壓氣機轉子帶凸肩葉片掉塊故障分析

賈朝波，陳 勇，侯東旭，李春波

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽110043）

0 引言

葉片失效是航空發動機的常見故障，引起壓氣機轉子葉片出現裂紋或發生掉塊故障的主要原因包括強度設計裕度不足、外物打傷、異常碰摩、冶金缺陷、加工制造缺陷及使用不當等。統計表明，疲勞斷裂是引起轉子葉片失效的最常見形式，排查葉片疲勞失效故障原因，分析葉片失效機理，對改進提升發動機使用可靠性具有十分重要的意義。

在壓氣機葉片失效分析研究方面，傅國如等[1]系統闡述了壓氣機轉子葉片典型失效模式、失效機理、失效規律及失效原因，并結合實例對典型失效模式特征進行了分析；Lourenco 等[2]研究了某發動機葉片失效故障，指出失效起始于蝕坑；劉博志等[3]、李洋等[4]研究了某風扇葉片初期裂紋及壓氣機葉片斷裂故障，指出葉身基體組織不均勻及葉片局部晶間腐蝕是導致葉片疲勞失效的主要原因；佟文偉等[5]、范順昌等[6]研究了某風扇葉片裂紋及某高壓壓氣機轉子葉片掉角故障，認為葉片失效主要原因是葉片與機匣之間發生了異常碰摩；卜嘉利等[7]、姜濤等[8]對某風扇轉子葉片及某壓氣機轉子葉片進行了失效分析，認為葉片裂紋萌生與表面加工痕跡有關；Poursaeidi 等[9]和Salavatian 等[10]通過試驗及數值計算分析了某葉片的失效原因，認為一彎共振造成了葉片高周疲勞失效；Kermanpur 等[11]分析了Ti6Al4V 壓氣機葉片的失效機理，總結出葉根位置耐磨性差，同時葉根和燕尾槽接異常導致葉根疲勞斷裂；蘆才軍等[12]研究了某帶凸肩轉子葉片發生斷裂故障的原因，初步判斷是由共振引發了葉片疲勞斷裂；王婧等[13]針對尾流激振引起的某壓氣機葉片進氣邊高階共振掉角故障，通過對葉片進行動態優化設計及改變前1 級靜子葉片分布來改變激振力，改善了轉子葉片的振動狀況。

本文針對某壓氣機轉子帶凸肩葉片掉塊故障，通過宏觀檢查、斷口分析、加工制造質量復查及仿真對比計算，分析了葉片斷裂性質及掉塊故障原因。

1 故障情況

某發動機在工作中突發異響，經流道檢查發現第2 級轉子有1 片葉片進氣邊掉塊，同級轉子葉片、前一級靜子葉片排氣邊及后幾級轉、靜子葉片均有不同程度打傷，但無明顯掉塊；檢查進口整流器及帽罩，無打傷痕跡；復查運行參數，在發動機工作期間無超溫、超轉及振動異常情況。根據葉片形貌特征判斷掉塊故障葉片為首斷件，其他故障葉片均為二次打傷件，掉塊故障葉片形貌如圖1 所示。經檢查，故障葉片凸肩無搭接錯位等異常現象，故障葉片葉尖及機匣涂層未發現異常刮磨痕跡。該級轉子葉片材質為鈦合金，發生故障時已工作超過100 h，復查該型發動機歷史使用情況，該級葉片未出現過類似掉塊故障。

圖1 掉塊故障葉片宏觀形貌（葉盆側）

2 斷口分析

2.1 斷口宏觀形貌

通過實體顯微鏡觀察故障葉片的斷口宏觀形貌如圖2 所示。從圖中可見，葉片斷口呈灰色，主疲勞源位于葉盆側，靠近凸肩（進氣方向）與葉身轉接圓弧處，如圖中箭頭所示區域；在斷口葉盆側邊緣有多處底部呈銀白色、帶有金屬光澤的打傷痕跡，位置均不在疲勞源區；疲勞裂紋從葉盆向葉背及兩側擴展，擴展較為充分，主疲勞源在擴展過程中又形成多個疲勞源，疲勞區占整個斷口的95%以上。主疲勞源區局部形貌及向葉尖擴展的疲勞區局部形貌如圖3、4 所示。

圖2 斷口宏觀形貌

圖3 主疲勞源區局部形貌

圖4 向葉尖擴展的疲勞區局部形貌

2.2 掃描電鏡觀察

通過掃描電鏡觀察斷口主疲勞源區形貌如圖5所示。主疲勞源區未見冶金缺陷，也未見打傷痕跡。

疲勞擴展區疲勞弧線形貌和放大觀察疲勞擴展區疲勞條帶形貌分別如圖6 所示。從圖中可見，疲勞區疲勞條帶細密，間距小于0.5 μm，符合高周疲勞斷裂特征。

圖5 主疲勞源區放大形貌

圖6 疲勞擴展區疲勞條帶形貌

2.3 能譜分析

利用能譜分析儀對葉片斷口源區和擴展區進行成分分析，葉片材質成分符合標準要求，斷口上及打傷痕跡底部均未見外來異常元素。

2.4 金相組織檢查

從斷口下方約30 mm 處橫向截取金相試樣，打磨、腐蝕后觀察顯微組織形貌如圖7 所示。其金相組織為等軸α+β 兩相組織，符合標準要求。

2.5 斷口分析結果

圖7 葉身橫向金相組織形貌

斷口分析結果表明，主疲勞源位于葉盆側，靠近凸肩（進氣方向）與葉身轉接圓弧處，主疲勞源區未見冶金缺陷，也未見打傷痕跡。整個斷口為多源疲勞斷口，在擴展過程中又形成多個疲勞源，疲勞條帶細密，具有高周疲勞斷裂特征。

