huán)的失效原因， 并提出了有效的改進(jìn)措施， 解決了篦齒封嚴(yán)環(huán)的失效問(wèn)題，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性。

1 失效位置分析及驗(yàn)證分析

1.1 材料數(shù)據(jù)

篦齒封嚴(yán)環(huán)的材料為發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子零件常用的高溫合金GH4169，鍛件毛坯，密度為8240kg/m3，材料性能數(shù)據(jù)見表1。

1.2 失效位置分析

通過(guò)有限元計(jì)算軟件ANSYS 進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算， 有助于研究其失效影響因素[3]。 在轉(zhuǎn)速最高 （超過(guò)45000轉(zhuǎn)/分）、溫度最高（約450 ℃）時(shí)，篦齒封嚴(yán)環(huán)軸向、徑向 通 氣 槽 交 界 處 （6 處 周 向 均 布） 應(yīng) 力 最 大， 為1782.03MPa，應(yīng)力分布見圖1。

表1 GH4169 材料性能數(shù)據(jù)[2]

圖1 結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)力分布（單位：MPa）

強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明，篦齒封嚴(yán)環(huán)軸向、徑向通氣槽交界處存在應(yīng)力集中， 為篦齒封嚴(yán)環(huán)的最薄弱處，可能在工作中最先失效。

1.3 失效位置驗(yàn)證

篦齒封嚴(yán)環(huán)的載荷主要為周期性低頻大載荷，產(chǎn)生低循環(huán)疲勞， 因此通過(guò)低循環(huán)疲勞試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行失效模式驗(yàn)證， 每次循環(huán)過(guò)程為0 ～最大狀態(tài)～0 [4-5]。在完成18000 次低循環(huán)疲勞試驗(yàn)時(shí)檢查無(wú)任何裂紋，但繼續(xù)試驗(yàn)后迅速失效為對(duì)稱的兩部分， 其中一部分形態(tài)見圖2。

圖2 失效試驗(yàn)后部分形態(tài)

對(duì)斷面進(jìn)行冶金分析，確定斷口為疲勞失效，失效斷面與理論計(jì)算的最大應(yīng)力處相吻合。

2 失效模式驗(yàn)證

2.1 裂紋萌生試驗(yàn)

強(qiáng)度理論認(rèn)為， 疲勞失效通常由表面微裂紋的產(chǎn)生作為開始[5]，為進(jìn)一步明確失效原因，對(duì)篦齒封嚴(yán)環(huán)進(jìn)行裂紋萌生試驗(yàn)。 由于最大應(yīng)力處的圓角由鉗工完成， 加工完后可能存在劃痕， 為同時(shí)驗(yàn)證鉗工過(guò)程對(duì)失效的影響， 在試驗(yàn)前對(duì)其中1 處最大應(yīng)力位置通過(guò)鉗工預(yù)制一處細(xì)微劃痕。

根據(jù)失效位置驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果， 選擇使用過(guò)一定時(shí)間的篦齒封嚴(yán)環(huán)進(jìn)行裂紋萌生試驗(yàn)。 在接近可能的失效循環(huán)數(shù)時(shí)， 增加零件檢查頻率， 最終在在預(yù)制細(xì)微劃痕處發(fā)現(xiàn)了1 條裂紋， 裂紋長(zhǎng)度為徑向長(zhǎng)2.6mm，軸向長(zhǎng)2.7mm。 相鄰的最大應(yīng)力處也出現(xiàn)了1 條裂紋長(zhǎng)度為徑向2.7 長(zhǎng)mm，軸向長(zhǎng)3.3mm。 裂紋標(biāo)記顯示見圖3。

圖3 裂紋萌生試驗(yàn)對(duì)比

裂紋萌生試驗(yàn)表明， 篦齒封嚴(yán)環(huán)應(yīng)力集中位置在工作到一定時(shí)間后會(huì)萌生裂紋， 裂紋位置與理論計(jì)算的最大應(yīng)力處相吻合。 表面劃痕對(duì)裂紋萌生速度無(wú)明顯影響。

2.2 裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

在生產(chǎn)、加工、裝拆、搬運(yùn)、存儲(chǔ)等過(guò)程中，篦齒封嚴(yán)環(huán)的應(yīng)力集中處有可能出現(xiàn)碰傷劃傷等缺陷而產(chǎn)生微裂紋，在無(wú)損檢測(cè)中可能漏測(cè)，從而留下隱患。 為研究篦齒封嚴(yán)環(huán)在有表面裂紋的情況下的剩余失效壽命，進(jìn)行了裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證失效模式[6]。

