航空发动机涡轮叶片失效分析

1•涡轮转子叶片结构特点 2•叶片的工作条件 3•涡轮转子叶片受力分析 3.1叶片自身质量产生的离心力 3.2作用在叶片上的弯曲应力 3.3热应力 3.4振动应力 4.转子叶片的振动类型及其特征 4.1转子叶片的震动分类与基本振型 4.1.1尾流激振 4.1.2颤振 4.1.3随机振动 5•叶片的失效模式 5.1叶片的低周疲劳断裂失效 5.2叶片扭转共振疲劳断裂失效 5.3叶片的弯曲振动疲劳断裂失效 5.4转子叶片的高温疲劳与热损伤疲劳断裂失效 5.5转子叶片微动疲劳断裂失效 5.6叶片腐蚀损伤疲劳断裂失效 6.涡轮叶片失效的诊断技术 6.1机上孔探检测 6.2修理车间检测前的预清洗处理 6.3叶片完整性检测 6.5无损检测 7.提高涡轮叶片强度的几种措施 7.1合理选材 7.2改进工艺 7.2.1锻、铸造工艺 7.2.2机械加工工艺 7.3表面强化 7.4表面防护 7.5合理维护和使用 构件，它的设计制造性能和可靠性直接尖系到整台发了提高发动机的推重比，叶片设计时常采用比强度高构及工艺；降低工作裕度等措施来实现。因此，研究涡轮叶片失为了使燃气系统排出的燃气流竜在整个叶片长度上做等量得功，并保证燃涡轮转子叶片在涡轮盘上的固定方法十分重要，现代大多数采用“枫树形”樺齿。这种樺齿精确加工和设计，以保证所有樺齿都能按比例涡轮叶片材料是保证涡轮性能和可靠性的基础，涡轮叶片早期是用变形高温合金，采用锻造的方法制造。由于发动机设计与精铸技合金发展为铸造合金从实心发展为空心，从多晶发展为单晶，热性能。由于镰基单晶超合金具有卓越的高温蠕变性能已成为制造航涡轮叶片时直接利用高温高速燃气做功的尖键部件，温度高负境非常恶劣。涡轮叶片在高温燃气的工作条件下，高温氧化和燃气腐蚀则面损伤形式。氧和硫是影响镰基合金高温合金氧化抗力最有害的两种散与晶界上的Cr。AL.。和Ti等元素发生化学反应形成氧化物，然后氧化物开裂，使涡轮转子叶片在工作中一直处于高温工作状态，因此热疲劳和高温蠕变性能也是3.1叶片自身质量产生的离心力面，该叶片第i个截面面积为Ai则该截面上的离心拉伸应力匚i离为■1A3.2作用在叶片上的弯曲应力还会引起扭转应力。若转子叶片各截面重心的连线不与Z轴重合，则叶片旋转时产生的离心力还将引起离心力弯矩。作用在转子叶片某一应等于作用在该截面上的气体力弯矩和离心力弯矩的代数和应等于作用在该截面上的气体力弯矩和离心力弯矩的代数和对于涡轮叶片转子，不仅工作温度高，而且叶型厚度变化大。在燃气的冲击尤其在启动停车时温度变化更为剧烈。在发动机使用过程高而降低，另一方面叶片上的某些部位总应力将增大，这就使叶片的安全裕度明力。大量失效分析结果表明，涡轮叶片的断裂失效，大多数是由于在离心应转子叶片在工作状态下要承受大的离心应力载荷，如果4.1转子叶片的震动分类与基本振型旋转失速和随机振动四种；按照叶片振动里的来源分，有强迫振对于实际叶片振动分析，主要是自振频率、振型、振动应力和激振力的来源四个因振型是指叶片以某阶自振频率振动时，叶片各部分的相对振动尖系。典型的振型有4.1.1尾流激振在发动机环形气流通道中存在障碍物，当叶片转子经过这些障碍物材料性质所决定，因而称为“自激振动”0颤振有亚音速失速、亚音速非失速、超音速失速、超音速非失速及堵塞颤振有亚音速失速、亚音速非失速、超音速失速、超音速非失速及堵塞等。叶片自激振动时必然要从气流中吸取能量，以补偿震条件是气流攻角大于临界攻角，叶背气流分离引起升力变化，导致颤激振源是强大的噪声，故又将此引起的叶片疲劳成为噪声疲劳，噪声源是叶片对气流的冲刷腐蚀和氧化、以及外物损伤等。