于 博，張 傲，孫君君

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng)）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)是一種高度復(fù)雜的熱力機(jī)械，其工作可靠性直接關(guān)系到飛行安全，體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的科技、工業(yè)和國(guó)防實(shí)力[1-4]。渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)的重要零件，由于其工作環(huán)境惡劣，葉片出現(xiàn)失效的概率相對(duì)較高[5-6]，渦輪葉片與渦輪盤的連接形式，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)中負(fù)荷較大的部分，在工程應(yīng)用中該部分極易發(fā)生故障，因此該部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)十分注意。

渦輪葉片與渦輪盤安裝形式大多使用縱樹型榫頭，并利用一定的結(jié)構(gòu)將渦輪葉片在渦輪盤上槽向限位，由于槽向方向相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線較為平直，葉片篇離心力的槽向分力較小，因此槽向固定的設(shè)計(jì)方向是保證可靠性的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)盡可能的簡(jiǎn)化。

本文通過某燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪工作葉片止動(dòng)凸塊斷裂的故障現(xiàn)象，通過機(jī)理分析，有限元仿真計(jì)算，對(duì)該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 動(dòng)力渦輪工作葉片安裝結(jié)構(gòu)

某型燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖1，該轉(zhuǎn)子采用將動(dòng)力渦輪級(jí)間封嚴(yán)環(huán)與盤前擋板進(jìn)行一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由動(dòng)力渦輪盤、動(dòng)力渦輪工作葉片、前封嚴(yán)環(huán)組成。其中，動(dòng)力渦輪工作葉片與動(dòng)力渦輪盤通過縱樹型榫槽連接安裝，葉尖部位為鋸齒冠結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)有預(yù)扭角，以保證葉片裝配后相鄰葉冠嚙合面間相互擠壓頂緊。動(dòng)力渦輪工作葉片前端（進(jìn)氣端）有止動(dòng)凸塊+前封嚴(yán)盤懸臂（過渡配合）槽向定位；前封嚴(yán)盤前端與渦輪盤后端通過精密螺栓連接到其它級(jí)動(dòng)力渦輪盤上組成動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子組件。

圖1 動(dòng)力渦輪葉片安裝結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)的收益有：

（1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于裝配和拆分；

（2） 利用前封嚴(yán)盤連接處的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以提供盤腔的冷卻氣冷卻葉片榫頭；

（3） 將動(dòng)力渦輪級(jí)間封嚴(yán)環(huán)與盤前擋板進(jìn)行一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大限度降低了盤間封嚴(yán)環(huán)的應(yīng)力水平，提高了結(jié)構(gòu)可靠性和穩(wěn)定性，達(dá)到了各級(jí)盤間軸向跨度大、轉(zhuǎn)子半徑高、控制徑向離心變形的目的。

2 故障原因及故障分析

2.1 動(dòng)力渦輪工作葉片止動(dòng)凸塊斷裂故障

該結(jié)構(gòu)動(dòng)力渦輪工作葉片止動(dòng)凸塊在試車后二次分解裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)止動(dòng)凸塊部位有部分轉(zhuǎn)接圓角處有裂紋（熒光檢查顯示）和斷裂現(xiàn)象，且渦輪盤榫槽與止動(dòng)凸塊配合面上有不同程度的壓痕，且壓痕周向分布無規(guī)律。

2.2 理化分析

對(duì)燃機(jī)動(dòng)力渦輪二級(jí)工作葉片斷裂的止動(dòng)凸塊開展斷口分析，結(jié)論為瞬斷，見圖2。

圖2 動(dòng)力渦輪工作葉片止動(dòng)凸塊斷口

開展斷裂凸塊的組織分析結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的鑄造要求，斷裂部位無超出檢查要求的疏松或其他缺陷。

2.3 動(dòng)力渦輪工作葉片止動(dòng)凸塊斷裂故障模式分析

本文根據(jù)動(dòng)力渦輪工作葉片的安裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及試車情況，結(jié)合斷裂故障現(xiàn)象及理化分析結(jié)果開展止動(dòng)凸塊斷裂故障機(jī)理分析工作，以動(dòng)力渦輪葉片承載能力不足、載荷過大等兩個(gè)直接可能原因，最終列出15 種可能的止動(dòng)凸塊斷裂故障模式，見圖3。

圖3 葉片凸塊斷裂故障模式分析圖

對(duì)15 種止動(dòng)凸塊斷裂故障模式進(jìn)行分析，通過對(duì)該處結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度、選材、裝配、生產(chǎn)、試車過程全方位的分析和復(fù)查，無法排除止動(dòng)凸塊局部壁厚不足、止動(dòng)凸塊圓角過小、封嚴(yán)環(huán)與葉片配合緊度過大、加尺寸超差4 種斷裂故障模式。

通過動(dòng)力渦輪盤上的壓痕情況判斷，動(dòng)力渦輪工作葉片上的止動(dòng)凸塊與盤端面存在擠壓，壓痕由盤片組件裝配時(shí)擋板對(duì)突出盤端面的葉片施加軸向載荷所產(chǎn)生。同時(shí)，動(dòng)力渦輪工作葉片上的止動(dòng)凸塊自身可能存在強(qiáng)度儲(chǔ)備偏低的可能。在較大軸向載荷作用下出現(xiàn)斷裂和裂紋。經(jīng)檢測(cè)表明，止動(dòng)凸塊轉(zhuǎn)接圓角加工粗糙度超過設(shè)計(jì)要求，部分轉(zhuǎn)接圓角加工超差，進(jìn)一步降低了該處的承載能力。

