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（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

發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟[1]，壓氣機(jī)葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)件，其可靠性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全[2]。壓氣機(jī)在服役期間承受高溫、高頻且超長(zhǎng)周次的載荷作用，易發(fā)生疲勞斷裂事故[3]。在發(fā)動(dòng)機(jī)眾多的斷裂件中，先確定首斷件及肇事件是故障分析的關(guān)鍵[4]。對(duì)于故障發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)分解檢查后，根據(jù)損傷情況確定首斷件[5]，然后分析故障原因，必要時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[6]。

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)裝直升機(jī)調(diào)試過(guò)程中，雙發(fā)燃?xì)鉁囟认嗖?95 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)性能?chē)?yán)重異常，隨后發(fā)動(dòng)機(jī)返廠試車(chē)驗(yàn)證，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能正常。在隨后的試車(chē)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管和放氣活門(mén)突然出現(xiàn)大量火星并停車(chē)。分解檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)盤(pán)葉片發(fā)生斷裂。葉片材料均為T(mén)C11鈦合金。

1 故障分析

在故障發(fā)生前，發(fā)動(dòng)機(jī)各參數(shù)均未見(jiàn)異常，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、起動(dòng)時(shí)間、停車(chē)余轉(zhuǎn)時(shí)間均正常。故障出現(xiàn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)很快停車(chē)。

1.1 分解檢查

壓氣機(jī)Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)盤(pán)全部葉片靠近根部斷裂（圖1）；葉片盤(pán)上的石墨涂層存在明顯刮磨，但未露基體。Ⅰ級(jí)靜子葉片進(jìn)氣邊未見(jiàn)明顯損傷，但每片葉片葉盆面葉根處均有一處變形，排氣邊及葉盆面損傷明顯，排氣邊葉根存在撕裂現(xiàn)象；Ⅱ級(jí)靜子扇形段進(jìn)氣邊和排氣邊均有損傷，但排氣邊較進(jìn)氣邊損傷嚴(yán)重，葉根處有撕裂現(xiàn)象，Ⅲ級(jí)靜子葉片進(jìn)氣邊和排氣邊損傷情況相當(dāng)，葉根處有撕裂現(xiàn)象，所有靜子葉片均無(wú)整片斷裂現(xiàn)象；軸流機(jī)匣第一道涂層有輕微刮磨痕跡；第二、三道涂層刮磨損傷嚴(yán)重，已露出基體。

圖 1 故障后的壓氣機(jī)葉片盤(pán)Fig.1 Compressor blades after failure

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)附件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)線(xiàn)位移傳感器插針頂部存在變形現(xiàn)象，插針蓋板與筒體配合處有約0.8 mm的間隙，相當(dāng)于導(dǎo)葉角度關(guān)小2°（圖 2）。

圖 2 線(xiàn)位移傳感器Fig.2 Linear displacement sensor

通過(guò)分解過(guò)程的檢查，除線(xiàn)位移傳感器插針頂部存在變形現(xiàn)象外，其他外觀、尺寸異常均為故障后損傷導(dǎo)致。

1.2 冶金分析

1）斷口宏觀觀察。

從斷口宏觀和痕跡上看，Ⅱ級(jí)葉片斷口分為2類(lèi)斷口形貌：一類(lèi)是疲勞擴(kuò)展充分（疲勞區(qū)面積約40%）的疲勞斷裂[7]，23片葉片中有2片葉片屬于此類(lèi)（圖3）；另一類(lèi)是較大應(yīng)力作用下的，在葉盆側(cè)（個(gè)別在葉背側(cè)也存在）可見(jiàn)較小面積的多個(gè)線(xiàn)性起源的小疲勞臺(tái)階的疲勞斷裂[8]，其中有13個(gè)葉片可見(jiàn)。

圖 3 疲勞擴(kuò)展充分葉片斷口Fig.3 Fracture of blade with full fatigue propagation

壓氣機(jī)Ⅲ級(jí)盤(pán)29片葉片均在葉片葉身根部折斷，所有葉片未發(fā)現(xiàn)類(lèi)似Ⅱ級(jí)盤(pán)葉片疲勞擴(kuò)展充分的疲勞區(qū)。

