航空發動機渦輪葉片斷裂原因分析

鄭 麗 羅澤明

(中國人民解放軍海軍航空兵學院 飛行理論系，遼寧 葫蘆島125001)

0 引言

渦輪葉片是航空發動機最主要的結構件之一，由于其長期工作在高溫燃氣包圍下，承受轉子高速旋轉時葉片自身的離心力、氣動力、熱應力以及振動負荷，是發動機中工作條件最為惡劣的零件。

在實際的使用過程中，由于各種原因，渦輪葉片可能發生斷裂。當渦輪葉片斷裂時，不僅會出現發動機振動進而引起飛機振動，還會打壞其他機件、甚至導致飛機著火等現象，這將嚴重影響到飛行安全。長期以來，由于渦輪葉片斷裂引發的飛行事故在飛行中屢見不鮮。

本文從渦輪葉片的工作條件出發，分析了引起渦輪葉片斷裂故障的原因，并舉例分析，在此基礎上指出預防措施。

1 渦輪葉片故障機理

從理論上看，渦輪葉片斷裂的故障機理有疲勞、超應力、蠕變、腐蝕、磨損等。

1.1 疲勞

發動機工作時，由于經常起動、加速、減速、停車以及其他條件的影響，發動機內流擾動、自激振動、流動畸變、轉子不平衡、燃氣溫度分布不均等激勵因素的作用，會使渦輪各部件承受復雜的循環載荷作用，使得葉片經受大量彈性應力循環，最終引起高周疲勞、低周疲勞或熱疲勞，使得渦輪葉片斷裂。其中，高周疲勞是指失效循環數范圍在105—107 周次的疲勞。低周疲勞是指失效循環數低于104—105 周次的疲勞。高周疲勞和低周疲勞都能夠引起渦輪葉片斷裂，實際使用中，斷裂還會來自于高低周復合疲勞[1-3]。熱疲勞是來自于渦輪葉片溫度的循環變化。渦輪葉片的溫度的循環變化來自于燃氣溫度的變化。

1.2 超應力

渦輪葉片的組成包括葉根、葉身和葉冠。由于其形狀的不規則，葉片中存在應力集中部位。盡管在設計中已經采取了一些措施，實際上，超應力仍然是造成渦輪葉片斷裂的一個原因。

1.3 蠕變

高溫環境下，蠕變斷裂是渦輪葉片主要的失效形式之一。隨著渦輪后燃氣溫度從20 世紀50 年代的1150K 增加到現在的2000K，蠕變將導致葉片的塑性變形過大甚至產生蠕變斷裂。高溫時，溫度僅增加15℃，其蠕變斷裂壽命就會縮短一半[4]。對于設計好的渦輪葉片來說，使用中一旦發動機進入超溫狀態，如果不進行維修換件，必將危及飛行安全。

1.4 腐蝕

腐蝕來自于葉片所受的高溫燃氣。高溫燃氣對葉片的腐蝕既包括沖刷造成的腐蝕，也包括高溫燃氣對金屬葉片的氧化腐蝕。腐蝕會降低葉片的性能，當腐蝕達到一定程度，葉片材料性能不能滿足要求時，就會發生斷裂。

2 影響渦輪葉片壽命的原因

渦輪葉片使用壽命終結的特征有：葉片出現影響發動機使用功能的超出設計允許的變化，或者葉片損傷積累到所允許的極限。在實際的應用中，葉片從生產到應用的過程復雜，涉及到的因素多，往往會由于各種原因引起葉片發生斷裂。

2.1 制造和材料缺陷

受發動機高性能、工作安全性、可靠性以及壽命的要求，渦輪葉片必須具有精確的尺寸、準確的形狀和嚴格的表面完整性。但由于葉片型面的復雜性，呈葉身扭曲彎度，葉片內有冷卻通道等特點，葉片復雜曲面的加工困難，加工精度不易保證。目前存在葉片加工變形、精度低、表面質量低等問題。具體體現在：葉片的波紋度和截面形狀精度難以控制；葉片之間一致性差；葉片內殘余應力、裝夾因素引起的變形；表面完整性難以保證等。