转子叶片的失效模式随工作条件的不同而有所不叶片的外物损伤失效主要表现为凹坑、掉块、表层剥落、弯曲变形、裂纹和其主要原因有：材料选用不当或热处理工艺不当使叶片的屈服强度偏低过高，是叶片强度降低；或者发动机超转，造成离心力过高。叶片变形中出现的概率较低。判断叶片是否发生变形伸长的主要依据是检查机匣有或检查叶片是否由于使用温度过高而发生蠕变。转子叶片出现断裂失效的概危害性也最大，往往是一个叶片折断而打坏其他叶片，乃至使整台发动机无法起的颤振，扭转共振、弯曲振动疲劳断裂以及由环境介质以及接触状态引起起的颤振，扭转共振、弯曲振动疲劳断裂以及由环境介质以及接触状态引起5.1叶片的低周疲劳断裂失效近存在范围较大的严重区域性缺陷。在该区域中的缺陷使附近的较大区低周疲劳断裂失效大都与设计因素有尖，大多出现在叶片根部附近5.2叶片扭转共振疲劳断裂失效5.35.3叶片的弯曲振动疲劳断裂失效周次(N)，对于涡轮叶片一般N在105-106之间。叶片的疲劳断裂位置与弯曲振动振型因为一弯振动出现在叶片根部，振动应力值最高，离心力也大。当叶片出现振时，由于弯曲振动应力的作用，叶片有可能出现断裂疲劳失效。为防止叶片出现疲劳断裂失效的最有效方法就是避免叶片出现一弯共振，即控制叶片的静频，同时5.4转子叶片的高温疲劳与热损伤疲劳断裂失效现蠕变损伤和疲劳损伤。工程上将因蠕变与疲劳发生作用转子叶片出现断裂失效必须同时具备以下三个条件时，才可以判断为高温疲劳断气道畸变、燃油调节不良、喷油雾化不良及操作失误等)引起短时间超温而或过烧损伤的现象称为过热损伤。遭受热损伤的转子叶片易发生疲劳断裂。由(2)断裂起始于叶片进气边边缘平坦，颜色明显不如源区深，有疲劳弧线，瞬转子叶片出现热损伤疲劳断裂失效的原因是发动机长短分为短期超温和长期超温。短期朝闻是指时间在几秒主要是发动机喘振，进气道畸变或操作失误等情况；长期超温时间一般5.5转子叶片微动疲劳断裂失效产生微裂纹、微动磨损改变尺寸而丧失正常的配合尖系，以及微动腐蚀损伤等都会大大降低零件的疲劳抗力。同时微动损伤部位在两零件的这些参量的相互作用及影响不同，微动损伤的表现应力也相应的增大，当其综合应力超过允许值时，就会在叶片的危②转子叶片与轮盘的樽头连接处，结合面之间往往存在微小的相对滑动，极易出现微不能采用过盈固装的办法来减小与防治微动，因此在5.6叶片腐蚀损伤疲劳断裂失效腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、剥蚀和高温腐蚀等。如果转子叶片表面遭蚀损伤正好处在叶片的最大应力部位，则疲劳裂纹往往会在这些损伤处降低叶片材料的疲劳强度。涡轮叶片的高温腐蚀损伤主要有高温氧化、热腐蚀、碳化和6•涡轮叶片失效的诊断技术涡轮叶片常见的检测技术有机上孔探检测、修理车间检测前仪，对涡轮叶片进行可视检查。这种技术不必分解发动机，在飞机快捷。孔探检查可以有效发现涡轮叶片的烧熔、腐蚀、掉块、裂纹完全彻底的检查出涡轮叶片部位的危及飞行安全的故障隐患、6.2修理车间检测前的预清洗处理涡轮效率下降；另一方面，热蚀层会降低叶片的机械强度；同时积炭叶后来，在坐标测量机的基础上，编制微机控制自动检测所用的应用在实际检测中，目视检测是最简单的也是最常用的方法，它可以发现叶片表面较细微的裂纹；磁粉、涡流、渗透着色等无到涡轮叶片的检测中。但较为先进的是用超声波和CT检测7•提高涡轮叶片强度的几种措施疋况下，叶片的抗疲劳性能首先决定于其表面状态，因为材7.17.1合理选材7.2改进工艺7.2.1锻、铸造工艺为了提高叶片的锻、铸造质量，因此在锻、铸造7.2.2机械加工工艺表面强化是提高涡轮叶片疲劳强度的有效方法之一，目前涡轮叶片常用的表面强化叶片的疲劳损坏是由其表面层所受的拉应力所引起强度影响很大。因此，采用合适的表面防护方法，使叶片表面提高叶片的耐高温疲