韓偉 宗劍

摘要：壓氣機(jī)是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉片給空氣作功以提高空氣壓力的部件，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片是壓氣機(jī)的重要組成部分。在壓氣機(jī)的工作過(guò)程中常常因?yàn)槿~片振動(dòng)而產(chǎn)生故障，因此對(duì)壓氣機(jī)葉片常見(jiàn)故障進(jìn)行分析提出排除方案具有重要意義。本文對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的常見(jiàn)故障進(jìn)行研究，通過(guò)案例闡述了壓氣機(jī)葉片的斷裂故障以及相應(yīng)的排故方法。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);壓氣機(jī)葉片;故障排除

中圖分類(lèi)號(hào)：V263.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0058-02

0? 引言

壓氣機(jī)葉片是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一。壓氣機(jī)葉片暴露于復(fù)雜惡劣的工作條件下，受高速氣流的直接侵蝕以及灰塵、沙子和碎石等異物的沖擊，壓氣機(jī)葉片容易失效，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障。因此研究發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片故障機(jī)理并分析故障排除方法對(duì)壓氣機(jī)葉片安全性的提高具有積極重要的意義。葉片的物理故障主要為斷裂和裂紋兩種形式，本文主要就斷裂故障形式展開(kāi)討論。以某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，先闡述其壓氣機(jī)葉片的斷裂現(xiàn)象，并對(duì)該斷裂現(xiàn)象從宏觀(guān)和微觀(guān)角度進(jìn)行故障分析，從而得出故障原因，最后提出排故方法及提高葉片抗疲勞強(qiáng)度的措施，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1? 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片概述

壓氣機(jī)是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中利用高速旋轉(zhuǎn)的葉片給空氣作功以提高空氣壓力的部件。壓氣機(jī)葉片分為定子葉片和轉(zhuǎn)子葉片。其中旋轉(zhuǎn)葉片通常被稱(chēng)為轉(zhuǎn)子葉片或工作葉片，而定子葉片被稱(chēng)為導(dǎo)向葉片。定子葉片主要是把壓縮過(guò)來(lái)的氣流進(jìn)行整流和擴(kuò)壓，定葉的角度可調(diào)節(jié)以便增加效率。定子葉片位于前部，而轉(zhuǎn)子葉片在后部工作。壓氣機(jī)的工作葉片一般由葉身和榫頭組成。在燃燒室中產(chǎn)生的高溫高壓氣體流經(jīng)定子葉片，并通過(guò)管道匯聚將一些壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能而進(jìn)行整流和加速，沖擊下一行工作葉片。

2? 壓氣機(jī)葉片斷裂故障

2.1 壓氣機(jī)葉片斷裂的故障現(xiàn)象

現(xiàn)一某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中出現(xiàn)燃?xì)鉁囟绕叩漠惓，F(xiàn)象，返廠(chǎng)試車(chē)過(guò)程中壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生斷裂。通過(guò)分解檢查和理化分析，確定各斷裂葉片的斷裂性質(zhì)及首斷件，并對(duì)其斷口進(jìn)行宏觀(guān)和顯微分析，并做出故障分析和結(jié)論，最后得到排故方案。經(jīng)返廠(chǎng)檢查后發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)盤(pán)發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象如圖2所示：葉片盤(pán)上的石墨烯有明顯的刮痕，但沒(méi)有全部脫落。Ⅰ級(jí)靜子葉片進(jìn)氣邊緣未見(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。Ⅱ級(jí)靜子也有明顯的損傷現(xiàn)象但排氣邊較進(jìn)氣邊損傷嚴(yán)重，葉根處有撕裂現(xiàn)象，其他靜子葉片雖無(wú)整片斷裂現(xiàn)象但還是有明顯的局部斷裂處。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)象如圖3所示。

2.2 壓氣機(jī)葉片斷裂的故障分析

從斷口宏觀(guān)和痕跡上看，Ⅱ級(jí)葉片斷口分為2類(lèi)斷口形貌。其中一類(lèi)為疲勞擴(kuò)展充分的疲勞斷裂，此類(lèi)故障葉片較少，僅有2葉片為此類(lèi)，如圖4所示。另一類(lèi)葉片的疲勞斷裂是由可見(jiàn)較小面積的多個(gè)線(xiàn)性起源的小疲勞臺(tái)階組成。

Ⅲ級(jí)葉片均在葉片根部折斷，并未發(fā)現(xiàn)疲勞擴(kuò)展充分的疲勞區(qū)，綜上看來(lái)受損程度較為嚴(yán)重。從微觀(guān)角度觀(guān)察斷口，用掃描電鏡微觀(guān)觀(guān)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6.4mm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，如圖5所示。可以看到斷口后期可見(jiàn)小弧線(xiàn)，斷口基本被磨平。

Ⅲ級(jí)盤(pán)上每葉片上基本都在葉背上有個(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)展較小如圖6所示。

2.3? 壓氣機(jī)葉片斷裂故障分析結(jié)論

從宏觀(guān)微觀(guān)分析來(lái)看壓氣機(jī)Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)盤(pán)轉(zhuǎn)子葉片全部靠近根部斷裂，Ⅱ級(jí)部分轉(zhuǎn)子為擴(kuò)展性疲勞斷裂，另一部分為多個(gè)線(xiàn)性起源的小疲勞臺(tái)階的疲勞斷裂。為進(jìn)一步排查燃?xì)鉁囟绕咴?，進(jìn)行4種情況下臺(tái)架整機(jī)模擬試驗(yàn)。

①發(fā)動(dòng)機(jī)最大引氣條件。

②放氣活門(mén)常開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大引氣，安裝常規(guī)進(jìn)氣畸變板（DC60=-0.41）、導(dǎo)葉片角度為13度。

③改裝畸變板（DC60=-1.05），發(fā)動(dòng)機(jī)最大引氣，導(dǎo)葉片角度為3度。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在第4種狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)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)。

結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)可得出可調(diào)葉片角度偏小是導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片斷裂的原因。

2.4 壓氣機(jī)葉片斷裂的排故措施和效果

①在檢查過(guò)程中，用清潔油擦拭葉片，以除去碳和其他沉積物。

②用目視檢查葉片的進(jìn)氣邊，除定期檢查外，還應(yīng)檢查葉片根部區(qū)域是否損壞。

③在葉片上使用噴丸處理可顯著提高葉片的抗疲勞性并延長(zhǎng)其使用壽命。選擇五個(gè)普通葉片和五個(gè)噴丸葉片進(jìn)行沖擊吹動(dòng)疲勞測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。顯然，噴丸刀片的疲勞壽命提高了近5到6倍。

3? 結(jié)論

本文主要就壓氣機(jī)葉片斷裂故障展開(kāi)討論，以某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，先闡述其壓氣機(jī)葉片的斷裂現(xiàn)象，并對(duì)斷裂現(xiàn)象從宏觀(guān)和微觀(guān)角度進(jìn)行觀(guān)察，觀(guān)察結(jié)果表明：Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)盤(pán)轉(zhuǎn)子葉片全部靠近根部斷裂，可調(diào)葉片角度偏小是導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片斷裂的原因。最后提出排故方法及提高葉片抗疲勞強(qiáng)度的措施，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)葉片使用噴丸處理可顯著提高葉片的抗疲勞性并延長(zhǎng)其使用壽命。

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