2）斷口微觀觀察。

Ⅱ級(jí)盤(pán)葉片疲勞擴(kuò)展充分葉片疲勞起源于距進(jìn)氣邊約6.4 mm的葉盆側(cè)，呈單個(gè)點(diǎn)源特征，源區(qū)未見(jiàn)冶金缺陷，擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)細(xì)密的疲勞條帶[9]，在斷口后期可見(jiàn)小弧線(xiàn)（圖4）。Ⅱ級(jí)盤(pán)葉片疲勞擴(kuò)展充分，葉片斷口基本被磨損，無(wú)法觀察斷口原始形貌以及疲勞起源，在平坦區(qū)局部微觀未磨損到的小區(qū)域可觀察到細(xì)密的疲勞條帶，且從弧型輪廓和疲勞條帶方向可判斷疲勞起源于葉盆側(cè)，因此確認(rèn)Ⅱ級(jí)盤(pán)葉片疲勞擴(kuò)展充分葉片斷口也為擴(kuò)展比較充分的疲勞斷裂。

圖 4 疲勞擴(kuò)展充分葉片微觀特征Fig.4 Microscopic fracture characteristic of blade with full fatigue propagation

Ⅲ級(jí)盤(pán)上29片葉片基本上每片葉片在葉背面中部均存在一個(gè)平坦區(qū)，該區(qū)呈現(xiàn)多個(gè)線(xiàn)性的疲勞起源和擴(kuò)展，但擴(kuò)展面積較?。▓D5）。

圖 5 Ⅲ級(jí)盤(pán)葉片斷口Fig.5 Fracture of blade of stage Ⅲ compressor

3）機(jī)匣刮磨情況解剖檢查。

軸流機(jī)匣第一道機(jī)匣涂層（對(duì)應(yīng)1級(jí)葉盤(pán)）未露出基體；第二、三道涂層（分別對(duì)應(yīng)Ⅱ、Ⅲ級(jí)盤(pán)）刮磨損傷嚴(yán)重，已露出基體。Ⅲ級(jí)盤(pán)對(duì)應(yīng)的機(jī)匣段局部基體螺紋已經(jīng)被刮磨掉大半，而Ⅱ級(jí)盤(pán)對(duì)應(yīng)的機(jī)匣段基體螺紋基本完好，Ⅲ級(jí)盤(pán)葉片與機(jī)匣的刮磨程度重于Ⅱ級(jí)盤(pán)葉片與機(jī)匣的刮磨程度。每級(jí)機(jī)匣上對(duì)應(yīng)葉片進(jìn)氣邊刮磨較排氣邊嚴(yán)重。從刮磨程度周向分布看，刮磨程度在周向分布不均勻，且整體看Ⅲ級(jí)盤(pán)葉片與機(jī)匣的刮磨不均勻性稍大于第Ⅱ級(jí)盤(pán)葉片。

4）其他檢查。

分別在Ⅱ、Ⅲ級(jí)盤(pán)輪盤(pán)部位取樣進(jìn)行化學(xué)光譜分析，成分符合技術(shù)條件要求。對(duì)在離心葉輪外罩及離心葉輪處、擴(kuò)壓器、大彎管、導(dǎo)葉支座、擴(kuò)壓器進(jìn)口處、火焰筒、內(nèi)機(jī)匣等部位收集的袋碎塊、碎屑經(jīng)目視、磁性檢查及能譜分析[10]可知：大部份碎塊、碎屑為T(mén)C11鈦合金，為壓氣機(jī)Ⅱ、Ⅲ級(jí)轉(zhuǎn)子及離心葉輪葉片材料；還有靜子葉片材料、鋁-硅涂層材料、鎳-石墨涂層材料、積碳等，未見(jiàn)外來(lái)物。對(duì)有殘留斷面的碎塊觀察均為韌窩，未見(jiàn)疲勞特征。

