鄭四德 葉航 苗國磊

摘要：針對某型渦軸發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)動力渦輪轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)至127%故障，采用強(qiáng)度仿真分析、無損檢測、結(jié)構(gòu)尺寸對比分析、葉片微觀組織檢測等手段方法，對超轉(zhuǎn)后的動力渦輪盤及渦輪葉片進(jìn)行了超轉(zhuǎn)影響性分析。分析結(jié)果表明，該型發(fā)動機(jī)的動力渦輪葉片、輪盤的強(qiáng)度裕度較大，同時故檢與尺寸檢查未發(fā)現(xiàn)異常，表明超轉(zhuǎn)至127%對發(fā)動機(jī)動力渦輪盤及轉(zhuǎn)子葉片無明顯影響。本文的分析思路及分析結(jié)果可為同類故障的影響性分析提供借鑒。

關(guān)鍵詞：動力渦輪；超轉(zhuǎn)；強(qiáng)度分析；無損檢測

Keywords：power turbine；overturning；strength analysis；non-destructive testing

1 故障情況

渦軸發(fā)動機(jī)動力渦輪用于提取動力，驅(qū)動主減速器帶動螺旋槳。動力渦輪轉(zhuǎn)子不受壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的直接影響，能獨立地按照給定的規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn) [1] 。動力渦輪由于與燃?xì)鉁u輪沒有機(jī)械連接，只有氣動上的聯(lián)系，控制系統(tǒng)通過控制噴油量使得動力渦輪轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載需要下降時控制系統(tǒng)會降低噴油量，降低發(fā)動機(jī)輸出功率，否則動力渦輪會發(fā)生超轉(zhuǎn)。

按照國軍標(biāo)GJB 242A-2018《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》規(guī)定，動力渦輪軸不能超過115%的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速限制，輪盤的設(shè)計破裂轉(zhuǎn)速不低于穩(wěn)態(tài)最高轉(zhuǎn)速的122%。某臺引進(jìn)型渦軸發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中的減速階段負(fù)載下降時沒有及時減小供油，同時超轉(zhuǎn)保護(hù)未啟動，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)動力渦輪超出最大瞬態(tài)轉(zhuǎn)速（111%工作轉(zhuǎn)速）限制，瞬間工作至127%，整個超轉(zhuǎn)過程歷時約1.5s，其間燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速、燃?xì)鉁u輪后溫度、振動值均超過允許值，輸出軸幾乎處于空載狀態(tài)。

目前國內(nèi)鮮有針對渦軸發(fā)動機(jī)動力渦輪超轉(zhuǎn)后葉片及盤的影響性評估的文獻(xiàn)。本文針對上述超轉(zhuǎn)故障開展了不同轉(zhuǎn)速下的盤及葉片的有限元分析，計算了靜強(qiáng)度儲備及盤的破裂轉(zhuǎn)速，綜合榫頭榫槽等結(jié)構(gòu)尺寸測量、無損檢測及葉片微觀組織分析，對超轉(zhuǎn)后的動力渦輪葉片及轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行了分析評估。

2 強(qiáng)度分析

由于輸出軸近乎處于空載狀態(tài)，受扭矩影響大，可初步排除受離心力影響較小的零件（如傳動軸、靜子件等）故障的可能。與動力渦輪軸相連的減速器齒輪強(qiáng)度分析結(jié)果表明，齒輪在超轉(zhuǎn)狀態(tài)下的最大應(yīng)力仍具有較大的強(qiáng)度裕度，因此重點對動力渦輪盤和葉片的靜強(qiáng)度儲備、超轉(zhuǎn)狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變場以及盤的破裂轉(zhuǎn)速進(jìn)行計算分析。

