軸流壓氣機雙排整流器葉片裂紋原因分析

劉麗玉，盧文海，劉德林

(1.北京航空材料研究院中航工業失效分析中心，北京 100095;2.中航試金石檢測科技有限公司，北京 100095;3.中航常州蘭翔機械有限責任公司，江蘇 常州 213022）

0 引言

在燃氣渦輪發動機中，壓氣機的設計、制造與用材水平不僅影響發動機的性能水平，而且直接關系發動機的使用可靠性。壓氣機在高速旋轉狀態下工作，轉子葉片要承受強迫振動或自激振動引起的共振、喘振和顫振等，因此，一直以來人們對轉動件(動葉)很重視［1-6］。但發動機的靜子葉片是進行功能轉換的重要零件，葉片所受氣動力高頻脈動將影響其疲勞壽命，如果靜葉的強度、振動不能滿足設計要求，同樣會影響到整個發動機。故靜葉的強度、振動分析以及失效預防也不可忽視［7-8］。在葉片的斷裂失效分析中，靜葉作為肇事件失效的機率較小，但危害不可忽視［9-10］。

某型發動機經臺架試車和外場試車后分解，經熒光檢查發現其軸流壓氣機雙排整流器多片16片葉片進氣邊葉根R位置存在裂紋，葉片材質為ZG1Cr17Ni3馬氏體不銹鋼。通過對典型的葉片裂紋進行了失效分析，找出裂紋產生的原因，為發動機的設計改進和定型提供依據。

1 試驗過程與結果

1.1 葉片裂紋觀察

葉片形貌見圖1，裂紋均位于前排葉片進氣邊R位置，距葉根1～2 cm處。為保證整流器雙排葉片內側根部的圓弧過渡，整流器精鑄后葉片此位置經過打磨修整，葉片明顯較薄(圖2)?？窟M氣邊葉盆葉背側都可見數條平行裂紋，裂紋與葉根平行，從進氣邊往中部延伸，長度為1～10 mm，裂紋細長彎曲，開口寬度均勻(圖3)。

1.2 斷口觀察

將葉片裂紋人為打開，裂紋斷口形貌見圖4。斷口顏色較深，整個斷口上可見多個臺階，臺階弧形彎向進氣邊，形成一彎向葉盆側的扇形，以及裂紋斷口與人為打斷區弧形交界處彎向葉盆(圖5)。掃描電鏡下觀察斷口，斷口磨損嚴重，多處起源，源區未見冶金缺陷，斷口可見疲勞弧線(圖6)?；⌒谓唤绺浇植靠梢娖跅l帶特征(圖7)。從臺階棱線以及疲勞弧線的走向可推測此疲勞源區在葉盆表面。此外，弧形交界下方的葉背一側還可見臺階分成的若干個平坦區域(圖8)，這些小區域是從葉背表面擴展形成的，但斷口上葉盆一側擴展面積要大于葉背一側;因此，主裂紋起源于葉盆側，呈多源特征。斷口上未見冶金缺陷。

1.3 金相組織及硬度測試

垂直裂紋斷口制備金相試樣，光學顯微鏡下觀察其金相組織，可見葉片組織為回火索氏體+少量鐵素體，組織未見異常，也未見冶金缺陷(圖9)。

圖9 斷口附近金相組織圖9 Microstructure near the fracture

對斷口附近葉片進行顯微硬度測定，結果見表1。

表1 硬度檢測結果Table1 Results of hardness tests

由表1可見，斷口附近材料的硬度符合技術要求。

2 分析與討論

葉片裂紋均位于前排葉片靠內環葉根處，裂紋細長彎曲，垂直葉身方向。斷口形貌分析結果顯示，裂紋斷口具有多源疲勞斷裂特征，起裂應力大。裂紋起源于靠進氣邊葉盆側，往葉背側擴展。根據發動機工作受力狀況分析，該葉片為靜子葉片，主要承受氣動力和發動機工作過程中的振動應力，而發動機返廠后進行工廠試車，性能及整機振動合格;因此，裂紋是局部振動(整流器)造成的，與整機振動無必然聯系。

而從裂紋多源的特征來看，裂紋起裂應力較大，裂紋位置位于葉片葉盆根部靠近進氣邊(前緣)位置，與設計理論計算得到的葉片一彎族模態應力最大點位置吻合，整流器葉片在一彎位置出現疲勞裂紋往往與振動有關，而作為靜子葉片，正常工作下不可能存在很大的振動應力，共振激振源應該來源于大小葉片軸流壓氣機轉子葉片的尾流激振。雙排整流器結構復雜，加之葉片制造過程中的各種偏差，葉片在發動機某一過渡轉速下轉子葉片的尾流激振頻率有可能與葉片固有頻率相吻合，產生共振。尾流激振頻率隨轉速改變，整流器葉片裂紋主要在外場試車時出現，由于外場試車時發動機在空慢轉速(25 000 r/min)使用頻率較高，而內場空慢使用少，停留時間短，裂紋的起源應該與外場空慢轉速有關。外場試車時發動機在25000 r/min空慢轉速時的激振頻率為12×25/60=5 kHz;事實上，據設計計算，葉片轉速的12倍諧頻的一彎0節徑共振轉速范圍為24155～26 147 r/min(即一階彎曲固有頻率約為4.8～5.2 kHz)，剛好覆蓋空慢轉速頻率。當2頻率接近甚至發生重疊，葉片產生共振，而此時葉片進氣邊應力值最大，一旦超過材料的疲勞抗力，則產生裂紋;另一方面葉片葉根處葉型經打磨修整后進氣邊葉根處葉型偏薄，使得材料疲勞抗力下降，加速裂紋的萌生。

3 結論

1)軸流壓氣機雙排整流器葉片裂紋為疲勞裂紋;

2)裂紋產生原因是壓氣機轉子葉片的氣流尾流激振頻率與整流器葉片固有頻率發生重疊，產生共振;

3)葉片葉根處葉型經打磨修整后葉片偏薄使得疲勞抗力降低，促進裂紋的萌生。

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