基于某航空發動機振動事件的高壓渦輪轉子葉片超溫問題研究

張晗+王茹雪+劉洋+孫沐昕

摘 要：某航空發動機試驗過程中發生振動大故障。分解后，發現高壓渦輪轉子葉片等多處零組件有磨損、變形甚至斷裂的情況。將全臺共計72片高壓渦輪轉子葉片委托中國航空工業集團公司失效分析中心進行分析，確認原因為高壓渦輪轉子葉片超溫。分析高壓渦輪轉子葉片超溫的多種可能原因，采用排除法，推斷此次高壓渦輪轉子葉片超穩為局部超溫，原因為高壓渦輪導向器堵塊脫落打傷高壓渦輪轉子葉片導致高壓渦輪轉子葉片冷卻失效。根據推斷尋找事實依據，推導故障模式。提出解決高壓渦輪導向器堵塊存在脫落可能性的方案，為后續高壓渦輪轉子葉片超溫問題的判斷提供分析思維導向。

關鍵詞：航空發動機；整機振動；高壓渦輪轉子葉片超溫；冷卻失效

中圖分類號：V231 文獻標識碼：A

當代航空發動機的高壓渦輪部件承接在主燃燒室后，是將高溫高壓氣體內能轉化為機械能最重要的部件之一。雖然目前絕大多數的高壓渦輪轉子葉片均采用高性能的單晶合金材料制造，但高溫高壓高轉速的惡劣工作條件下，仍存在多種影響因素導致高壓渦輪轉子葉片局部超溫，進而發生葉片基體脫落等惡性狀況。

以最終確定為高壓渦輪轉子葉片局部超溫原因導致的某航空發動機振動事件進行典型分析，探究造成局部超溫的影響因素，充實完善振動問題數據庫，為后續航空發動機振動問題的判斷提供分析思維導向。

1.振動發動機分解檢查情況概述

1.1 故障現象

某航空發動機試驗過程中，出現振動值急劇上升，大幅超出規定值的現象。立即停止試驗，用孔探儀檢查發現，該航空發動機的高壓渦輪轉子葉片多處燒蝕。

1.2 發動機分解檢查情況

故障發生后，對發動機按大組件進行了分解檢查。外部管路、附件及尾噴口分解未見異常；分解加力擴散器時，發現少量金屬顆粒；分解渦輪后機匣時，發現少量金屬粉末狀顆粒，且多為粉末狀碎屑；分解低壓渦輪轉子組合件時，發現低壓一級導向器密封片變形，低壓一級渦輪葉片表面存在不同程度打傷；分解高壓渦輪轉子組合件時，發現16片葉片存在嚴重損傷掉塊情況，其余葉片存在不同程度的變形，葉片葉尖磨損嚴重；分解主燃燒室聯合單元體時，發現高壓渦輪導向器葉片組上1件堵塊缺失，高壓渦輪導向器葉片表面存在多處不同程度的打傷，高壓渦輪外環塊磨損嚴重，外環塊封嚴片嚴重變形；分解二支點支承組件時，發現二支點密封裝置石墨斷裂一處；分解低壓單元體、高壓機匣、高壓壓氣機轉子及中介機匣組件時，未見明顯異常。

1.3 檢定結果

因主要受損零件集中在渦輪部分，高壓渦輪轉子葉片受損嚴重，故將全臺高壓渦輪轉子葉片（72片）委托中國航空工業集團公司失效分析中心進行分析工作。對高壓渦輪轉子葉片斷口分析結果表明，為高壓渦輪轉子葉片超溫導致的超溫疲勞斷裂。

2.高壓渦輪轉子葉片超溫影響因素分析

葉片出現超溫一般有以下幾個來源：油體霧化不良、燃油品質不良、起動噴嘴油壓過低等造成的燃燒不均勻，富油燃燒，火焰后移等導致的環境超溫；冷卻通道（氣膜孔、型芯堵塞、葉片結構損壞）破壞造成溫度場分布不均勻導致的局部超溫等。從該航空發動機葉片試車情況以及其他部件的損傷情況，對此臺高壓渦輪轉子葉片出現局部區域性超溫的原因展開分析。