2.1 渦輪盤及轉(zhuǎn)子葉片靜強(qiáng)度儲備分析

按照發(fā)動機(jī)渦輪盤強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則 [2]要求，采用有限元數(shù)值仿真方法，對渦輪盤的靜強(qiáng)度儲備進(jìn)行評估。動力渦輪共有兩級，在考慮溫度影響的條件下，二級渦輪盤和葉片相對于一級輪盤和葉片的應(yīng)力水平更高，因此，以二級輪盤和葉片的計算結(jié)果為例進(jìn)行說明。計算結(jié)果如表1所示，從中可以看出，渦輪盤的靜強(qiáng)度儲備系數(shù)高于盤類件靜強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則中要求的儲備系數(shù)。

采用有限元數(shù)值仿真方法，對動力渦輪轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行仿真分析。結(jié)果顯示最大應(yīng)力在葉片根部，其他部位的應(yīng)力相對較?。ǔ~冠和榫頭接觸區(qū)），因此重點考察葉片根部的強(qiáng)度儲備。表2給出了葉片的強(qiáng)度儲備系數(shù)，從中可以看出，葉片具有較大的強(qiáng)度儲備系數(shù)，高于渦輪葉片強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則的要求 [2] 。

2.2 不同轉(zhuǎn)速下渦輪盤及葉片的應(yīng)力應(yīng)變場分析

分別計算動力渦輪盤在100%（工作轉(zhuǎn)速）、111%（最大瞬態(tài)轉(zhuǎn)速）、122%（破裂試驗轉(zhuǎn)速）及127%（本次超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速）等4個轉(zhuǎn)速、2種溫度場共8種狀態(tài)下的彈性應(yīng)力應(yīng)變。應(yīng)力分布如圖1所示，各種狀態(tài)下的匯總情況如表3所示。

從表3可以看出：1）均溫條件下，在127%轉(zhuǎn)速下，動力渦輪盤在盤心部位已經(jīng)局部進(jìn)入塑性；2）在假定的溫度梯度條件下，在127%轉(zhuǎn)速下，盤心局部位置的應(yīng)力值超屈服值相對較多。

對動力渦輪盤進(jìn)一步作彈塑性應(yīng)力應(yīng)變求解，應(yīng)變分布如圖2所示，最大塑性應(yīng)變值如表4所示。

從以上分析結(jié)果可以看出，動力渦輪盤彈塑性解的盤心最大等效應(yīng)力為951MPa，低于材料在500℃下的屈服強(qiáng)度1007MPa，具有1.059的強(qiáng)度儲備系數(shù)。動力渦輪盤的最大塑性應(yīng)變位于盤心，最大塑性應(yīng)變數(shù)值為0.86‰，對一般渦輪盤的設(shè)計而言，該應(yīng)變值屬于較小的應(yīng)變值。

采用有限元數(shù)值仿真方法，對II級動力渦輪葉片分別計算在100%、111%、122%及127%等4個轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的彈性應(yīng)力應(yīng)變分析，各種狀態(tài)下的匯總情況如表5所示。

從表5可以看出：在127%轉(zhuǎn)速下，動力渦輪葉片最大等效應(yīng)力（葉根）超過了屈服應(yīng)力，葉根已經(jīng)局部進(jìn)入塑性。對動力渦輪葉片進(jìn)一步作彈塑性應(yīng)力應(yīng)變求解，應(yīng)變分布如圖3所示，最大塑性應(yīng)變值如表6所示。

從以上分析結(jié)果可以看出，動力渦輪葉片的最大塑性應(yīng)變位于葉根上部（約20%葉高），最大塑性應(yīng)變數(shù)值為1.28‰。127%轉(zhuǎn)速下應(yīng)力最大截面平均應(yīng)力624MPa，低于葉片材料的持久極限。

2.3 渦輪盤破裂轉(zhuǎn)速計算分析

按照輪盤周向和徑向破裂轉(zhuǎn)速方法 [4] ，結(jié)合有限元計算結(jié)果，對渦輪盤不同溫度分布下的周向及徑向破裂轉(zhuǎn)速進(jìn)行計算。

計算結(jié)果如表7所示。從中可以看出，兩型盤的破裂轉(zhuǎn)速儲備遠(yuǎn)高于國內(nèi)設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 故檢結(jié)果