在4 出應(yīng)力集中位置（共6 處）預(yù)制微裂紋，然后進(jìn)行低循環(huán)疲勞試驗(yàn)， 微裂紋形態(tài)與裂紋萌生試驗(yàn)后的裂紋相當(dāng)， 并進(jìn)一步增加試驗(yàn)過(guò)程中的檢查次數(shù)。完成1067 次循環(huán)時(shí)，試驗(yàn)件失效，失效位置在預(yù)制微裂紋處， 斷口為疲勞失效， 無(wú)預(yù)制裂紋的位置沒(méi)有出現(xiàn)失效，殘骸組合見圖4。

圖4 裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)后形態(tài)

裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果表明，在存在表面微裂紋時(shí)，篦齒封嚴(yán)環(huán)的剩余壽命很低。

3 改進(jìn)及驗(yàn)證

3.1 尺寸影響分析

在最大工況下對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸下的零件強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)通氣槽交界處圓角半徑R、軸向通氣槽深度H 對(duì)最大應(yīng)力的影響最大。 R 增大、H 減小時(shí)，最大應(yīng)力減小，同時(shí)應(yīng)力集中情況降低。 R、H 單一因素對(duì)最大應(yīng)力的影響見圖5。

圖5 R、H 與最大應(yīng)力關(guān)系

3.2 改進(jìn)方法選擇

由于發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)生產(chǎn)投入使用的數(shù)量非常大，為保證零件的互換性及不影響發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)特性， 零件外廓尺寸不宜改變。 因此， 在不改變篦齒封嚴(yán)環(huán)裝配關(guān)系下對(duì)尺寸進(jìn)行改進(jìn)以避免失效， 是較為穩(wěn)妥的方法。 由于空氣流路對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響較大， 通氣槽位置無(wú)法變動(dòng)， 由圖1 所示的應(yīng)力分布情況可知， 應(yīng)力集中無(wú)法避免，只能降低應(yīng)力集中程度。

根據(jù)尺寸影響分析，R 增大、H 減小可降低應(yīng)力集中情況，但R 過(guò)大會(huì)導(dǎo)致篦齒封嚴(yán)環(huán)徑向變薄，進(jìn)而出現(xiàn)新的應(yīng)力集中， 最大應(yīng)力反而增大； 由于軸向通氣槽用于提供冷氣對(duì)篦齒封嚴(yán)環(huán)進(jìn)行冷卻， 需保持足夠通氣面積以保證冷卻效果，通氣槽深度H 不能無(wú)限減小。

若篦齒封嚴(yán)環(huán)選用力學(xué)性能更好的材料， 也能在相當(dāng)程度上解決失效問(wèn)題， 但發(fā)動(dòng)機(jī)已大批量生產(chǎn)，更換材料不僅會(huì)增加成本， 而且將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性、 振動(dòng)特性發(fā)生變化， 造成的影響難以預(yù)料和迅速檢驗(yàn)， 無(wú)法快速找到失效原因并解決失效問(wèn)題， 因此材料及加工要求不宜大幅度調(diào)整。

綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，當(dāng)R 為1mm、H 為0.6mm時(shí)最大應(yīng)力較小且結(jié)構(gòu)合理， 此時(shí)篦齒封嚴(yán)環(huán)的最大應(yīng)力為1284.6MPa， 比改進(jìn)前的1782.03MPa 降低了27.9%。 雖然最大應(yīng)力位置由于結(jié)構(gòu)限制未改變，但應(yīng)力集中程度顯著改善。

3.3 壽命估算

篦齒封嚴(yán)環(huán)的載荷主要為周期性低頻大載荷，產(chǎn)生低循環(huán)疲勞， 大量文獻(xiàn)證明用Goodman 曲線對(duì)其進(jìn)行壽命計(jì)算是可行的[7-8]。 采用基于冪函數(shù)型S-N 曲線模型對(duì)改進(jìn)前后的篦齒封嚴(yán)環(huán)的壽命進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，用Goodman 直線模型（見圖6）把已知的工作循環(huán)（M 點(diǎn)）轉(zhuǎn)換到應(yīng)力比R 為0.1 的循環(huán)（N 點(diǎn)），按照以下三式聯(lián)立求出應(yīng)力比R 為0.1 時(shí)的最大應(yīng)力， 然后利用S-N 曲線方程求出相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。 其中σa為應(yīng)力幅，σm為平均應(yīng)力，σmax為最大應(yīng)力，單位均為MPa，R 為應(yīng)力比。

