航空發(fā)動機渦輪葉片失效分析

1?渦輪轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)特點 2?葉片的工作條件 3?渦輪轉(zhuǎn)子葉片受力分析 3.1葉片自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力 3.2作用在葉片上的彎曲應(yīng)力 3.3熱應(yīng)力 3.4振動應(yīng)力 4.轉(zhuǎn)子葉片的振動類型及其特征 4.1轉(zhuǎn)子葉片的震動分類與基本振型 4.1.1尾流激振 4.1.2顫振 4.1.3隨機振動 5?葉片的失效模式 5.1葉片的低周疲勞斷裂失效 5.2葉片扭轉(zhuǎn)共振疲勞斷裂失效 5.3葉片的彎曲振動疲勞斷裂失效 5.4轉(zhuǎn)子葉片的高溫疲勞與熱損傷疲勞斷裂失效 5.5轉(zhuǎn)子葉片微動疲勞斷裂失效 5.6葉片腐蝕損傷疲勞斷裂失效 6.渦輪葉片失效的診斷技術(shù) 6.1機上孔探檢測 6.2修理車間檢測前的預清洗處理 6.3葉片完整性檢測 6.5無損檢測 7.提高渦輪葉片強度的幾種措施 7.1合理選材 7.2改進工藝 7.2.1鍛、鑄造工藝 7.2.2機械加工工藝 7.3表面強化 7.4表面防護 7.5合理維護和使用 構(gòu)件，它的設(shè)計制造性能和可靠性直接尖系到整臺發(fā)了提高發(fā)動機的推重比，葉片設(shè)計時常采用比強度高構(gòu)及工藝；降低工作裕度等措施來實現(xiàn)。因此，研究渦輪葉片失為了使燃氣系統(tǒng)排出的燃氣流竜在整個葉片長度上做等量得功，并保證燃渦輪轉(zhuǎn)子葉片在渦輪盤上的固定方法十分重要，現(xiàn)代大多數(shù)采用“楓樹形”樺齒。這種樺齒精確加工和設(shè)計，以保證所有樺齒都能按比例渦輪葉片材料是保證渦輪性能和可靠性的基礎(chǔ)，渦輪葉片早期是用變形高溫合金，采用鍛造的方法制造。由于發(fā)動機設(shè)計與精鑄技合金發(fā)展為鑄造合金從實心發(fā)展為空心，從多晶發(fā)展為單晶，熱性能。由于鐮基單晶超合金具有卓越的高溫蠕變性能已成為制造航渦輪葉片時直接利用高溫高速燃氣做功的尖鍵部件，溫度高負境非常惡劣。渦輪葉片在高溫燃氣的工作條件下，高溫氧化和燃氣腐蝕則面損傷形式。氧和硫是影響鐮基合金高溫合金氧化抗力最有害的兩種散與晶界上的Cr。AL.。和Ti等元素發(fā)生化學反應(yīng)形成氧化物，然后氧化物開裂，使渦輪轉(zhuǎn)子葉片在工作中一直處于高溫工作狀態(tài)，因此熱疲勞和高溫蠕變性能也是3.1葉片自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力面，該葉片第i個截面面積為Ai則該截面上的離心拉伸應(yīng)力匚i離為■1A3.2作用在葉片上的彎曲應(yīng)力還會引起扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。若轉(zhuǎn)子葉片各截面重心的連線不與Z軸重合，則葉片旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力還將引起離心力彎矩。作用在轉(zhuǎn)子葉片某一應(yīng)等于作用在該截面上的氣體力彎矩和離心力彎矩的代數(shù)和應(yīng)等于作用在該截面上的氣體力彎矩和離心力彎矩的代數(shù)和對于渦輪葉片轉(zhuǎn)子，不僅工作溫度高，而且葉型厚度變化大。在燃氣的沖擊尤其在啟動停車時溫度變化更為劇烈。在發(fā)動機使用過程高而降低，另一方面葉片上的某些部位總應(yīng)力將增大，這就使葉片的安全裕度明力。大量失效分析結(jié)果表明，渦輪葉片的斷裂失效，大多數(shù)是由于在離心應(yīng)轉(zhuǎn)子葉片在工作狀態(tài)下要承受大的離心應(yīng)力載荷，如果4.1轉(zhuǎn)子葉片的震動分類與基本振型旋轉(zhuǎn)失速和隨機振動四種；按照葉片振動里的來源分，有強迫振對于實際葉片振動分析，主要是自振頻率、振型、振動應(yīng)力和激振力的來源四個因振型是指葉片以某階自振頻率振動時，葉片各部分的相對振動尖系。典型的振型有4.1.1尾流激振在發(fā)動機環(huán)形氣流通道中存在障礙物，當葉片轉(zhuǎn)子經(jīng)過這些障礙物材料性質(zhì)所決定，因而稱為“自激振動”0顫振有亞音速失速、亞音速非失速、超音速失速、超音速非失速及堵塞顫振有亞音速失速、亞音速非失速、超音速失速、超音速非失速及堵塞等。葉片自激振動時必然要從氣流中吸取能量，以補償震條件是氣流攻角大于臨界攻角，葉背氣流分離引起升力變化，導致顫激振源是強大的噪聲，故又將此引起的葉片疲勞成為噪聲疲勞，噪聲源是葉片對氣流的沖刷腐蝕和氧化、以及外物損傷等。