【正文】 (1）本文在對某型高壓渦輪葉片所受進行熱載荷分析時，只分析了穩(wěn)態(tài)溫度場對轉(zhuǎn)子葉片的影響，而在發(fā)動機的實際工作過程中，瞬態(tài)溫度場所引起的熱載荷要比穩(wěn)態(tài)溫度場大得多，因此對于發(fā)動機實際飛行過程中的高壓渦輪葉片的熱載荷分析今后有待進一步提高； (2）受到資料的限制，在分析某型高壓渦輪部件失效原因時，只考慮到了主要方面的原因，忽略了其他的一些次要原因。使用這個新型材料主要有下面幾個優(yōu)勢： ①主要力學性能要滿足輪盤靜強度設(shè)計的要求； 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，確保渦輪葉片的固有疲勞強度； ④有良好的抗腐蝕性能，足夠高的應(yīng)力腐蝕斷裂韌度值。 渦輪盤失效預(yù)防措施 為了防止渦輪盤失效，確保渦輪的安全工作，下面從設(shè)計、選材、制造等幾個方面論述預(yù)防渦輪盤失效的技術(shù)措施。②輪盤后端面槽底轉(zhuǎn)角處裂紋，也起始于加工，沿徑向擴展。 由于渦輪葉片是樅樹形榫頭，所以容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在長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 以前，通常用角規(guī)、卡尺等“ 硬”測量儀檢測航空發(fā)動機渦輪葉片的葉身尺寸，雖然技術(shù)簡單易行，但存在易受檢測者人為因素的影響，檢測精度低、檢測效率低等缺點。這種技術(shù)手段不必分解發(fā)動機，在飛機上就可以進行，簡便快捷。主要應(yīng)注意以下幾點： (1) 注意監(jiān)控 EGT 溫度 , 防止發(fā)動機超溫 在實際飛行中， 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，表面開孔處應(yīng)力集中，葉片強度受到影響。如圖 214 所示，即為 2100M96P04 高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片 。 高壓渦輪設(shè)計制造方面考慮 在發(fā)動機設(shè)計制造時，主要是通過盡可能提高渦輪葉片的強度，或者通過對高壓渦輪的葉片構(gòu)形做出改變，或者直接采取方法來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氣沖擊作用，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 等。但是隨著 T3*的提高，渦輪的轉(zhuǎn)速自然也會增加，這樣就會產(chǎn)生極大地離心應(yīng)力。所以轉(zhuǎn)子葉片榫頭也是發(fā)動機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方面： (1) 鳥撞擊或外來物的損傷。 (2)如果葉片由于表面溫度不均或腐蝕而發(fā)生裂紋、變形，如果同時疊加機械力也會導(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高速旋轉(zhuǎn)是產(chǎn)生的離心應(yīng)力的作用。當發(fā)動機不正常引氣，飛行員推油門過猛等原因引起燃燒室富油燃燒，或者是由于進口溫度變化導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)喘振都有可能使渦輪進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，高壓渦輪葉片在工作的過程中，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高致使葉片被燒傷。 (2) 壓氣機問題。 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)可能被吸進發(fā)動機，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氣直接燒傷渦輪葉片，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)動機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 80 及 90 年代航空發(fā)動機的渦輪進口溫度提高了 300℃。 如圖 17 所示。 (2) 高壓渦輪轉(zhuǎn)子 高壓渦輪轉(zhuǎn)子是由通過導(dǎo)向器的燃氣來驅(qū)動的。渦輪的基本部件有燃燒室燃氣導(dǎo)管、導(dǎo)向器葉片、渦輪盤和渦輪工作葉片。 某型發(fā)動機高壓渦輪的工作原理和結(jié)構(gòu)特點 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，研究渦輪基元級的目的是為了得到基元級速度三角形，有了基元級速度三角形，就可以清楚地看出燃氣 流過導(dǎo)向器和工作葉輪的膨脹情況，進而分析渦輪的工作原理。如果渦輪前某一地方的燃氣溫度高、壓力大、相應(yīng)的導(dǎo)向器出口處燃氣速度就會大，作用于葉片的力也就會 受到這種按周期變化的力的作用，這就是交變力。當 T3*分布均勻時，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。航空燃氣渦輪發(fā)動機有一個排氣系統(tǒng)，將渦輪排出的燃氣以一定的速度和要求的方向排入大氣，提供最后所得到的推力，在高涵道比渦輪噴氣發(fā)動機中產(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)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 4 化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，形成高溫高壓的燃氣。在亞音速飛行時，它可以充分利用飛行速度造成的沖壓效應(yīng)，而且造成的流動損失最小。 關(guān)鍵詞 ：渦輪盤 。在充分了解該發(fā)動機高壓渦輪的主要結(jié)構(gòu)、工作機理和工作環(huán)境之后，本文對高壓渦輪葉片和輪盤的常見失效形式進行了詳細的分析和總結(jié)，并對有可能引起這些損傷的原因做出了定性分析。渦扇發(fā)動機的進氣道采用的是亞音速短圓形進氣道。 高壓壓氣機是一個九級的壓氣機。渦扇發(fā)動機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氣導(dǎo)管、導(dǎo)向器葉片、渦輪盤和渦輪工作葉片。