高涵道比渦扇發動機試驗尾噴口碎屑分析

田錦 王瑛琦 時文斌

摘 要：某高涵道比渦扇發動機試驗過程中，尾噴口多次出現碎屑。收集碎屑后進行顯微觀察及能譜分析，結合發動機各部件使用的材料，初步確定了碎屑的材料類型。通過對發動機的分解檢查，進一步明確了尾噴口碎屑的來源。經過對碎屑類型的統計分析，GH3536、GH4169、GH3030、氧化鋁、鎳石墨、非金屬這6類碎屑出現的概率較高，均超過20%。其中，GH3536、GH4169主要來自于蜂窩、篦齒刮磨，GH3030來自測試壓片的破裂脫落，氧化鋁來自葉片動應力涂層的脫落，鎳石墨來自支點鎳石墨涂層的脫落，非金屬則來自于滑油結焦脫落。對尾噴口碎屑來源的分析表明，碎屑主要來自于零部件的刮磨以及測試材料脫落，因此需關注蜂窩-篦齒的間隙設計值，加強對測試改裝的管理，減少試車中多余物的產生，以保證試車安全。

關鍵詞：高涵道比;渦扇發動機;試驗;尾噴口;碎屑分析

0? ? 引言

航空發動機的地面磨合試驗是檢驗發動機結構設計質量、整機機械品質的一項重要工作。在試驗過程中，由于轉靜子碰磨、零部件局部失效、測試改裝材料脫落等原因，會形成微小的碎屑。在試車結束后，這些碎屑仍會有部分殘留于尾噴口。莊立波等人應用電子顯微鏡、能譜儀研究了尾噴口調節片的斷裂情況，結果表明磨損和裂紋導致了斷裂的發生[1]。葉片的掉塊、失效等也會產生碎屑，權立寶等人分析了燃氣輪機高壓渦輪葉片的掉塊故障[2]。崔雄華等人研究了葉片的失效斷裂故障[3-4]。軸承的失效也會產生碎屑，對發動機有較大危害。

本文以某高涵道比渦扇發動機試車過程中尾噴口收集到的碎屑為研究對象，應用電子顯微分析、能譜分析等方法確定碎屑的材料類型，統計分析了不同碎屑出現的概率。在發動機分解后，根據分解檢查結果進一步明確了碎屑的種類及產生的原因。

1? ? 試驗現象

某高涵道比渦扇發動機地面磨合試驗累計運轉約22 h。在冷運轉或啟動試驗后共在尾噴口收集碎屑33次，并對碎屑成分進行了理化分析。

對33次搜集碎屑的理化分析結果進行了統計分析，其結果如表1所示。由表可知，GH3536碎屑出現的概率最高。

2? ? 碎屑來源分析

本節將以能譜分析獲得的碎屑材料類型為基礎，結合發動機分解檢查的現象，分析尾噴口碎屑的來源，對出現概率大于20%的6種碎屑進行重點分析。

2.1? ? GH3536碎屑來源分析

GH3536是蜂窩使用的材料，分解發現低壓渦輪4級、5級盤存在GH3536粉末，R1外環蜂窩可見磨痕，如圖1所示。因此尾噴口發現的GH3536碎屑主要由低壓渦輪R1葉尖與外環蜂窩刮磨產生，蜂窩允許刮磨，對發動機試車的危害較小。

2.2? ? GH4169碎屑來源分析

分解發現渦輪級間機匣階梯封嚴處篦齒有刮磨痕跡，如圖2所示。篦齒的材料為GH4169，推測尾噴口GH4169碎屑由階梯封嚴處篦齒、蜂窩刮磨產生。GH4169碎屑對試車安全危害較大，一般不允許出現GH4169碎屑。

2.3? ? GH3030碎屑來源分析

測試專業使用的點焊壓片材料為GH3030，分解發現低壓渦輪一導葉片上測試點焊壓片破損，如圖3所示。因此尾噴口發現的GH3030碎屑應為低壓渦輪一導葉片上測試壓片破損產生。GH3030碎屑可能損傷葉片，對試車安全危害較大。

2.4? ? 氧化鋁碎屑來源分析

試車孔探及分解發現低壓渦輪R3葉片上動應力涂層脫落，涂層的材料為氧化鋁，如圖4所示。因此尾噴口發現的氧化鋁碎屑是從低壓渦輪R3葉片上脫落的，氧化鋁涂層對試車安全的影響較小。

2.5? ? 鎳石墨碎屑來源分析

分解發現3#支點后封嚴環有4條刮磨痕跡，如圖5所示。封嚴環材料為鎳石墨，可知尾噴口鎳石墨碎屑為3#支點后封嚴環刮磨產生。鎳石墨允許刮磨，對發動機試車安全影響較小。

2.6? ? 非金屬碎屑來源分析

分解檢查過程中未發現流道中有明顯油跡或非金屬結焦物，燃燒室噴嘴也無明顯積碳。推測尾噴口非金屬可能為5#支點滑油泄漏到主流道遇高溫結焦而成。

2.7? ? 碎屑來源分析小結

前面幾節分析了6種典型碎屑的來源，對于其他碎屑，通過對發動機硬件的分解檢查，也確定了來源，具體如表2所示。

3? ? 結論

本文通過能譜分析方法確定了某高涵道比渦扇發動機磨合試驗過程中尾噴口碎屑的種類，結合發動機硬件分解檢查的結果，確定了碎屑來源，結論如下：

（1）能譜分析法能較為準確地分析出碎屑的材料類型;

（2）通過碎屑類型、發動機各部件材料分布及分解檢查現象確定了碎屑的來源;

（3）轉靜子刮磨是碎屑產生的主要原因，為避免碎屑產生，需優化葉尖-蜂窩、篦齒-蜂窩等間隙設計值，保證試車安全;

（4）流道中測試壓片、涂層等也是碎屑的重要來源，需加強對測試改裝的管理，優化測試工藝，減少碎屑產生。

[參考文獻]

[1] 莊立波，包生祥，呂德春，等.飛機發動機尾噴口調節片斷口的電子顯微分析[J].理化檢驗（物理分冊），2010，46（1）：26-28.

[2] 權立寶，宋文超，郭振軒.QD128燃氣輪機高壓渦輪葉片掉塊故障分析[J].燃氣輪機技術，2018，31（1）：51-55.

[3] 崔雄華，朱寶田，劉樹濤，等.某燃氣輪機壓氣機Ⅰ級葉片斷裂失效分析[J].失效分析與預防，2006，1（3）：22-26.

[4] 李武元，夏致斌，付姮，等.某型發動機渦輪葉片斷裂故障分析[J].宇航材料工藝，2013，43（5）：81-87.

收稿日期：2021-03-12

作者簡介：田錦（1988—），男，湖北漢川人，博士研究生，工程師，研究方向：航空發動機總體結構設計。