【正文】 (1）本文在對(duì)某型高壓渦輪葉片所受進(jìn)行熱載荷分析時(shí)，只分析了穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子葉片的影響，而在發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作過(guò)程中，瞬態(tài)溫度場(chǎng)所引起的熱載荷要比穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)大得多，因此對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際飛行過(guò)程中的高壓渦輪葉片的熱載荷分析今后有待進(jìn)一步提高； (2）受到資料的限制，在分析某型高壓渦輪部件失效原因時(shí)，只考慮到了主要方面的原因，忽略了其他的一些次要原因。使用這個(gè)新型材料主要有下面幾個(gè)優(yōu)勢(shì)： ①主要力學(xué)性能要滿足輪盤(pán)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求； ②形成的缺口敏感性要小，斷裂韌性要高； ③純度高、缺陷小、晶粒均勻、晶粒度適當(dāng)，確保渦輪葉片的固有疲勞強(qiáng)度； ④有良好的抗腐蝕性能，足夠高的應(yīng)力腐蝕斷裂韌度值。 渦輪盤(pán)失效預(yù)防措施 為了防止渦輪盤(pán)失效，確保渦輪的安全工作，下面從設(shè)計(jì)、選材、制造等幾個(gè)方面論述預(yù)防渦輪盤(pán)失效的技術(shù)措施。②輪盤(pán)后端面槽底轉(zhuǎn)角處裂紋，也起始于加工，沿徑向擴(kuò)展。 由于渦輪葉片是樅樹(shù)形榫頭，所以容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在長(zhǎng)期的疲勞載荷的作用下，往往使榫齒出現(xiàn)裂紋而斷裂。 (3) 葉片完整性檢測(cè) 以前，通常用角規(guī)、卡尺等“ 硬”測(cè)量?jī)x檢測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的葉身尺寸，雖然技術(shù)簡(jiǎn)單易行，但存在易受檢測(cè)者人為因素的影響，檢測(cè)精度低、檢測(cè)效率低等缺點(diǎn)。這種技術(shù)手段不必分解發(fā)動(dòng)機(jī)，在飛機(jī)上就可以進(jìn)行，簡(jiǎn)便快捷。主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： (1) 注意監(jiān)控 EGT 溫度 , 防止發(fā)動(dòng)機(jī)超溫 在實(shí)際飛行中， EGT 溫度是影響渦輪安全工作的最主要參數(shù)。但其制造工藝復(fù)雜，表面開(kāi)孔處應(yīng)力集中，葉片強(qiáng)度受到影響。如圖 214 所示，即為 2100M96P04 高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片 。 高壓渦輪設(shè)計(jì)制造方面考慮 在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)，主要是通過(guò)盡可能提高渦輪葉片的強(qiáng)度，或者通過(guò)對(duì)高壓渦輪的葉片構(gòu)形做出改變，或者直接采取方法來(lái)增加渦輪葉片的冷卻能力。 其他的一些失效形式 由于高壓渦輪在燃燒室后面自然的承受著高溫高壓高速燃?xì)鉀_擊作用，除了上述的幾種典型的失效形式之外，渦輪葉片還會(huì)有一下其他的失效形式，比如：葉片的燒穿、葉片受到高溫作用變色、或者 葉片的伸長(zhǎng) 等。但是隨著 T3*的提高，渦輪的轉(zhuǎn)速自然也會(huì)增加，這樣就會(huì)產(chǎn)生極大地離心應(yīng)力。所以轉(zhuǎn)子葉片榫頭也是發(fā)動(dòng)機(jī)最容易失效斷裂的部位。渦輪葉片葉身斷裂的原因有以下幾個(gè)方面： (1) 鳥(niǎo)撞擊或外來(lái)物的損傷。 (2)如果葉片由于表面溫度不均或腐蝕而發(fā)生裂紋、變形，如果同時(shí)疊加機(jī)械力也會(huì)導(dǎo)致葉片出現(xiàn)斷裂而掉快。 (3) 彎扭矩的產(chǎn)生。其中轉(zhuǎn)子葉片前緣的列為形成原因和導(dǎo)向器出現(xiàn)裂紋的原因類似，吃了上述原因之外，轉(zhuǎn)子葉片還主要受到輪盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)是產(chǎn)生的離心應(yīng)力的作用。