3.1 目視檢查

對分解下來的動力渦輪盤、渦輪葉片及蜂窩件等結(jié)構(gòu)進(jìn)行目視檢查，發(fā)現(xiàn)動力渦輪II級蜂窩在圓周360°均有深度不一的新的磨痕。通過測量冷態(tài)下轉(zhuǎn)子葉片與蜂窩之間的間隙值，發(fā)現(xiàn)冷態(tài)間隙滿足大修手冊要求，經(jīng)裝配狀態(tài)下的葉尖間隙確定，該磨痕為超轉(zhuǎn)時渦輪葉片彈性變形而使葉片彈性伸長所致。其他結(jié)構(gòu)的目視檢查無異常。

3.2 無損檢測

對超轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)的動力渦輪盤、所有葉片進(jìn)行熒光探傷檢查。除了正常的按工藝對產(chǎn)品進(jìn)行無損檢測外，還對盤件榫槽、葉片榫頭等部位進(jìn)行了重點檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常。

3.3 尺寸測量

分別采用高精度三坐標(biāo)儀對超轉(zhuǎn)和未超轉(zhuǎn)的其他臺次發(fā)動機(jī)的動力渦輪盤、榫槽、中心孔和葉片榫頭進(jìn)行輪廓掃描測量，獲得了輪廓坐標(biāo)點數(shù)據(jù)。將超轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)尺寸與未發(fā)生超轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)尺寸逐項進(jìn)行對比，結(jié)果表明，超轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)動力渦輪盤榫槽、中心孔直徑及圓周度、葉片榫頭輪廓與未超轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)的對應(yīng)尺寸相比均未發(fā)現(xiàn)異常。

3.4 微觀組織觀察

為進(jìn)一步確定超轉(zhuǎn)對動力渦輪葉片蠕變性能的影響，對葉片進(jìn)行了微觀組織分析。結(jié)果表明，葉片各截面的顯微組織特征基本一致，進(jìn)排氣邊組織有變圓、相互連接現(xiàn)象，心部組織與榫頭部位組織相近，葉片組織中的強(qiáng)化相未出現(xiàn)明顯的筏化和回溶，分布規(guī)律與未超轉(zhuǎn)正常服役葉片一致。葉身高應(yīng)力區(qū)微觀組織如圖4所示。

4 結(jié)論

強(qiáng)度分析結(jié)果表明，葉片和輪盤的強(qiáng)度儲備相對于標(biāo)準(zhǔn)值較高。在127%轉(zhuǎn)速下，輪盤應(yīng)力主要受離心力的影響，溫度造成的熱應(yīng)力占比較小。在假設(shè)溫差下，輪盤盤心的最大應(yīng)力為951MPa，低于材料（500℃）的屈服極限1007MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?.86‰。葉片最大截面平均應(yīng)力為624MPa，低于材料持久強(qiáng)度，局部最大塑性應(yīng)變?yōu)?.28‰。輪盤的破裂轉(zhuǎn)速超過160%。

超轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)故檢結(jié)果中，除發(fā)現(xiàn)蜂窩上沿圓周整圈的磨痕外未發(fā)現(xiàn)其他異常，經(jīng)測量渦輪盤與機(jī)匣之間的間隙，確定該磨痕為葉盤結(jié)構(gòu)彈性變形所致。動力渦輪盤榫槽、中心孔直徑及圓周度、葉片榫頭輪廓與未超轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)對應(yīng)尺寸相比均未發(fā)現(xiàn)異常。葉片微觀組織觀察結(jié)果與其他臺次發(fā)動機(jī)葉片橫向?qū)Ρ任窗l(fā)現(xiàn)異常。

綜合強(qiáng)度分析、尺寸檢查、故檢及微觀組織觀察結(jié)果以及輪盤榫槽、中心孔和葉片榫頭輪廓偏差對比結(jié)果，認(rèn)為動力渦輪超轉(zhuǎn)對該臺發(fā)動機(jī)的動力渦輪葉片、渦輪盤結(jié)構(gòu)無明顯影響。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

鄭四德，高級工程師，研究方向為航空發(fā)動機(jī)維修設(shè)計與管理。