2.4 動(dòng)力渦輪工作葉片止動(dòng)凸塊有限元分析

根據(jù)故障樹機(jī)理分析得出的動(dòng)力渦輪盤前封嚴(yán)環(huán)與葉片榫頭端面裝配時(shí)為軸向過盈狀態(tài)，裝配緊度較大，以及動(dòng)力渦輪工作葉片強(qiáng)度儲(chǔ)備較低的兩種問題原因，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。冷態(tài)裝配狀態(tài)下，葉片處于非完全定位狀態(tài)，因此，在有限元分析時(shí)，引入50 r/min 的離心載荷，離心載荷不會(huì)在止動(dòng)凸塊處產(chǎn)生附加應(yīng)力，但可使得輪盤輪緣凸塊工作面和葉片榫頭工作面處于壓緊狀態(tài)，解決計(jì)算中的穩(wěn)定性問題。

動(dòng)力渦輪工作葉片榫頭端面與止動(dòng)凸塊接觸面的加工初始公差，強(qiáng)度分析時(shí)考慮極限狀態(tài)，葉片榫頭端面與止動(dòng)凸塊的初始公差給定為0.05 mm，對(duì)葉片止動(dòng)凸塊進(jìn)行裝配應(yīng)力分析，分析模型見圖4，止動(dòng)凸塊軸向應(yīng)力分布見圖5，分析結(jié)果表明：在裝配狀態(tài)，動(dòng)力渦輪工作葉片榫頭端面與止動(dòng)凸塊接觸面過盈0.05 mm時(shí)，工作葉片止動(dòng)凸塊處軸向應(yīng)力最大為904 MPa，接近材料極限強(qiáng)度（1 180 MPa），該裝配應(yīng)力水平偏高。

圖4 分析模型示意圖

圖5 止動(dòng)凸塊處軸向應(yīng)力分布

2.5 動(dòng)力渦輪工作葉片止動(dòng)凸塊斷裂原因

綜合以上分析，動(dòng)力渦輪工作葉片止動(dòng)凸塊斷裂的主要原因是：

（1） 動(dòng)力渦輪二級(jí)盤前封嚴(yán)環(huán)與葉片榫頭端面裝配時(shí)為軸向過盈狀態(tài)，且裝配緊度較大；止動(dòng)凸塊設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角尺寸偏小、局部壁厚較薄，強(qiáng)度儲(chǔ)備較低，在較大軸向載荷的作用下發(fā)生斷裂；

（2） 止動(dòng)凸塊轉(zhuǎn)接圓角表面加工質(zhì)量超出設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步降低了該處的承載能力。

3 動(dòng)力渦輪工作葉片安裝方式優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 軸向安裝緊度優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)故障原因分析結(jié)論及有限元分析結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)主要方向?yàn)楦纳苿?dòng)力渦輪工作葉片與動(dòng)力渦輪盤、前封嚴(yán)環(huán)裝配軸向緊度關(guān)系，使動(dòng)力渦輪工作葉片端面與盤前封嚴(yán)環(huán)形成間隙配合，消除裝配預(yù)緊力，見圖6。

圖6 裝配關(guān)系改進(jìn)對(duì)比示意圖

3.2 工作葉片止動(dòng)凸塊強(qiáng)度儲(chǔ)備優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)工作葉片止動(dòng)凸塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，提高止動(dòng)凸塊部位的強(qiáng)度儲(chǔ)備也是優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向之一，見圖7。

圖7 葉片止動(dòng)凸塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比示意圖

3.3 需考慮到的其它因素

除上述因素外，還需考慮到在葉片的加工制造和發(fā)動(dòng)機(jī)裝配時(shí)，還要監(jiān)控以下可能造成葉片止動(dòng)凸塊發(fā)生斷裂的影響因素：

（1） 應(yīng)加強(qiáng)控制動(dòng)力渦輪工作葉片止動(dòng)凸塊圓角表面加工質(zhì)量，保證該處的粗糙度的設(shè)計(jì)要求。

（2） 動(dòng)力渦輪工作葉片使用銅錘敲擊的方式裝入渦輪盤中，裝配時(shí)應(yīng)注意銅錘敲擊的力度及敲擊位置，避免銅錘直接對(duì)葉片止動(dòng)凸塊施力，在裝配過程中發(fā)生損傷。

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后葉片止動(dòng)凸塊有限元分析

對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后工作葉片止動(dòng)凸塊進(jìn)行裝配應(yīng)力有限元分析，止動(dòng)凸塊軸向應(yīng)力分布見圖8。分析結(jié)果表明，改進(jìn)后二級(jí)工作葉片止動(dòng)凸塊處軸向應(yīng)力最大為231 MPa，該裝配應(yīng)力水平較低。與原方案相比，改進(jìn)掛鉤結(jié)構(gòu)承載能力明顯提升，見表1。

圖8 止動(dòng)凸塊處軸向應(yīng)力分布

表1 裝配狀態(tài)止動(dòng)凸塊強(qiáng)度分析對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過對(duì)動(dòng)力渦輪工作葉片止動(dòng)凸塊斷裂故障的機(jī)理分析及有限元分析, 對(duì)動(dòng)力渦輪工作葉片安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，經(jīng)故障樹方法分析總結(jié)出一套動(dòng)力渦輪工作葉片安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法包含控制動(dòng)力渦輪葉片與動(dòng)力渦輪盤、封嚴(yán)環(huán)裝配軸向緊度的優(yōu)化，提高葉片止動(dòng)凸塊部位的強(qiáng)度儲(chǔ)備，同時(shí)還包含在發(fā)動(dòng)機(jī)制造、裝配和分解過程中需要給予重點(diǎn)關(guān)注的部位。目前該方法已成功應(yīng)用在國(guó)內(nèi)自主研制的燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪工作葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，累積試車千余小時(shí)，沒有再發(fā)生止動(dòng)凸塊斷裂及裂紋故障，證明本方法是切實(shí)可行的。