航空发动机涡轮叶片.doc

1、摘 要I摘 要本论文着重论述了涡轮叶片的故障分析。首先引见了涡轮叶片的一些根本常识；对涡轮叶片的结构特点和工作特点进行了详尽的论述，为进一步分析涡轮叶片故障做铺垫。接着对涡轮叶片的系统故障与故障形式作了阐明，涡轮叶片的故障形式主要分为裂纹故障和折断两大类，通过图表的形式来阐述观点和得出结论；然后罗列出了一些实例（某型发动机和涡轮工作叶片裂纹故障、涡轮工作叶片折断故障）对叶片的故障作了详细剖析。最后通过分析和研究，举出了一些对故障的预防措施和排除故障的方法。关键词：涡轮叶片论述，涡轮叶片故障及其故障类型，故障现象，故障原因，排除方法ABSTRACTIIABSTRACTThis paper emp

2、hatically discusses the failure analysis of turbine blade.First introduced some basic knowledge of turbine blades;The structure characteristics and working characteristics of turbine blade were described in she wants,for the further analysis of turbine blade failure Then the failure and failure mode

3、 of turbine blades;Turbine blade failure form mainly divided into two major categories of crack fault and broken,Through the graph form to illustrate ideas and draw conclusions ;Then lists some examples(WJ5 swine and turbine engine blade crack fault,turbine blade folding section)has made the detaile

4、d analysis of the blade.Through the analysis and research,finally give the preventive measures for faults and troubleshooting methods.Key words: The turbine blades is discussed，turbine blade fault and failure type，The fault phenomenon，fault caus，Elimination method目 录III目 录第 1 章 涡轮叶片及其故 障模式 .11.1 涡轮叶

5、片的 简述 .11.1.1 涡轮的 工作 叶片 .11.1.2 导向 叶片 .21.2 涡轮叶片的故障类型 .31.2.1 涡轮 叶片常见故障 .3第 2 章 某型发 动机以及涡轮工作叶片折断故障 .52.1 故障现象 .52.2 故障原因分析 .52.2.1 发动机分解检查 .52.2.2 理化分析 .62.2.3 台架动应力测试 .82.2.4 结构应力计算分析 .82.3 故障分析结论 .92.4 防止涡轮叶片断裂的措施 .92.4.1 发动机设计制造方面防止涡轮叶片折断的措施 .102.4.2 飞行使用中防止涡轮叶片断裂的措施 .10第 3 章 涡轮工作叶片裂纹故障 .133.1 故障

6、现象 .133.2 故障原因分析 .133.2.1 叶片叶尖裂纹状态 .14ABSTRACTIV3.2.2 裂纹形成及发展特征 .173.3 故障分析结论 .203.4 叶片纵向裂纹故障的修理方法 .203.5 排故措施与效果 .26第 4 章 结束语 .28参考文献 .29谢 辞 .30附 录 .31外文文献 .33第 1 章 涡轮叶片及其故障模式1第 1 章 涡轮叶片及其故障模式1.1 涡轮叶片的简述一般将转子叶片称作工作叶片，将静子叶片称作导向叶片。导向叶片位于工作叶片前方，在燃烧室中爆发的高温高压燃气流经导向器叶片时会被整流且在收敛管道中将局部压力能转换为动能，而后加速,最终产生一个角

7、度而更加有效地撞击下一列转子叶片。转子叶片转动带动压气机部件工作，提供压气机进一步对气体做功的能量。1.1.1 涡轮的工作叶片叶身与榫头属于工作叶片的两大部分。(1)工作叶片的叶身气动力较大是由于涡轮级中的转换能量较大，即折转较大，气流速度较大，故涡轮叶片叶型剖面曲率大，叶身厚，并且沿着叶高的截面变化也相对明显。在电子科技大学成都学院本科毕业设计论文2叶尖部分（包括叶身顶端与上部）常常有一些特殊构造，如叶顶戴冠能提高刚性并建立阻尼，起减振作用，叶片叶尖有“切角”来达到修频效果等。(2)榫头涡轮工作叶片的榫头一般都是枞形的。因为这种榫头具有材料利用率高、重量轻、强度高、对热应力不敏感等优点，更适

8、合于高温高负荷的工作条件。但它的缺点是：对加工精度要求高，成本高，榫槽内热应力大。为了改善应力分布，在叶身和榫头之间设一段伸根，伸根上有冷却空气的进口。由于涡轮工作温度高，所以材料选用耐高温的镍基合金，重量比较重。由于同样的原因，在涡轮叶片还要采取冷却措施，特别是第一级高压涡轮叶片通常是中空的，叶身内部是迷宫式的冷却空气通道，采用对流、气膜、冲击等冷却技术降低工作叶片温度。 1.1.2 导向叶片涡轮部件中温度最高和承受热冲击最猛烈的零件当属导向叶片，它对材料的要求为：（1）在高温下有高的抗氧化和抗热腐蚀的能力，由于它工作温度很高，这第 1 章 涡轮叶片及其故障模式3一要求尤为突出。（2）具有良

