某型渦扇發動機壓氣機葉片故障分析及排除方法研究

韓偉 宗劍

摘要：壓氣機是利用高速旋轉的葉片給空氣作功以提高空氣壓力的部件，渦扇發動機壓氣機葉片是壓氣機的重要組成部分。在壓氣機的工作過程中常常因為葉片振動而產生故障，因此對壓氣機葉片常見故障進行分析提出排除方案具有重要意義。本文對渦扇發動機壓氣機葉片的常見故障進行研究，通過案例闡述了壓氣機葉片的斷裂故障以及相應的排故方法。

關鍵詞：發動機;壓氣機葉片;故障排除

中圖分類號：V263.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0058-02

0? 引言

壓氣機葉片是渦扇發動機的重要部件之一。壓氣機葉片暴露于復雜惡劣的工作條件下，受高速氣流的直接侵蝕以及灰塵、沙子和碎石等異物的沖擊，壓氣機葉片容易失效，進而導致發動機故障。因此研究發動機壓氣機葉片故障機理并分析故障排除方法對壓氣機葉片安全性的提高具有積極重要的意義。葉片的物理故障主要為斷裂和裂紋兩種形式，本文主要就斷裂故障形式展開討論。以某型渦扇發動機為例，先闡述其壓氣機葉片的斷裂現象，并對該斷裂現象從宏觀和微觀角度進行故障分析，從而得出故障原因，最后提出排故方法及提高葉片抗疲勞強度的措施，并通過實驗加以驗證。

1? 渦扇發動機壓氣機葉片概述

壓氣機是渦扇發動機中利用高速旋轉的葉片給空氣作功以提高空氣壓力的部件。壓氣機葉片分為定子葉片和轉子葉片。其中旋轉葉片通常被稱為轉子葉片或工作葉片，而定子葉片被稱為導向葉片。定子葉片主要是把壓縮過來的氣流進行整流和擴壓，定葉的角度可調節以便增加效率。定子葉片位于前部，而轉子葉片在后部工作。壓氣機的工作葉片一般由葉身和榫頭組成。在燃燒室中產生的高溫高壓氣體流經定子葉片，并通過管道匯聚將一些壓力能轉化為動能而進行整流和加速，沖擊下一行工作葉片。

2? 壓氣機葉片斷裂故障

2.1 壓氣機葉片斷裂的故障現象

現一某型渦扇發動機工作過程中出現燃氣溫度偏高的異?，F象，返廠試車過程中壓氣機轉子葉片發生斷裂。通過分解檢查和理化分析，確定各斷裂葉片的斷裂性質及首斷件，并對其斷口進行宏觀和顯微分析，并做出故障分析和結論，最后得到排故方案。經返廠檢查后發現壓氣機Ⅱ級、Ⅲ級盤發現異?，F象如圖2所示：葉片盤上的石墨烯有明顯的刮痕，但沒有全部脫落。Ⅰ級靜子葉片進氣邊緣未見明顯損傷，但每片葉片葉盆面葉根處均有一處變形排氣邊及葉盆面損傷明顯。Ⅱ級靜子也有明顯的損傷現象但排氣邊較進氣邊損傷嚴重，葉根處有撕裂現象，其他靜子葉片雖無整片斷裂現象但還是有明顯的局部斷裂處。對發動機裝機附件進行檢查，發現線位移傳感器插針頂部存在變形現象如圖3所示。

2.2 壓氣機葉片斷裂的故障分析

從斷口宏觀和痕跡上看，Ⅱ級葉片斷口分為2類斷口形貌。其中一類為疲勞擴展充分的疲勞斷裂，此類故障葉片較少，僅有2葉片為此類，如圖4所示。另一類葉片的疲勞斷裂是由可見較小面積的多個線性起源的小疲勞臺階組成。

Ⅲ級葉片均在葉片根部折斷，并未發現疲勞擴展充分的疲勞區，綜上看來受損程度較為嚴重。從微觀角度觀察斷口，用掃描電鏡微觀觀察Ⅱ級盤葉片，疲勞擴展充分，葉片疲勞起源于距進氣邊約6.4mm的葉盆側，呈單個點源特征，源區未見冶金缺陷，擴展區可見細密的疲勞條帶，如圖5所示?？梢钥吹綌嗫诤笃诳梢娦』【€，斷口基本被磨平。

Ⅲ級盤上每葉片上基本都在葉背上有個平坦區，該區呈現多個線性的疲勞起源和擴展，但擴展較小如圖6所示。

2.3? 壓氣機葉片斷裂故障分析結論

從宏觀微觀分析來看壓氣機Ⅱ級、Ⅲ級盤轉子葉片全部靠近根部斷裂，Ⅱ級部分轉子為擴展性疲勞斷裂，另一部分為多個線性起源的小疲勞臺階的疲勞斷裂。為進一步排查燃氣溫度偏高原因，進行4種情況下臺架整機模擬試驗。

①發動機最大引氣條件。

②放氣活門常開，發動機最大引氣，安裝常規進氣畸變板（DC60=-0.41）、導葉片角度為13度。

③改裝畸變板（DC60=-1.05），發動機最大引氣，導葉片角度為3度。

經實驗發現在第4種狀態下發現發動機參數與外場T45溫度偏高時發動機參數相當。

結合以上實驗可得出可調葉片角度偏小是導致壓氣機葉片斷裂的原因。

2.4 壓氣機葉片斷裂的排故措施和效果

①在檢查過程中，用清潔油擦拭葉片，以除去碳和其他沉積物。

②用目視檢查葉片的進氣邊，除定期檢查外，還應檢查葉片根部區域是否損壞。

③在葉片上使用噴丸處理可顯著提高葉片的抗疲勞性并延長其使用壽命。選擇五個普通葉片和五個噴丸葉片進行沖擊吹動疲勞測試。試驗結果如表1所示。顯然，噴丸刀片的疲勞壽命提高了近5到6倍。

3? 結論

本文主要就壓氣機葉片斷裂故障展開討論，以某型渦扇發動機為例，先闡述其壓氣機葉片的斷裂現象，并對斷裂現象從宏觀和微觀角度進行觀察，觀察結果表明：Ⅱ級、Ⅲ級盤轉子葉片全部靠近根部斷裂，可調葉片角度偏小是導致壓氣機葉片斷裂的原因。最后提出排故方法及提高葉片抗疲勞強度的措施，并通過實驗加以驗證，實驗結果表明：對葉片使用噴丸處理可顯著提高葉片的抗疲勞性并延長其使用壽命。

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