■ 盧婷婷 邵傳金/中國航發(fā)商發(fā)

發(fā)動機熱端部件失效是導致飛機安全性事件最主要的原因之一，有針對性地制定應對措施，并在相關的設計、制造、工藝和使用維護過程加以落實，可以提升航空發(fā)動機安全水平。

航空發(fā)動機安全性設計不足會威脅人員人身安全、導致航空器損壞乃至產(chǎn)生機毀人亡等災難性后果[1]。設計、工藝、制造以及人為差錯等都是影響發(fā)動機安全性的主要原因[2]。通過分析研究成熟民用航空發(fā)動機運行數(shù)據(jù)及安全性事件信息，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動機熱端部件的問題是引起民航飛行安全事件的重要原因。對熱端部件的失效機理進行研究，識別失效的根本原因，并在設計至使用維護全過程的關鍵環(huán)節(jié)落實改進措施或補償措施，可從根本上提高發(fā)動機產(chǎn)品的安全性，具體過程如圖1所示。

圖1 基于熱端部件失效機理的發(fā)動機安全性提升工作流程

失效機理研究

航空發(fā)動機典型熱端部件主要包括燃燒室、渦輪、反推裝置和噴管等，通常在高溫、高速、動載荷下工作，將熱能轉變成機械能或傳遞機械能，工況及環(huán)境條件嚴苛，一旦失效可能導致嚴重后果。以高壓渦輪轉子葉片為例，進行失效機理研究，包括高壓渦輪轉子葉片的工況與受力情況、失效類型以及典型失效模式分析，識別高壓渦輪轉子葉片失效的根源性問題，為發(fā)動機安全性提升與優(yōu)化提供依據(jù)。

工況及受力

發(fā)動機高壓渦輪轉子在高轉速、高溫狀態(tài)工作，葉片受力包括機械離心載荷、熱載荷、氣動載荷及振動載荷。葉片在高溫燃氣下運轉且承受共振環(huán)境，主要的失效抗力指標為高溫蠕變及熱疲勞性能，受力情況包括：在高速旋轉情況下產(chǎn)生的離心拉應力；通過驅動空氣實現(xiàn)能量轉化，氣體作用于葉片產(chǎn)生彎曲應力；由于環(huán)境溫度分布或變化等因素產(chǎn)生的熱應力；運轉時氣流擾動引起振動、扭轉及交變彎曲產(chǎn)生的振動應力。

失效類型

高壓渦輪轉子葉片的失效類型主要有斷裂、變形和損傷。

高壓渦輪轉子葉片疲勞斷裂包括由離心力疊加彎曲應力引起的疲勞斷裂、振動環(huán)境引起的顫振疲勞斷裂、扭轉共振引起的疲勞斷裂、彎曲振動引起的疲勞斷裂、環(huán)境介質和接觸狀態(tài)引起的高溫疲勞和微動疲勞，以及腐蝕損傷導致的疲勞斷裂。葉片斷裂失效會損壞其他葉片，進而導致發(fā)動機喪失推力，影響發(fā)動機運行安全。

高壓渦輪轉子葉片變形是由于選材或工藝不合理以及環(huán)境溫度高等原因，使得葉片強度降低，進而發(fā)生葉片蠕變變形；在發(fā)生超轉時，過高的離心力作用也會導致葉片變形；葉片在一定的溫度環(huán)境及載荷作用下還會發(fā)生塑性變形。葉片伸長變形后會導致葉片與機匣等靜子發(fā)生碰磨，進而造成高壓渦輪零部件損傷、發(fā)動機振動過大以及發(fā)動機空中停車等后果，影響發(fā)動機運行及安全性。

高壓渦輪轉子葉片損傷包括高溫導致的氧化燒蝕，高溫和環(huán)境污染共同作用導致的疲勞損傷、硫化燒蝕等。葉片損傷后會發(fā)生掉塊等情況，進而影響發(fā)動機效率以及運營安全性。

典型失效模式

在葉片失效類型研究的基礎上，結合葉片設計特性及工作環(huán)境特性，進一步分析了典型失效模式的失效機理，明確了導致失效的根本原因，如表1所示。

表1 高壓渦輪轉子葉片典型失效模式的機理分析

提升安全性的改進應用

通過以高壓渦輪轉子葉片為例，研究發(fā)動機熱端部件失效機理，可以明確導致熱端部件失效的原因，如設計、制造工藝等，針對具體的原因制定了相應的改進措施，希望實現(xiàn)從根源上降低熱端部件發(fā)生失效的可能性。同時，開展了相應的驗證工作，表明改進措施的有效性以及對發(fā)動機產(chǎn)品安全性提升的增益性。

改進措施

高壓渦輪轉子葉片燒蝕的失效機理表明，高壓渦輪轉子葉片冷卻小孔的堵塞造成葉片散熱能力降低，逐漸升高的溫度使葉片被燒傷。根據(jù)有限元分析結果，在穩(wěn)態(tài)溫度場中，當葉片所有冷卻小孔全部堵塞后，葉片前緣2/3以上的部分受到的熱沖擊最嚴重。針對基于失效機理研究識別的根源性問題，制定了高壓渦輪轉子葉片的改進措施，如表2所示。

表2 高壓渦輪轉子葉片的改進措施

改進驗證

在落實改進措施后，對高壓渦輪轉子葉片在使用環(huán)境下進行仿真分析，如圖2所示，結果顯示：由于葉片前緣直接受到來自燃燒室氣流的沖擊，葉片前緣的溫度較高，最高溫度分布位置出現(xiàn)在前緣的葉尖處；從前緣到后緣方向，由于受到葉盆面的一列冷卻小孔的冷卻影響，溫度在小孔區(qū)域出現(xiàn)了明顯的下降，葉片的后緣位置冷卻孔徑較大，通過的冷卻氣流也較多，因此溫度不高；葉片整體的溫度分布較為均勻，說明葉片的冷卻孔徑和空間布局比較合理，葉片的散熱能力及抗熱沖擊能力較強。仿真結果驗證了進行結構優(yōu)化、涂層材料優(yōu)化、冷卻方案改進等方式，可以提升高壓渦輪轉子葉片抗異物堵塞能力、抗氧化能力與冷卻能力，降低葉片燒蝕的可能性，實現(xiàn)了航空發(fā)動機安全性水平提升的目的。后續(xù)將結合部件、整機試驗數(shù)據(jù)與產(chǎn)品運營數(shù)據(jù)，進一步驗證改進措施在提升產(chǎn)品安全性水平上的有效性與增益性。

圖2 基于失效機理的改進措施驗證

結束語

安全性是航空發(fā)動機產(chǎn)品的生命線，熱端部件失效對安全性的影響很大，引入基于熱端部件失效機理研究提升安全性水平的方法，可識別導致熱端部件失效的根源性問題[3]，制定針對性的設計改進措施或使用補償措施，從根本上提升零部件可靠性以及發(fā)動機安全性。加強對發(fā)動機安全性影響大的典型零部件的失效機理研究，可以從根源上改進設計、優(yōu)化流程，實現(xiàn)自底向上的產(chǎn)品安全性提升。