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不正常引氣，飛行員推油門(mén)過(guò)猛等原因引起燃燒室富油燃燒，或者是由于進(jìn)口溫度變化導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)喘振都有可能使渦輪進(jìn)口溫度超出渦輪葉片材料所能承受的極限溫度，在溫度交變應(yīng)力的作用下，使渦輪葉片出現(xiàn)裂紋。 由此可見(jiàn)，高壓渦輪葉片在工作的過(guò)程中，不管是導(dǎo)向器還是轉(zhuǎn)子葉片最有可能失 效的形式是由于溫度過(guò)高致使葉片被燒傷。 (2) 壓氣機(jī)問(wèn)題。 圖 24 渦輪轉(zhuǎn)子葉片冷卻孔受阻原因 圖 25 渦輪工作葉片阻塞圖 由于碎屑是泥土，鋁氧化，物氧化鋯（ TBC）和金屬碎屑的混合物。而空氣中的顆粒狀的雜質(zhì)可能被吸進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，從而堵塞高壓渦輪葉片的冷卻小孔，冷卻孔的阻塞使得高溫高壓燃?xì)庵苯訜齻麥u輪葉片，從而渦輪的效率降低 ，將直接影響到 T3* 。 圖 21 渦輪葉片損傷形式 渦輪葉片在環(huán)境因素、人為因素、發(fā)動(dòng)機(jī)本身因素影響下出現(xiàn)的損傷有渦輪葉片堵塞，渦輪葉片燒蝕，渦輪導(dǎo)向器葉片腐蝕，渦輪葉片掉快，渦輪葉片裂紋，渦輪葉片榫齒裂紋，渦輪葉片斷裂等。這些成果使 20 世紀(jì) 80 及 90 年代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度提高了 300℃。 如圖 17 所示。 (2) 高壓渦輪轉(zhuǎn)子 高壓渦輪轉(zhuǎn)子是由通過(guò)導(dǎo)向器的燃?xì)鈦?lái)驅(qū)動(dòng)的。渦輪的基本部件有燃燒室燃?xì)鈱?dǎo)管、導(dǎo)向器葉片、渦輪盤(pán)和渦輪工作葉片。 某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 高壓渦輪的工作原理 研究渦輪的工作原理，就要先研究渦輪的基元級(jí)，研究渦輪基元級(jí)的目的是為了得到基元級(jí)速度三角形，有了基元級(jí)速度三角形，就可以清楚地看出燃?xì)?流過(guò)導(dǎo)向器和工作葉輪的膨脹情況，進(jìn)而分析渦輪的工作原理。如果渦輪前某一地方的燃?xì)鉁囟雀?、壓力大、相?yīng)的導(dǎo)向器出口處燃?xì)馑俣染蜁?huì)大，作用于葉片的力也就會(huì) 受到這種按周期變化的力的作用，這就是交變力。當(dāng) T3*分布均勻時(shí)，渦輪葉片的溫度從距葉片根部三分之一高度的地方到葉片尖部，溫度都保持較高的數(shù)值。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)排氣系統(tǒng)，將渦輪排出的燃?xì)庖砸欢ǖ乃俣群鸵蟮姆较蚺湃氪髿?，提供最后所得到的推力，在高涵道比渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生主要的推力是外涵通道。 燃燒室 燃燒室位于壓氣機(jī)和渦輪之間，其功能是使高壓空氣與燃油混合、燃燒、將西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽纬筛邷馗邏旱娜細(xì)?。在亞音速飛行時(shí)，它可以充分利用飛行速度造成的沖壓效應(yīng)，而且造成的流動(dòng)損失最小。 關(guān)鍵詞 ：渦輪盤(pán) 。在充分了解該發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪的主要結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理和工作環(huán)境之后，本文對(duì)高壓渦輪葉片和輪盤(pán)的常見(jiàn)失效形式進(jìn)行了詳細(xì)的分析和總結(jié)，并對(duì)有可能引起這些損傷的原因做出了定性分析。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道采用的是亞音速短圓形進(jìn)氣道。 高壓壓氣機(jī)是一個(gè)九級(jí)的壓氣機(jī)。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪分為高壓渦輪和低壓渦輪， 渦輪的基本部件有燃燒室燃?xì)鈱?dǎo)管、導(dǎo)向器葉片、渦輪盤(pán)和渦輪工作葉片。