某型發動機在外場使用570 小時25 分，返廠排故時進行熒光檢查，發現有一片高壓一級渦輪轉子葉片葉身中部靠近排氣邊葉背面上有一橫向裂紋，裂紋長約5mm。經理化檢測分析，裂紋宏觀微觀特征呈熱疲勞裂紋特征。疲勞裂紋的產生與部分陶芯變形或偏斜，葉片外型面過拋造成的葉背壁厚偏薄造成。葉背壁厚超差葉片裝機的原因是由于生產公司檢測錯誤，造成葉片生產質量不過關。

2.2 裝配和維修誤差

裝配誤差是指由于加工過程中零件內部形成的殘余應力因素影響，裝配面出現接觸不良，配合面例如葉片與渦輪盤榫槽間隙超差等。實踐表明，上述誤差累積至最終裝配誤差，將不可避免的要影響發動機的性能。維修誤差與之類似，只是產生的過程是在維修過程。

2.3 外來物損傷

對于發動機來說，外來物損傷一方面是指在飛行過程中發動機吸入異物，地面滑跑過程中進氣道內留有異物等，也包括飛行過程中發動機內部其他部件故障后，可能產生的殘片造成的損傷。但是，對于渦輪葉片來說，由于其距離進氣道和壓氣機較遠，其外來物損傷主要是指發動機內部其他部件故障后，例如燃燒室掉快等，產生的殘片進入渦輪后打傷甚至打斷葉片。

2.4 超限

超限包括超溫和超轉。超溫是指渦輪后燃氣溫度超過規定值，此時，燃燒室出口溫度必定過高，溫度過高會使渦輪葉片承受的熱載荷增大。超轉是指發動機轉速超過最大轉速。轉速過大會使渦輪葉片承受的離心載荷過大。當載荷超過葉片所能承受的最大載荷時，葉片就會斷裂。一般說來，超轉勢必引起超溫。

在葉片斷裂失效案例中，由于超溫造成葉片斷裂失效占的比例并不最高，但其危害很大，瞬時的超溫即可造成某個葉片折斷從而打斷其他葉片，乃至整臺發動機無法工作。

某飛機在完成地面通電檢查、9min 地面開車、武器系統的檢查和加載后飛機離地。在離地約3 秒時，尾噴管出現大量油霧，隨后出現火焰，緊急停車。對此發動機分解檢查，發現燃氣渦輪一、二級葉片全部斷裂，原因是由于葉片在異常高溫狀態下工作出現過燒現象。

3 預防措施

為了保證飛行安全，除了嚴格把好生產質量關以外，平時在外場的維護和飛行中應該做好以下預防措施[5]：

（1）飛機停放時，蓋好蒙布，堵好機頭蓋，防止雨水進入發動機內造成潮濕，銹蝕葉片。

（2）地面試車和飛機滑出時，要保證場道清潔，防止雜物、砂石進入發動機內部損傷葉片，造成疲勞源，使葉片產生裂紋或斷裂。

（3）飛行前后加強對葉片的外觀質量檢查，按要求對葉身進行無損探傷檢查。

（4）地面試車、飛行過程中操縱油門不能過猛，起動溫度、慢車溫度嚴格控制在允許范圍內； 嚴格按試車曲線進行試車，適當延長冷、暖機時間，正確調整發動機性能參數；防止發動機超溫、超轉和超時使用。

［1］李曉甫.發動機Ⅲ級渦輪葉片高低周復合疲勞壽命研究[J].機械制造與研究，2010，39（3）：11-12，36.

［2］盧文海，劉麗玉，白明遠.發動機燃氣渦輪葉片斷裂分析[J].失效分析與預防，2010，5（4）：252-256.

［3］劉慶瑔.某型發動機第Ⅰ級渦輪葉片延伸段斷裂原因分析[J].航空發動機，2007：31-34.

［4］周勇.定向凝固渦輪葉片蠕變試驗及理論分析[J].大連理工大學，2010，7.

［5］張慶民，張萬秋，王立波.發動機渦輪Ⅱ級葉片斷裂原因分析[J].失效分析與預防，2010，5（1）：35－18.