1.3 分析與討論

斷口分析結(jié)果表明：Ⅱ級(jí)盤(pán)葉片斷口上可見(jiàn)兩類(lèi)疲勞斷口：第一類(lèi)斷口疲勞區(qū)平坦，起源為單源，疲勞擴(kuò)展充分（約40%），擴(kuò)展區(qū)條帶細(xì)密，斷裂性質(zhì)為高周疲勞[11]；另一類(lèi)斷口上起源為多個(gè)線(xiàn)性起源，疲勞擴(kuò)展區(qū)面積很小，斷裂性質(zhì)為大應(yīng)力疲勞。Ⅲ級(jí)盤(pán)所有葉片斷口均可見(jiàn)小面積的疲勞特征，疲勞起源在葉盆側(cè)，呈現(xiàn)多個(gè)線(xiàn)源特征，斷裂性質(zhì)為大應(yīng)力疲勞[12]。

根據(jù)故障現(xiàn)象可知，Ⅱ、Ⅲ級(jí)盤(pán)和機(jī)匣存在嚴(yán)重的刮磨現(xiàn)象，Ⅱ級(jí)盤(pán)葉片大應(yīng)力疲勞斷裂斷口的起源和斷口特征與葉片在刮磨作用下的斷口起源和擴(kuò)展類(lèi)似；Ⅲ級(jí)盤(pán)葉片斷口也與在刮磨作用下導(dǎo)致的葉片彎曲振動(dòng)類(lèi)似，因此分析認(rèn)為，Ⅱ、Ⅲ級(jí)盤(pán)葉片出現(xiàn)大應(yīng)力疲勞斷裂的葉片是由于受到了異常的刮磨導(dǎo)致。

綜上所述，分析認(rèn)為：Ⅱ級(jí)盤(pán)葉片中第一類(lèi)斷口葉片為故障的首斷件，也是此次故障的肇事件；Ⅱ級(jí)盤(pán)其他葉片和Ⅲ級(jí)盤(pán)葉片的斷裂為首斷件發(fā)生高周疲勞斷裂后葉片葉尖刮磨所致。

2 故障原因分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 原因分析

根據(jù)冶金分析結(jié)果，從設(shè)計(jì)、制造和裝配、使用方面對(duì)故障原因進(jìn)行綜合分析。

在設(shè)計(jì)方面，Ⅱ級(jí)盤(pán)葉片強(qiáng)度壽命計(jì)算、低循環(huán)疲勞部件試驗(yàn)、超轉(zhuǎn)破裂零部件試驗(yàn)表明設(shè)計(jì)壽命滿(mǎn)足要求，多臺(tái)完成長(zhǎng)試的發(fā)動(dòng)機(jī)分解后Ⅱ級(jí)盤(pán)葉片均無(wú)異常；發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)均未出現(xiàn)明顯葉尖碰磨、軸向碰磨現(xiàn)象，表明徑向和軸向設(shè)計(jì)間隙合理；壓氣機(jī)壁面動(dòng)態(tài)靜壓測(cè)量試驗(yàn)和整機(jī)葉尖振幅測(cè)量試驗(yàn)表明不會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速問(wèn)題；溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明不會(huì)出現(xiàn)高溫及熱損傷疲勞問(wèn)題；振動(dòng)特性計(jì)算、振動(dòng)應(yīng)力測(cè)試、葉尖振幅測(cè)量試驗(yàn)及高周疲勞評(píng)估表明，在穩(wěn)態(tài)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)沒(méi)有危險(xiǎn)共振；葉片滿(mǎn)足λ1＞0.3（彎曲顫振）、λ2＞1.6（扭轉(zhuǎn)顫振）的準(zhǔn)則要求，葉片振幅測(cè)量試驗(yàn)驗(yàn)證了工作范圍內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)葉片顫振。

在制造和裝配方面，復(fù)查了裝機(jī)零件，從毛坯驗(yàn)收到加工過(guò)程符合質(zhì)量體系要求，過(guò)程受控；故障件材質(zhì)和尺寸進(jìn)行了復(fù)測(cè)，符合要求；故障件零件頻率、裝機(jī)間隙測(cè)量記錄未見(jiàn)異常；分解時(shí)檢查壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸向預(yù)緊未發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子未松動(dòng)；軸承未見(jiàn)損壞，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)未見(jiàn)異常。