但是在提高渦輪前溫及提高發(fā)動機推力的同時，渦輪的熱負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僅 2 盎司，在最高轉(zhuǎn)速下的載荷會超過 2 噸。為了提高發(fā)動機的在翼時間，所以要對高壓渦輪葉片進行降溫處理，因此在高壓渦輪導(dǎo)向器上面開有很多小孔，用于 引導(dǎo)冷空氣對渦輪部件進行冷卻。在工作葉輪內(nèi)，由于工作葉輪被燃氣推動而旋轉(zhuǎn)，其切向速度為 ，所以氣流的絕對速度降低，方向也改變；燃氣以相對速度 流入工作葉輪，沿者工作葉輪葉柵流動，由于渦輪工作葉片間的通道也是收斂形的，故燃氣在工作葉輪中繼續(xù)膨脹加速，相對速度增加，流動方向改變，壓力下降。其中每一個導(dǎo)向器葉片被中間隔板分為前后兩個腔體， CDP 冷卻氣體通過葉片內(nèi)部的襯墊進入導(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)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 10 圖 18 高壓渦輪盤結(jié)構(gòu) (4) 高壓渦輪葉片的發(fā)展情況 近年來，隨著航空發(fā)動機推重比的提高，對熱端部件特別是渦輪葉片耐高溫材料及冷卻設(shè)計所提出的要求日益苛刻。 圖 19 高壓渦輪葉片冷卻設(shè)計和材料的演進過程 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)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 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)動機工作過程中，渦輪葉片長期在高載荷的作用下工作，承受著高溫載荷，離心載荷氣動載荷，振動載荷和高溫氧化及腐蝕的多重作用。所以就要運用引氣系統(tǒng)來對高壓渦輪葉片進行冷卻，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) 致進口溫度升高，飛機在高原地區(qū)、嚴寒條件等環(huán)境下工作，前兩者原因會使渦輪發(fā)生喘振而導(dǎo)致渦輪進口溫度升高；后者會導(dǎo)致燃燒室在富油環(huán)境下工作導(dǎo)致渦輪進口溫度超溫，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，過渡 區(qū)和榫頭。 (4) 外來物的作用。 圖 28 轉(zhuǎn)子葉片后緣裂紋 (2) 壓差的形成。而當葉片榫頭出現(xiàn)裂 紋未能及時處理，并且再長時間工作的話就會引起榫頭在這幾處發(fā)生斷裂，這將是很嚴重的事故。 渦輪轉(zhuǎn)子葉片葉身的斷裂 渦輪葉片的是在高溫 、高負荷等環(huán)境下工作的，由于長期處于此種環(huán)境中，在渦輪葉片受到燃氣施加的很高的彎矩載荷、扭矩、疲勞應(yīng)力、熱沖擊以及產(chǎn)生驅(qū)動壓氣機所必須的數(shù)千馬力的渦輪功率的作用，就會容易出現(xiàn)裂紋，如果未能及時處理裂紋的話， 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的連接部位，在工作過程中，需要承受各種載荷，因此對榫頭的強度，剛度和耐久性的要求就很高。但是在渦輪的工作過程中，可能由于震動原因造成間隙變小，致使榫齒之間產(chǎn)生很強的擠壓和剪切應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力集中點，造成破壞。 (4) 機械振動和摩擦。葉片變形失效在實際使用中出現(xiàn)的概率較低。如圖 213 為新老封嚴結(jié)構(gòu)的對比。隨后冷卻氣體順著葉片內(nèi)壁進行對流冷卻，最后由葉片后緣排出。 西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 23 圖 215 渦輪葉片冷卻的發(fā)展 對渦輪葉片進行良好的冷卻可以大大提高渦輪葉片所能承受的燃氣溫度。 維護過程中考慮 如果發(fā)動機使用不當，或者燃燒室故障導(dǎo)致高壓渦輪噴口處超溫、溫度分布不均就會使渦輪葉片出現(xiàn)故障，導(dǎo)致發(fā)動 機工作性能變差，所以合理的維護對提高渦輪葉片的使用壽命也有重要意義。 (2) 修理車間檢測前的清洗預(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)過高溫氧化腐蝕后所產(chǎn)生的熱蝕層，統(tǒng)稱為積炭。 渦輪盤常見失效形式的探究 由于輪盤在工作中受到很強的離心力、振動載荷熱負荷等載荷的作用，輪盤在使用過程中隨著時間的流逝就會出現(xiàn)故障，尤其是榫槽底 和榫齒最容易出現(xiàn)裂紋或斷裂。 ②渦輪盤榫齒在工作中，由于某個榫齒與渦輪葉片榫頭作用，長期受到應(yīng)力集中的影響，使渦輪盤榫齒長期受到疲勞應(yīng)力的作用，而誘發(fā)疲勞裂紋 ③渦輪盤榫齒和渦輪葉片榫頭長期處以高溫環(huán)境下，如果某個榫齒的材料線膨脹不協(xié)調(diào)、設(shè)計結(jié)構(gòu)不足而引起渦輪葉片共振從而導(dǎo)致渦輪 盤榫齒裂紋。 除了以上兩種主要的失效形式之外，渦輪盤還會出現(xiàn)比如由于渦輪盤材料內(nèi)部的缺陷（例如松空或者夾雜等）而導(dǎo)致輪盤中心出現(xiàn)裂紋，又比如由于渦輪盤在高溫下工作，容易引起蠕變（甚至局部頸縮） ，使得輪盤外景增大，最后導(dǎo)致西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 28 輪盤破裂等。 材料是保證輪盤功能和使用可靠性的前提與物質(zhì)基礎(chǔ)。加強渦輪的檢測和維護，由于槽底長期受到離心應(yīng)力、熱應(yīng)力等應(yīng)力的影響，容易出現(xiàn)裂紋，所以要定期對渦輪盤榫槽，榫槽槽底進行孔探檢測；盡量減小輪盤振動和避免出現(xiàn)輪盤共振，從而發(fā)生疲勞斷裂；監(jiān)測輪盤榫齒部位，由于榫齒在工作中長期受到應(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)學院 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）審 查 意 見 書 指導(dǎo)教師對學生 所完成的題目為 的畢業(yè)設(shè)計（論文）進行情況、完成質(zhì)量的審查意見：