2.1 環境超溫

從高壓渦輪轉子葉片損傷周向分布情況看，損傷掉塊且超溫的葉片集中在1/4的區域內。距離較遠的葉片有過熱，但無超溫現象，可以說明高壓渦輪轉子葉片環境溫度無明顯異常，即部分葉片的超溫疲勞斷裂是由局部超溫導致的。

2.2 局部超溫

梳理經驗樹，導致高壓渦輪轉子葉片局部超溫的原因有：高壓渦輪轉子冷卻流路不暢；高壓渦輪轉子葉片頂端蓋板脫落或翹曲；葉片內冷卻通道堵塞；高壓渦輪轉子葉片損傷導致冷卻失效。針對某航空發動機進行逐條分析。

2.2.1 高壓渦輪轉子冷卻流路不暢

該冷卻流路的空氣從高壓壓氣機出口引入轉子盤腔內部，經高壓壓氣機封嚴盤上的一道篦齒流入高壓鼓筒軸外腔，然后又經一道篦齒與經預旋噴嘴后的主燃燒室內環腔的氣流匯合后分為兩股。一股經篦齒盤上的外篦齒后，從導向葉片和轉子葉片根部的間隙流入主流道；另一股經篦齒盤上的孔后流入高壓渦輪工作葉片，對高壓渦輪工作葉片冷卻后，分別從葉片前緣、蓋板上和其他部位的氣膜孔及尾緣的劈縫流入主流道。根據主燃燒室故檢結果，預旋噴嘴處未發現異常，冷卻流路未發現堵塞，故某航空發動機的高壓渦輪轉子葉片局部超溫的原因不為高壓渦輪轉子冷卻流路不暢。

2.2.2 高壓渦輪轉子葉片頂端蓋板脫落或翹曲

高壓渦輪轉子葉片蓋板缺失可造成葉片內冷卻空氣從頂端流出，葉片氣模孔無冷卻氣流出，葉片氣膜冷卻失效，會造成葉片燒蝕掉塊。檢查葉片蓋板，掉塊較大的高壓渦輪轉子葉片的葉片蓋板在前緣位置完全損傷，其他宏觀未裂葉片的葉片蓋板無明顯掉塊，僅存在較為嚴重的刮磨，及葉背葉尖棱邊變形缺失。該航空發動機曾發生過高壓渦輪轉子葉片蓋板脫落、翹曲故障，與此次事故的現象不符，且高壓渦輪轉子葉片已經采取多種措施，避免蓋板翹曲故障發生。因此認為某航空發動機的高壓渦輪轉子葉片局部超溫的原因為高壓渦輪轉子葉片頂端蓋板脫落或翹曲的概率較低。

2.2.3 葉片內冷卻通道堵塞

外來物堵塞高壓渦輪轉子葉片冷卻通道，有可能導致葉片冷卻的逆流裕度不足而發生超溫。因此做如下工作，分解檢查故障葉片榫頭底部進氣窗口，未發現堵塞物；解剖葉片未發現堵塞現象；復查葉片水流量均合格。據此排除某航空發動機的高壓渦輪轉子葉片局部超溫的原因為葉片內冷卻通道堵塞。

2.2.4 高壓渦輪轉子葉片損傷導致冷卻失效

檢查結果表明，一個高壓渦輪導向器堵塊缺失。該堵塊尺寸為14.8mm×4.3mm×2.2mm，材料為K40M。裝配于高壓渦輪導向葉片上緣板后端，用真空釬焊方法固定，主要作用是封堵葉片緣板鑄造時的工藝退渣口。

將全臺共計72片高壓渦輪轉子葉片做能譜分析，結果表明第14塊高壓渦輪轉子葉片表面存在K40M，且所有高壓渦輪轉子葉片表面未見其他異常外來成分。這表明缺失的高壓渦輪導向器堵塊脫落，并且撞擊了高壓渦輪轉子葉片。分析認為如果高壓渦輪轉子葉片受到外物打傷產生裂紋或裂口，裂紋或裂口損傷隨著高壓渦輪轉子工作出現擴展，使高壓渦輪轉子葉片內部冷卻空氣從損傷處流出，葉片氣模冷卻失效造成葉片超溫燒蝕，在中國航空工業集團公司失效分析中心分析報告中，有3片葉片疲勞起源特征為外物打傷。