9、好的抗热疲劳与抗热冲击的性能，以及足够的耐热强度。（3）具有良好的铸造工艺性，特别是铸造的流动性能好。目前，为了进一步提高涡轮转子与导向叶片的高温能力，发展涂层技术已成为重要举措之一，它既能防止基本的氧化腐蚀，又能很好的隔热。1.2 涡轮叶片的故障类型1.2.1 涡轮叶片常见故障叶片的故障和故障类型因工作环境的不同而有所不同，常见的故障有：裂纹断裂，强度不足和高低疲劳损伤，相对前三种故障，高低疲劳损伤发生得最多。(1)强度不足及其故障模式叶片的强度不足故障是指叶片工作时某一部位或断面的应力超过材料的断裂应力而造成损伤。这种故障大部分是由于叶片设计时裕度不够，受叶片截面内部留有残缺隐患或瞬态冲击

10、载荷所造成。比如工艺缺陷，叶片材质不好和环境影响等因素。强度不足的故障模式有：挠曲，形变，裂纹以及断裂等等。(2)高周期疲劳损伤及其故障模式叶片高周疲劳损伤即通常说的高循环应力疲劳损伤，其疲劳一方面取决于叶片的疲劳应力水平，叶片的应力循环次数。另一方面取决于叶片振动应力水平的高低，应力越高，循环次数越低。叶片的高周疲劳断裂部位常位于叶片的最大应力截面，叶片的最大应力截面和振型相关。对于一阶弯曲振动，最大应力截面沿着叶尖向上移，其断口轨迹一般为一条直线。对于复合振型和扭曲振型，其最大应力截面亦因振型不同而不同。对于高阶振型，最大应力截面亦随阶次的增高沿着叶尖向上移，其断口轨迹是先平后翘。故研究叶

11、片的断裂部位与断口轨迹，均能够判断叶片属于哪种振型的振动故障。 叶片的高周疲劳大部分属于共振疲劳损伤，其排除方法通常是避开共振，即一是改变叶片的固有频率；二是改变激振频率。高周疲劳故障模式一般表现为裂纹和断裂。电子科技大学成都学院本科毕业设计论文4(3)低周疲劳损伤及故障模式叶片低周疲劳损伤又称作大应变疲劳损伤。因应力水平较高，其损伤的疲劳循环次数较低，通常循环次数 N10 3。低周疲劳损伤大都由于叶片颤振现象或叶片气弹失稳现象所造成，因此也称作颤振故障，它主要在特定条件下由叶片弹性耦合与气动力特性所确定。叶片低周疲劳损伤的断口特征通常也有三个区域，裂纹的形成区和扩展区交集在一块，疲劳弧线较粗

12、糙，疲劳条带间距较大，表面粗糙。这与高周疲劳断口有显著的不同。低周疲劳故障模式一般也表现为裂纹和断裂。总而言之，叶片振动故障在航空发动机中被归类为具有极大危险程度且多发性的故障，其发作机理有时是较复杂的，排故方法亦是多样化的，是从事于发动机研究、设计、生产和维护者们必须注意的问题。第 2 章 WJ5 甲型发动机以及涡轮工作叶片折断故障5第 2 章 WJ5 甲型发动机以及涡轮工作叶片折断故障2.1 故障现象1991 年 5 月 30 日，东方航空一架某型号飞机从厦门返回南昌。飞机滑入跑道请求起飞，这时右发转速 102，排气温度 430-450，发动机参数无异常，收到起飞命令后，推油门过程中猛听一

13、声闷响，右发转速急速下降，当即停车。1991 年 11 月 24 日，太原航空一架某型号发动机于太原空域油门由 12向22推进时发出“咚”闷响，扭矩压力减为 0，振动极其大，驾驶人员马上将油门由 22推向 30，扭矩压力恒定，温度屑信号灯变亮。立即使用人工顺桨停车，单发成功着陆。1991 年 12 月 10 日，吉林局某型号飞机在合肥正准备起飞。机械师将油门推到 20，这时右发的 T4 温度为 260，振动值 0.6g，发动机的工作参数无异常。随即在把油门推到 26的一瞬间，右发突然发出“砰”的一声响，紧接着飞机振动剧烈。机组火速取消螺旋桨限动，关掉停车电门。这时排气温度 640，飞机单发滑回

14、停机坪。1992 年 1 月 17 日，在南京机场起飞滑行过程中的东方航空某型号飞机，左发某型号发动机忽然猛烈颤动，当即停车。故障出现后，为确保飞机和人员安全，在没有查清故障原因以及落实排故措施的情形下，该型号飞机全部停飞。2.2 故障原因分析2.2.1 发动机分解检查以上四台故障发动机在返会大修厂解剖检查时发现，某型号一级发动机涡轮工作叶片统统断开，其余三台各有 1 片一级涡轮工作叶片断开（见图 2-1） ，四台发动机的第二和第三级涡轮工作叶片、各级导向叶片和他关联零件全都受到不同电子科技大学成都学院本科毕业设计论文6程度地损伤。从故障现象大致可以断定四台发动机故障全是由一级涡轮工作叶片这一段造成的。图 2-1 折断叶片2.2.2 理化分析(1)断口分析为了确定首断件，排除受害零件，对故障发动机所有断裂件展开断口分析。经分析确认，四台发动机中各有 1 片一级涡轮工作叶片是疲劳断裂，剩下断裂件都是瞬间被动破坏。仔细观察这 4 片一级涡轮工作叶片的折断面，能够看到两个形貌不同的区域组成了断口（图 2-2、3、4） ，即疲劳区和瞬断区，严重缺陷存在于每个疲劳区，每个叶片缺陷具体情况及工作时间见表 2-1。