壓氣機轉子葉片與機匣碰磨試驗研究

楊文強

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 200241）

航空發動機壓氣機葉片葉尖與機匣內壁之間的距離稱為葉尖間隙。為了盡可能減小壓氣機葉尖氣流損失，提升壓氣機性能，希望葉尖間隙盡可能小。但葉尖間隙越小，其高速旋轉的葉片與機匣內壁之間發生碰磨的風險就越大，可能導致轉靜子間隙增大、軸承磨損、葉片折斷等機械失效[1-4]，從而降低發動機安全性和可靠性，危害航空安全[5]。由于碰磨故障機理和碰磨引發的系統響應的復雜性，國內外很多學者針對碰磨故障進行了大量的研究工作，也取得了豐碩的研究成果。Muszynaka[6]對碰磨過程中出現的物理現象如摩擦、沖擊以及碰磨轉子的振動響應等方面進行了綜述。Ahmad[7]探討了剛度硬化、不平衡、外阻尼、外激勵頻率、反向渦動、盤的彈性、庫侖摩擦、旋轉加速度、扭轉載荷、熱效應對碰磨轉子系統動力學特性的影響。Wang 等[8]通過試驗研究了轉動葉片和靜子機匣（采用平板模擬）之間的碰磨接觸現象，研究了葉片徑向力和切向力與侵入深度和轉速的關系。德國學者Ahrens 等[9]研究了葉片侵入量和法向接觸力之間的關系以及摩擦因數與轉速之間的關系。

本文主要結合某型航空發動機壓氣機部件葉尖間隙計算結果以及預計可能發生的碰磨工況，根據壓氣機部件真實工作條件確定碰磨試驗參數，對碰磨首發的轉子葉片進行了碰磨試驗研究。同時對試驗結果進行了分析，并對壓氣機部件試驗的碰磨風險進行了預測。

1 試驗方法與試驗裝置

試驗方法與試驗裝置的原理如圖1 所示[10]。試驗輪盤在電機系統驅動下實現高速旋轉，葉片安裝在輪盤外緣，并在與其相對的180°位置安裝配重葉片用于平衡葉片的離心力。模擬機匣的涂層平板安裝在高精密雙向進給平臺上，可同時實現徑向和軸向的精密進給，進給速率范圍為1.5～2025μm/s。為模擬葉片工作的實際溫度環境，采用超音速火焰加熱涂層平板，并使用熱電偶實時監測平板溫度。使用三向測力儀實時測量高速碰摩力，平板背面安裝加速度傳感器測量碰摩瞬時的加速度響應。根據碰磨瞬時信號以及平板進給速率可計算碰磨深度。試驗過程由計算機自動控制系統進行遠程控制，在線監控和記錄轉速、葉尖線速度、主軸振動、平板進給速率、進給深度、加熱溫度等參數，試驗裝置實物如圖2 所示。

圖1 試驗裝置原理圖

圖2 試驗裝置實物圖

2 試驗過程

為模擬真實的葉片和機匣的碰磨條件，選取壓氣機部件中首先碰磨的葉片進行試驗，其碰磨時的工作環境溫度、葉尖切線速度、碰磨時刮入涂層的速率、碰磨深度等均作為試驗設計時的參考依據。考慮刮入速率和碰磨深度參數的預測誤差，試驗時此參數有所加大。

壓氣機部件葉尖間隙最小級為第四級，其轉子葉片材料為鈦合金TA19，對應機匣材料為不銹鋼M152，涂層材料為鎳包石墨Metco307 NS-2，工作環境溫度為200℃左右。結合壓氣機部件運行工況、計算得到的可能的碰磨深度以及非預期的惡劣碰磨工況，確定葉片-機匣碰磨試驗工況參數詳見表1。

表1 試驗工況

碰磨試驗所采用的試驗葉片的材料、加工工藝、氣動外形均與真實葉片相同；參考國內碰磨試驗經驗，忽略機匣圓弧形狀對試驗的影響，將模擬機匣設計為帶涂層的平板，模擬機匣的材料、加工工藝、涂層硬度等均與真實機匣相同。被試葉片和平板實物如圖3 所示。

圖3 被試葉片及平板

將被試葉片、平板以及配重葉片裝于試驗臺，啟動試驗臺至規定葉尖切線速度，調試超音速火焰使平板溫度穩定達到200℃后，即可啟動平板進給裝置以規定進給率進行碰磨試驗。試驗完成后將試驗裝置停車，將被試葉片和平板拆除，進行目視檢查、拍照、尺寸測量和記錄。