圖6 Goodman 直線模型

根據(jù)材料疲勞數(shù)據(jù)及上述公式計(jì)算結(jié)果，按對(duì)應(yīng)的S-N 曲線方程進(jìn)行插值, 篦齒封嚴(yán)環(huán)工作環(huán)境下的光滑疲勞S-N 曲線方程 （中值） 為：lgNf=34.2447-9.65473×lg(σmax-546.2356)[4]。根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)研究[9-10]，取疲勞壽命分散系數(shù)Sf 為5，在發(fā)動(dòng)機(jī)常用工作循環(huán)“0 ～最大～0”下對(duì)篦齒封嚴(yán)環(huán)的低循環(huán)疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 壽命計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，篦齒封嚴(yán)環(huán)改進(jìn)前、后的低循環(huán)疲勞壽命分別為709626 次和4941 次， 改進(jìn)后循環(huán)壽命次數(shù)為改進(jìn)前的143 倍，遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力的差別。 這證明篦齒封嚴(yán)環(huán)壽命較低的原因是應(yīng)力集中造成局部地區(qū)的高應(yīng)力， 其峰值應(yīng)力成為裂紋萌生與擴(kuò)展的根源，壽命對(duì)應(yīng)力集中極為敏感。 由于存在材料性能數(shù)據(jù)分散性大、安全系數(shù)選取、有限元計(jì)算誤差、計(jì)算公式準(zhǔn)確性等因素，此壽命計(jì)算值可作為理論對(duì)比，表明在其它條件完全相同的理想情況下，改進(jìn)后的低循環(huán)疲勞壽命次數(shù)比改進(jìn)前有顯著提高，待后續(xù)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 改進(jìn)后試驗(yàn)

根據(jù)強(qiáng)度及壽命分析結(jié)論， 按R 為1mm、H 為0.6mm 的結(jié)構(gòu)尺寸加工新的篦齒封嚴(yán)環(huán)， 并保證無(wú)微裂紋，開展低循環(huán)疲勞試驗(yàn)。 第1 件試驗(yàn)件通過(guò)22000次循環(huán)后檢查無(wú)裂紋， 檢查之后繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。 由于連接試驗(yàn)件與試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)接段壽命不足發(fā)生斷裂碰撞，導(dǎo)致試驗(yàn)件損傷變形（未失效），試驗(yàn)中止。

重新設(shè)計(jì)、 加工理論壽命比篦齒封嚴(yán)環(huán)的更高的連接件后， 第2 件試驗(yàn)件通過(guò)了24000 次低循環(huán)疲勞壽命試驗(yàn)。 由于達(dá)到了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命要求， 從成本考慮未進(jìn)一步進(jìn)行破壞性失效試驗(yàn)。

改進(jìn)后無(wú)微裂紋的篦齒封嚴(yán)環(huán)， 在后續(xù)數(shù)百臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用過(guò)程中， 未再出現(xiàn)故障； 多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)已達(dá)到整機(jī)設(shè)計(jì)使用壽命，篦齒封嚴(yán)環(huán)仍無(wú)異常。

5 結(jié)論

（1）篦齒封嚴(yán)環(huán)空中失效的原因?yàn)椋和獠劢唤缣巿A角半徑過(guò)小、 軸向通氣槽深度過(guò)大導(dǎo)致局部存在應(yīng)力集中，導(dǎo)致表面萌生微裂紋。

（2）在進(jìn)行失效驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)使用比試驗(yàn)件的理論壽命更高的連接件， 避免由于試驗(yàn)件之外的因素影響試驗(yàn)正常進(jìn)行。

（3）可靠性要求高、工作環(huán)境嚴(yán)酷的零件，若發(fā)生失效故障，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)乃至飛機(jī)的危害極為嚴(yán)重。 因此在設(shè)計(jì)前期就應(yīng)當(dāng)考慮重要零件的失效問(wèn)題并進(jìn)行充分驗(yàn)證。此舉將加大研發(fā)成本、延后研發(fā)進(jìn)度，但若大量生產(chǎn)并投入使用后出現(xiàn)失效發(fā)生故障，將不僅嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)的正常使用，且付出的代價(jià)會(huì)更大。