但是在提高渦輪前溫及提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力的同時(shí)，渦輪的熱負(fù)荷也在不斷的惡化中。由于渦輪是在高轉(zhuǎn)速情況下工作的，如一片小小的渦輪工作葉片重量?jī)H 2 盎司，在最高轉(zhuǎn)速下的載荷會(huì)超過(guò) 2 噸。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的在翼時(shí)間，所以要對(duì)高壓渦輪葉片進(jìn)行降溫處理，因此在高壓渦輪導(dǎo)向器上面開(kāi)有很多小孔，用于 引導(dǎo)冷空氣對(duì)渦輪部件進(jìn)行冷卻。在工作葉輪內(nèi)，由于工作葉輪被燃?xì)馔苿?dòng)而旋轉(zhuǎn)，其切向速度為 ，所以氣流的絕對(duì)速度降低，方向也改變；燃?xì)庖韵鄬?duì)速度 流入工作葉輪，沿者工作葉輪葉柵流動(dòng)，由于渦輪工作葉片間的通道也是收斂形的，故燃?xì)庠诠ぷ魅~輪中繼續(xù)膨脹加速，相對(duì)速度增加，流動(dòng)方向改變，壓力下降。其中每一個(gè)導(dǎo)向器葉片被中間隔板分為前后兩個(gè)腔體， CDP 冷卻氣體通過(guò)葉片內(nèi)部的襯墊進(jìn)入導(dǎo)向器葉片的冷卻腔體。 高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片是由耐高溫并且可以提供很高的重量比的單晶體鋁合金構(gòu)成。 圖 15 高壓渦輪導(dǎo)向器冷卻 圖 16 高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片 圖 17 高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片冷卻 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 圖 18 高壓渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu) (4) 高壓渦輪葉片的發(fā)展情況 近年來(lái)，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，對(duì)熱端部件特別是渦輪葉片耐高溫材料及冷卻設(shè)計(jì)所提出的要求日益苛刻。 圖 19 高壓渦輪葉片冷卻設(shè)計(jì)和材料的演進(jìn)過(guò)程 圖 110 高溫合金 最高使用溫度與年代的關(guān)系圖 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 2 高壓渦輪葉片失效分析 從上文的介紹中，我們了解到在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，渦輪葉片長(zhǎng)期在高載荷的作用下工作，承受著高溫載荷，離心載荷氣動(dòng)載荷，振動(dòng)載荷和高溫氧化及腐蝕的多重作用。所以就要運(yùn)用引氣系統(tǒng)來(lái)對(duì)高壓渦輪葉片進(jìn)行冷卻，包括導(dǎo)向器和轉(zhuǎn)子葉片。圖 23 所示渦輪導(dǎo)向器阻塞氧化。 (1) 燃燒室故障。 (4) 外界環(huán)境變化、當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化，如大氣溫度升高、飛行高度下降等導(dǎo) 致進(jìn)口溫度升高，飛機(jī)在高原地區(qū)、嚴(yán)寒條件等環(huán)境下工作，前兩者原因會(huì)使渦輪發(fā)生喘振而導(dǎo)致渦輪進(jìn)口溫度升高；后者會(huì)導(dǎo)致燃燒室在富油環(huán)境下工作導(dǎo)致渦輪進(jìn)口溫度超溫，從而出現(xiàn)渦輪葉片燒蝕。其中容易出現(xiàn)裂紋的部位為導(dǎo)向器的前緣和葉盆，轉(zhuǎn)子葉片的前后緣，過(guò)渡 區(qū)和榫頭。 (4) 外來(lái)物的作用。 圖 28 轉(zhuǎn)子葉片后緣裂紋 (2) 壓差的形成。而當(dāng)葉片榫頭出現(xiàn)裂 紋未能及時(shí)處理，并且再長(zhǎng)時(shí)間工作的話就會(huì)引起榫頭在這幾處發(fā)生斷裂，這將是很?chē)?yán)重的事故。 渦輪轉(zhuǎn)子葉片葉身的斷裂 渦輪葉片的是在高溫 、高負(fù)荷等環(huán)境下工作的，由于長(zhǎng)期處于此種環(huán)境中，在渦輪葉片受到燃?xì)馐┘拥暮芨叩膹澗剌d荷、扭矩、疲勞應(yīng)力、熱沖擊以及產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)所必須的數(shù)千馬力的渦輪功率的作用，就會(huì)容易出現(xiàn)裂紋，如果未能及時(shí)處理裂紋的話， 圖 210 轉(zhuǎn)子葉片后緣葉尖材料丟失。