轉(zhuǎn)子葉片的失效模式隨工作條件的不同而有所不葉片的外物損傷失效主要表現(xiàn)為凹坑、掉塊、表層剝落、彎曲變形、裂紋和其主要原因有：材料選用不當或熱處理工藝不當使葉片的屈服強度偏低過高，是葉片強度降低；或者發(fā)動機超轉(zhuǎn)，造成離心力過高。葉片變形中出現(xiàn)的概率較低。判斷葉片是否發(fā)生變形伸長的主要依據(jù)是檢查機匣有或檢查葉片是否由于使用溫度過高而發(fā)生蠕變。轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)斷裂失效的概危害性也最大，往往是一個葉片折斷而打壞其他葉片，乃至使整臺發(fā)動機無法起的顫振，扭轉(zhuǎn)共振、彎曲振動疲勞斷裂以及由環(huán)境介質(zhì)以及接觸狀態(tài)引起起的顫振，扭轉(zhuǎn)共振、彎曲振動疲勞斷裂以及由環(huán)境介質(zhì)以及接觸狀態(tài)引起5.1葉片的低周疲勞斷裂失效近存在范圍較大的嚴重區(qū)域性缺陷。在該區(qū)域中的缺陷使附近的較大區(qū)低周疲勞斷裂失效大都與設(shè)計因素有尖，大多出現(xiàn)在葉片根部附近5.2葉片扭轉(zhuǎn)共振疲勞斷裂失效5.35.3葉片的彎曲振動疲勞斷裂失效周次(N)，對于渦輪葉片一般N在105-106之間。葉片的疲勞斷裂位置與彎曲振動振型因為一彎振動出現(xiàn)在葉片根部，振動應(yīng)力值最高，離心力也大。當葉片出現(xiàn)振時，由于彎曲振動應(yīng)力的作用，葉片有可能出現(xiàn)斷裂疲勞失效。為防止葉片出現(xiàn)疲勞斷裂失效的最有效方法就是避免葉片出現(xiàn)一彎共振，即控制葉片的靜頻，同時5.4轉(zhuǎn)子葉片的高溫疲勞與熱損傷疲勞斷裂失效現(xiàn)蠕變損傷和疲勞損傷。工程上將因蠕變與疲勞發(fā)生作用轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)斷裂失效必須同時具備以下三個條件時，才可以判斷為高溫疲勞斷氣道畸變、燃油調(diào)節(jié)不良、噴油霧化不良及操作失誤等)引起短時間超溫而或過燒損傷的現(xiàn)象稱為過熱損傷。遭受熱損傷的轉(zhuǎn)子葉片易發(fā)生疲勞斷裂。由(2)斷裂起始于葉片進氣邊邊緣平坦，顏色明顯不如源區(qū)深，有疲勞弧線，瞬轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)熱損傷疲勞斷裂失效的原因是發(fā)動機長短分為短期超溫和長期超溫。短期朝聞是指時間在幾秒主要是發(fā)動機喘振，進氣道畸變或操作失誤等情況；長期超溫時間一般5.5轉(zhuǎn)子葉片微動疲勞斷裂失效產(chǎn)生微裂紋、微動磨損改變尺寸而喪失正常的配合尖系，以及微動腐蝕損傷等都會大大降低零件的疲勞抗力。同時微動損傷部位在兩零件的這些參量的相互作用及影響不同，微動損傷的表現(xiàn)應(yīng)力也相應(yīng)的增大，當其綜合應(yīng)力超過允許值時，就會在葉片的危②轉(zhuǎn)子葉片與輪盤的樽頭連接處，結(jié)合面之間往往存在微小的相對滑動，極易出現(xiàn)微不能采用過盈固裝的辦法來減小與防治微動，因此在5.6葉片腐蝕損傷疲勞斷裂失效腐蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、剝蝕和高溫腐蝕等。如果轉(zhuǎn)子葉片表面遭蝕損傷正好處在葉片的最大應(yīng)力部位，則疲勞裂紋往往會在這些損傷處降低葉片材料的疲勞強度。渦輪葉片的高溫腐蝕損傷主要有高溫氧化、熱腐蝕、碳化和6?渦輪葉片失效的診斷技術(shù)渦輪葉片常見的檢測技術(shù)有機上孔探檢測、修理車間檢測前儀，對渦輪葉片進行可視檢查。這種技術(shù)不必分解發(fā)動機，在飛機快捷?？滋綑z查可以有效發(fā)現(xiàn)渦輪葉片的燒熔、腐蝕、掉塊、裂紋完全徹底的檢查出渦輪葉片部位的危及飛行安全的故障隱患、6.2修理車間檢測前的預清洗處理渦輪效率下降；另一方面，熱蝕層會降低葉片的機械強度；同時積炭葉后來，在坐標測量機的基礎(chǔ)上，編制微機控制自動檢測所用的應(yīng)用在實際檢測中，目視檢測是最簡單的也是最常用的方法，它可以發(fā)現(xiàn)葉片表面較細微的裂紋；磁粉、渦流、滲透著色等無到渦輪葉片的檢測中。但較為先進的是用超聲波和CT檢測7?提高渦輪葉片強度的幾種措施疋況下，葉片的抗疲勞性能首先決定于其表面狀態(tài)，因為材7.17.1合理選材7.2改進工藝7.2.1鍛、鑄造工藝為了提高葉片的鍛、鑄造質(zhì)量，因此在鍛、鑄造7.2.2機械加工工藝表面強化是提高渦輪葉片疲勞強度的有效方法之一，目前渦輪葉片常用的表面強化葉片的疲勞損壞是由其表面層所受的拉應(yīng)力所引起強度影響很大。因此，采用合適的表面防護方法，使葉片表面提高葉片的耐高溫疲