3 葉片加工制造質量復查

經檢查，故障葉片榫頭、凸肩轉接圓弧尺寸及葉片表面粗糙度均符合要求；根據設計圖紙檢查葉片A1～A77 個型面（如圖8 所示）的進、排氣邊厚度C1、C2及最大厚度Cmax（如圖9 所示），除缺失區域外，故障葉片的測量結果符合要求，與其他葉片相比無明顯異常。

圖8 葉片厚度測量截面

圖9 葉型特征尺寸

對照標準樣件對故障葉片進行波紋度目視檢查，發現故障葉片凸肩與葉身轉接圓弧處過渡不符合要求。通過3 坐標方法測量從葉片葉尖到凸肩下部x=14 mm 截面的葉展輪廓，測量結果如圖10（a）所示，理論模型對應葉展輪廓尺寸數據如圖10（b）所示。從測量結果來看，故障葉片葉展輪廓在距離葉尖36.55～44.42 mm 區間（凸肩上方）及56.34～58.80 mm區間（凸肩下方），輪廓厚度比理論模型尺寸最大分別減薄了0.27 mm 及0.15 mm，超出了設計要求。

圖10 葉片葉展輪廓測量結果

采用最大厚度測量工裝，打表測量故障葉片凸肩上、下方截面的最大厚度，并與其他葉片測量結果對比，見表1。葉片從葉尖向葉根過渡時，最大厚度Cmax應呈逐漸增大趨勢，但故障葉片在A2至A3截面區間，最大厚度Cmax出現先減小后增大的現象，凸肩上、下方截面的Cmax較其他葉片的減小約0.2 mm。

表1 葉片各截面最大厚度Cmax對比 mm

4 故障原因分析與討論

復查葉片設計資料及歷史使用情況可知，該葉片強度儲備符合設計要求，在使用過程中未出現過類似掉塊故障，可排除葉片設計結構強度儲備不足因素；由斷口分析結果可知，葉片斷裂性質為高周疲勞，斷口疲勞區未見冶金缺陷，成分及組織符合標準要求，葉片使用中無外物打傷、碰摩、凸肩搭接錯位及載荷異常等情況，說明該葉片掉塊故障與材質、冶金缺陷及使用無關；加工制造質量復查結果表明，葉片波紋度不符合要求，葉型自葉尖向葉根過渡時，在凸肩上、下方截面存在異常減薄，分析該異常可能改變了葉片的靜強度或振動特性。

為進一步分析葉身截面局部減薄對葉片靜強度及振動特性的影響，依據掉塊葉片的3 坐標實測數據，結合理論模型參數重新構建了掉塊葉片的完整3維模型。在UG 軟件中重構模型時，A1～A3截面及凸肩上、下方截面的數據點缺失近1/4，不能擬合還原完整的葉型輪廓。為近似還原，假設葉片葉盆和葉背曲線為光滑3 次曲線，葉片弦長與理論模型一致，葉型依據現有數據點進行擬合，向缺失部位進行插值得到葉型坐標。最后利用各截面葉型，沿葉片高度方向放樣，得到葉身完整的3 維模型。

在有限元計算中，葉片的約束邊界為：在葉片凸肩接觸面施加法向位移協調約束[14-16]，模擬葉片在工作狀態時凸肩壓緊狀態，在葉片榫頭工作面施加固定約束，模擬葉片在榫槽中的固定狀態。

靜強度計算結果表明，實測模型在工作狀態下的應力分布與理論模型的基本一致，最大應力位于葉背側根部，葉片掉塊區域為低應力區，葉片靜強度儲備符合設計要求，如圖11 所示。

圖11 實測模型葉片等效應力分布

采用模態分析方法計算了葉片前10 階振型、頻率及相對振動應力。根據發動機壓氣機結構特點，考慮轉子不平衡引起的機械激振、進口支板數19 及前后靜子葉柵數53、67 引起的氣流激振，分析可能存在1E、19E、53E、67E 激振源，繪制理論模型及實測模型葉片共振坎貝爾圖，如圖12 所示。

圖12 葉片共振坎貝爾圖

葉片各階振動頻率線f 與激振線交點E 的對應轉速即為葉片的共振轉速，從理論模型與實測模型葉片共振坎貝爾圖對比可見，實測模型葉片第8 階振動頻率線與19E 激振線的交點A，從最大工作轉速線外側移至工作轉速范圍內，與最大工作轉速的共振裕度降低，有可能引發危險共振。

實測模型葉片第8 階振型及相對振動應力分布如圖13、14 所示。

從葉片振型對比可見，由于葉片局部減薄，第8階振型節線由凸肩中部前移至凸肩進氣側，從最大相對振動應力分布來看，最大應力點未發生變化，仍位于凸肩進氣側根部。從圖13、14 中可見，葉片凸肩部位振動節線與葉片掉塊形貌較為相似，最大相對振動應力位于凸肩附近，分析認為葉片局部厚度減薄改變了葉片的振動特性，降低了葉片共振裕度，在氣流激勵作用下，葉片在最大工作轉速附近可能引發第8 階共振，最終導致葉片疲勞斷裂失效。

圖13 第8 階振型

圖14 第8 階相對振動應力分布

5 總結

（1）故障葉片斷口符合高周疲勞斷裂特征，可排除設計、外物打傷、異常碰摩、冶金缺陷及使用不當等影響因素。

（2）故障葉片葉身的波紋度不符合要求，疲勞源所在截面葉型厚度異常減薄，計算結果表明該異常改變了葉片的振動特性，降低了共振裕度，在氣流激勵下可能引發葉片局部共振，最終導致葉片疲勞失效。