而榫頭作為葉身和渦輪盤(pán)的連接部位，在工作過(guò)程中，需要承受各種載荷，因此對(duì)榫頭的強(qiáng)度，剛度和耐久性的要求就很高。但是在渦輪的工作過(guò)程中，可能由于震動(dòng)原因造成間隙變小，致使榫齒之間產(chǎn)生很強(qiáng)的擠壓和剪切應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，造成破壞。 (4) 機(jī)械振動(dòng)和摩擦。葉片變形失效在實(shí)際使用中出現(xiàn)的概率較低。如圖 213 為新老封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的對(duì)比。隨后冷卻氣體順著葉片內(nèi)壁進(jìn)行對(duì)流冷卻，最后由葉片后緣排出。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 23 圖 215 渦輪葉片冷卻的發(fā)展 對(duì)渦輪葉片進(jìn)行良好的冷卻可以大大提高渦輪葉片所能承受的燃?xì)鉁囟取? 維護(hù)過(guò)程中考慮 如果發(fā)動(dòng)機(jī)使用不當(dāng)，或者燃燒室故障導(dǎo)致高壓渦輪噴口處超溫、溫度分布不均就會(huì)使渦輪葉片出現(xiàn)故障，導(dǎo)致發(fā)動(dòng) 機(jī)工作性能變差，所以合理的維護(hù)對(duì)提高渦輪葉片的使用壽命也有重要意義。 (2) 修理車(chē)間檢測(cè)前的清洗預(yù)處理 渦輪葉片表面附有燃料燃燒后的沉積物、涂層和基體經(jīng)過(guò)高溫氧化腐蝕后所產(chǎn)生的熱蝕層，統(tǒng)稱為積炭。 渦輪盤(pán)常見(jiàn)失效形式的探究 由于輪盤(pán)在工作中受到很強(qiáng)的離心力、振動(dòng)載荷熱負(fù)荷等載荷的作用，輪盤(pán)在使用過(guò)程中隨著時(shí)間的流逝就會(huì)出現(xiàn)故障，尤其是榫槽底 和榫齒最容易出現(xiàn)裂紋或斷裂。 ②渦輪盤(pán)榫齒在工作中，由于某個(gè)榫齒與渦輪葉片榫頭作用，長(zhǎng)期受到應(yīng)力集中的影響，使渦輪盤(pán)榫齒長(zhǎng)期受到疲勞應(yīng)力的作用，而誘發(fā)疲勞裂紋 ③渦輪盤(pán)榫齒和渦輪葉片榫頭長(zhǎng)期處以高溫環(huán)境下，如果某個(gè)榫齒的材料線膨脹不協(xié)調(diào)、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不足而引起渦輪葉片共振從而導(dǎo)致渦輪 盤(pán)榫齒裂紋。 除了以上兩種主要的失效形式之外，渦輪盤(pán)還會(huì)出現(xiàn)比如由于渦輪盤(pán)材料內(nèi)部的缺陷（例如松空或者夾雜等）而導(dǎo)致輪盤(pán)中心出現(xiàn)裂紋，又比如由于渦輪盤(pán)在高溫下工作，容易引起蠕變（甚至局部頸縮） ，使得輪盤(pán)外景增大，最后導(dǎo)致西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 28 輪盤(pán)破裂等。 材料是保證輪盤(pán)功能和使用可靠性的前提與物質(zhì)基礎(chǔ)。加強(qiáng)渦輪的檢測(cè)和維護(hù)，由于槽底長(zhǎng)期受到離心應(yīng)力、熱應(yīng)力等應(yīng)力的影響，容易出現(xiàn)裂紋，所以要定期對(duì)渦輪盤(pán)榫槽，榫槽槽底進(jìn)行孔探檢測(cè)；盡量減小輪盤(pán)振動(dòng)和避免出現(xiàn)輪盤(pán)共振，從而發(fā)生疲勞斷裂；監(jiān)測(cè)輪盤(pán)榫齒部位，由于榫齒在工作中長(zhǎng)期受到應(yīng)力集中地影響，最容易出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。在此，謹(jǐn)向指導(dǎo)老師 ==和 ==致以崇高的敬意和衷心的感謝！ 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）審 查 意 見(jiàn) 書(shū) 指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生 所完成的題目為 的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)行情況、完成質(zhì)量的審查意見(jiàn)：