3 試驗結果與分析

3.1 碰磨試驗現象

在試驗過程中，由于葉片高速旋轉，與涂層碰磨過程中有火花出現，火花出現的多少與平板進給速率關系明顯。例如，在350m/s 切線速度下，進給率為5μm/s 時火花少量出現，在進給率為50μm/s 時火花出現較多，在100μm/s 時火花大量出現。碰磨進給速率越大，火花出現越多，說明碰磨接觸力和碰磨能量隨著進給速率的增加而增大。同時火花飛濺方向與葉片旋轉方向相同，均出現在葉片盆面。

3.2 碰磨對葉片的影響

試驗后對葉片進行目視檢查、葉片葉型三坐標檢測等分析。

對試驗后的葉片進行目視檢查，發現所有葉片均無目視可見損傷，僅有2 片葉片葉尖背側存在微量毛刺，且毛刺易掉落，結合力不強，說明葉片磨損量少。將試驗后葉片與正常未經碰磨的葉片對比，發現所有葉片均無目視可見外觀、形狀和角度改變，也沒有掉塊或破損現象。針對所有被試葉片進行了三坐標檢測，各葉片三坐標檢測結果如圖4 所示和表2。所有葉片均有微小變形，除個別葉片外，大部分葉片葉尖處變形量比葉根處變形量大，其原因為葉尖處厚度較薄，且葉尖處為懸臂結構，剛度較差，當碰磨力施加到葉尖處時，葉尖變形更大。針對碰磨后變形的葉片進行了氣動性能影響評估。

圖4 葉型偏差示意圖

表2 葉型測量結果

以碰磨后葉片變形最大的第5 號葉片為對象，針對碰磨前后的葉片氣動性能進行三維數值分析。進口采用標準大氣條件，計算過程中采用同一套網格，通過逐漸改變出口背壓，得到葉片碰磨前后的氣動性能。計算結果如圖5 所示，綠線代表碰磨前的葉片出口總壓分布，紫線代表碰磨變形后的葉片出口總壓分布。碰磨后，葉尖葉型發生周向微小變形，葉尖處變形達0.12mm，導致靠近葉尖區域葉片出口總壓分布發生變化，葉中截面以下總壓分布幾乎未改變。

圖5 碰磨前后出口總壓分布

針對該葉片碰磨前后壓比、效率進行三維數值計算，計算結果如圖6 和圖7 所示。從圖中可看出，其壓比和效率線幾乎與碰磨變形前的重合，意味著即使是變形最大的轉子葉片，其單級氣動特性幾乎沒有變化。碰磨變形對轉子的流量、壓比、效率影響幾乎可忽略不計。

圖6 碰磨前后壓比

圖7 碰磨前后效率

3.3 碰磨對涂層的影響

試驗后對涂層進行目視檢查、尺寸測量等分析。

試驗后的所有涂層界面均呈現規則長條形圓弧面，界面光滑、清晰，無破損或掉塊。

試驗后對實際碰磨深度進行了測量，發現除一組實測深度小于設計碰磨深度19%外，其他各組實際碰磨深度均大于設計碰磨深度，試驗結果是可信的。實測碰磨深度見表3。試驗結果表明可磨耗涂層鎳包石墨與機匣的結合強度、可磨耗性能均良好，不會發生涂層破損和掉塊現象從而對高速轉子葉片產生不利影響。

表3 實測碰磨深度

4 結論

1）碰磨過程中出現火花現象，導致鎳的熔化和在葉片表面的粘結，葉片表面粗糙度增大，氣體流動易分離。

2）碰磨過程中進給率的大小對碰磨影響較大，碰磨進給率越大，碰磨能量越大，出現的火花越多。

3）碰磨后葉片無明顯毛刺或破損。

4）碰磨后葉片均發生較小周向變形，其變形對單級氣動性能影響很小，可以忽略不計。

5）所有試驗結果表明，采用該種葉片、涂層以及相近工況的壓氣機部件，即使發生碰磨情況，也不會產生轉靜子安全問題，同時也不會對氣動性能產生不利影響。

對完成部件性能試驗后的某型壓氣機進行分解檢查，發現該碰磨首發級個別轉子葉片葉尖存在毛刺，無目視可見顯著變形或破損，且對應機匣內壁涂層約250mm 弧長區域存在碰磨痕跡，磨損面界面清晰，涂層無掉塊。上述現象表明該試驗件在預期試驗工況下發生葉片與涂層碰磨后未發生轉靜子零件損傷問題，試驗件運轉安全。