在使用方面，目視檢查和各處收集的碎塊、碎屑進(jìn)行磁性檢查及能譜分析，未見(jiàn)外來(lái)物；發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)未發(fā)生喘振；發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)及廠內(nèi)均進(jìn)行了跟隨性檢查，未出現(xiàn)可調(diào)葉片不跟隨現(xiàn)象；線(xiàn)位移傳感器插針頂部存在變形，可能存在反饋信號(hào)不準(zhǔn)確，可能出現(xiàn)可調(diào)葉片角度不準(zhǔn)確問(wèn)題；另外，中間位置葉片所受到的非正常激勵(lì)頻率，除了以上、下游葉排葉片數(shù)為基頻的各倍頻以外，還會(huì)由于上下游葉排相互干涉，耦合出新的頻率，可能出現(xiàn)嚴(yán)重進(jìn)氣畸變問(wèn)題。

2.2 燃?xì)鉁囟绕哒麢C(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為排查燃?xì)鉁囟绕咴颍M(jìn)行4種情況下臺(tái)架整機(jī)模擬試驗(yàn)：

1）直升機(jī)最大引氣條件。

2）導(dǎo)葉角度分別為 20°、30°。

3）放氣活門(mén)常開(kāi)，直升機(jī)最大引氣，安裝常規(guī)進(jìn)氣畸變板（DC60=-0.41）、導(dǎo)葉角度關(guān)13°。

4）改裝畸變板（DC60=-1.05），直升機(jī)最大引氣，導(dǎo)葉角度關(guān)3°。

整機(jī)模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，在第4種情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)與外場(chǎng)T45溫度偏高時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)相當(dāng)。

2.3 壓氣機(jī)葉片葉尖振幅測(cè)量試驗(yàn)

為驗(yàn)證壓氣機(jī)Ⅱ級(jí)葉片斷裂的故障機(jī)理，在整機(jī)上模擬外場(chǎng)可能出現(xiàn)的狀態(tài)，進(jìn)行不同條件下壓氣機(jī)葉片葉尖振幅測(cè)量試驗(yàn)[13]。測(cè)試及分析結(jié)果表明：

1）在90.8%轉(zhuǎn)速附近，Ⅱ級(jí)葉片存在3倍頻引起的1階彎曲共振；

2）發(fā)動(dòng)機(jī)正常使用狀態(tài)下，Ⅱ級(jí)葉片葉尖振幅不大于0.2 mm，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)應(yīng)力小于120 MPa，葉片高周疲勞儲(chǔ)備系數(shù)[14]為3.88，大于2.1的標(biāo)準(zhǔn)要求；

3）當(dāng)進(jìn)氣畸變指數(shù)DC60=-1.05，導(dǎo)葉角度關(guān)3°，直升機(jī)最大引氣時(shí)，在90.8%轉(zhuǎn)速附近，Ⅱ級(jí)葉片葉尖最大振幅為0.79 mm，對(duì)應(yīng)的最大振動(dòng)應(yīng)力為472 MPa，高周疲勞儲(chǔ)備系數(shù)為1.0，遠(yuǎn)小于2.1的標(biāo)準(zhǔn)要求（圖6）。

3 結(jié)論

1）壓氣機(jī)Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)盤(pán)全部轉(zhuǎn)子葉片靠近根部斷裂，Ⅱ級(jí)部分轉(zhuǎn)子葉片呈高周疲勞性質(zhì)，為首斷件。

圖 6 Ⅱ級(jí)盤(pán)葉片Goodman圖Fig.6 Goodman diagram of blade of stage Ⅱ compressor

2）發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重進(jìn)氣畸變狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁囟绕?，Ⅱ?jí)轉(zhuǎn)子葉片一階彎曲振動(dòng)應(yīng)力過(guò)高。

3）非正常激勵(lì)頻率、可調(diào)葉片角度偏小是導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片斷裂的原因。