因此，高壓渦輪轉子葉片受到外物打傷引起葉片冷卻失效有很大可能是某航空發動機高壓渦輪轉子葉片局部超溫的主要原因。

3.某航空發動機故障檢查結論并改進工藝

在初步判定為高壓渦輪導向器堵塊脫落打傷高壓渦輪轉子葉片引起葉片冷卻失效后，有大量的故障檢查事實滿足以上推論，如：高壓渦輪導向器工藝堵塊掉落；高壓渦輪轉子葉片損傷嚴重；高壓渦輪導向器及其他高壓渦輪后的流道件均有不同程度損傷；高壓渦輪之前的流道件故檢未發現異常；掉塊葉片主要集中在周向約1/4區域內；故障起始發生在高壓渦輪導向器和高壓渦輪之間；從斷口分析結果來看，高壓渦輪轉子葉片出現疲勞斷裂是由于葉片超溫造成材質疲勞性能下降，在源區應力集中（氣膜孔和燒蝕缺陷）和振動應力作用下出現疲勞開裂和擴展，最終導致掉塊；從試車情況分析，應是高壓渦輪轉子葉片發生故障后引起的振動；從以往高導葉片堵塊脫落故障分析，由于高導堵塊焊接工藝存在問題，堵塊存在脫落的可能性，且堵塊脫落對高壓渦輪轉子葉片等零件會造成傷害；從故障原因分析，高導葉片堵塊脫落打傷高壓渦輪轉子葉片可以造成高壓渦輪轉子葉片冷卻失效導致局部超溫，進而發生撕裂掉塊等。

依據分析推得故障模式：發動機工作時，一個高壓渦輪導向器堵塊發生脫落，掉落在高壓渦輪導向器與高壓渦輪轉子葉片之間的流道內。堵塊隨著氣流撞擊到高速旋轉的高壓渦輪轉子某些葉片前緣，對這些葉片產生傷害，形成裂紋或裂口。裂紋或裂口損傷在熱應力、離心應力及振動應力等的共同作用下，逐步擴展，導致高壓渦輪轉子葉片冷卻失效，致使葉片超溫造成材質疲勞性能下降，進而發生撕裂掉塊的情況。撕裂掉塊的葉片殘骸四散，對相鄰高壓渦輪轉子葉片繼續產生傷害。葉片的撕裂掉塊影響了附近其他葉片的冷卻效果，致使其他葉片也發生了超溫的情況。多個葉片的損傷使得高壓渦輪轉子平衡被破壞，高壓渦輪轉子發生振動，發動機振動值激增，振動引起高壓渦輪轉子異位，高壓渦輪轉子葉片與高壓渦輪機匣外環以及空氣導管與低渦軸等發生異常碰磨。

至此，某航空發動機試驗過程中振動故障的原因判定為高壓渦輪導向器堵塊脫落。針對此問題，將高壓渦輪導向器堵塊的工藝方法由真空釬焊改為氬弧焊，某航空發動機后續試驗過程中杜絕了此類問題的發生。

結語

航空發動機的發展很大程度上是由于一次又一次解決了振動問題。振動影響因素眾多，如何準確抓住發動機振動的罪魁禍首，本次試驗過程振動的排除方法可供相關技術人員借鑒：

（1）全面系統檢查故障航空發動機，得到翔實的故障檢查結論；

（2）抓住故障檢查結論重要部分進行最高能力分析；

（3）查閱振動問題數據庫尋找故障發生可能原因，利用排除法分析；

（4）大膽假設最可能原因，尋找事實證明，推理故障模式；

（5）判定故障原因，進行技術改進，充實航空發動機振動問題數據庫。

在航空發動機振動問題的解決上，充實完善航空發動機振動問題數據庫、建立符合航空發動機體系的分析問題方法，才是解決振動問題，提升航空發動機試驗技術的正確途徑。

參考文獻

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