【文章內容簡介】 構成。它內部有 8 個冷卻腔體，通過引入 CDP 冷卻空氣進行氣膜冷卻。冷卻空氣由葉根部位進入轉子葉片，然后從葉片頂部的前后緣的小孔流出，這個過程達到冷卻葉片的作用。 如圖 17 所示。 (3) 高壓渦輪盤 高壓渦輪盤是經(jīng)過機械鍛造的部件，它上面提供了沿軸向固定轉子葉片的榫槽。渦輪盤內部是由來自增壓器的空氣來冷卻的，它的前端面是由通過前旋轉空氣封嚴的 CDP 空氣來冷卻的，后端面是由第四級高壓壓氣機的引氣來冷卻的。整西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 9 個轉動部分的前旋轉空氣封嚴安裝在它的前端面，后軸安裝在它的后端面。如圖18 所示。 圖 15 高壓渦輪導向器冷卻 圖 16 高壓渦輪轉子葉片 圖 17 高壓渦輪轉子葉片冷卻 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 10 圖 18 高壓渦輪盤結構 (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計所提出的要求日益苛刻。在過去的幾十年中，已就高壓渦輪葉片的冷卻設計與高溫材料開展了廣泛深入的研究工作，出現(xiàn)了諸多技術新進展。其中包括沖擊與氣膜冷卻設計、先進的定向 凝固和單晶鎳基高溫合金等。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℃。圖 19 展了高壓渦輪葉片冷卻設計和材料的演進過程。 圖 110 所示為高溫合金的最高使用溫度與其使用年代的關系。從圖中可明顯看出，近年來高溫合金的發(fā)展速度放慢。其中最主要的原因是，雖然單晶工藝可使合金熔點得以部分提高，但其提高的幅度相當有限。 圖 19 高壓渦輪葉片冷卻設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系圖 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 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。不管是導向器葉片還是轉子葉片，數(shù)量都很多，這樣就造成了其失效概率相對較高。渦輪葉片在使用過程中，如果使用不當會出現(xiàn)葉片刻痕、裂紋、撕裂、燒傷、掉快、壓坑等損傷，并且這些損傷超出手冊允許的范圍外，就認為渦輪葉片失效，如圖 21 所示渦輪葉片損傷形式 。 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。 高壓渦輪葉片燒傷 葉片燒傷原因探究 高壓渦輪處于燃燒室后面，直接承受著高溫高壓的燃燒氣體的沖擊。為了提高高壓渦輪的工作效率，即提高 T3*， T3*的提高對增強發(fā)動機性能有重要的作用。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，尤其是葉片部分。由于渦輪葉片直接在灼熱的燃氣流中工作，溫度很高。所以就要運用引氣系統(tǒng)來對高壓渦輪葉片進行冷卻，包括導向器和轉子葉片。 但是，隨著近年來我國環(huán)境污染的加重，空氣中所含的雜質越來越多，比如粉塵，懸浮物顆粒等，這些都是對航空發(fā)動機的影響極為不利，尤其是高壓渦輪西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 12 部分。因為在發(fā)動機的工作過程中，渦輪效率直接影響到發(fā)動機的工作效率。而空氣中的顆粒狀的雜質可能被吸進發(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* 。所以，渦輪葉片的主要失效形式就是渦輪葉片的堵塞，從而引起的葉片燒傷。 (1) 高壓渦輪導向器的燒傷 圖 22 顆粒物流動圖 圖 23 渦輪導向器前緣損傷 如圖 22 為顆粒物流動圖。從圖中我們可以看出來，當發(fā)動機吸入飛塵，顆粒狀雜質以后，在進入燃燒室前順著壓縮的空氣壓氣機進入燃燒室火焰筒的內、外環(huán)，小顆粒就順著燃燒室火焰筒內環(huán)進入 高壓渦輪導向器前緣腔體并導致襯套和內壁的阻塞，大顆粒由于離心力作用從火焰筒外環(huán)進入并堵塞后緣襯套和導向器冷卻孔。當發(fā)動機在惡劣條件下工作時，如遭遇沙塵暴天氣，由于渦輪導向器冷卻氣從高壓壓氣機引氣，壓縮空氣里的顆粒狀物體就會容易阻塞導向器冷卻孔，堵塞的成分主要是 SiO 和 CaSO ，這些腐蝕介質會使渦輪葉片發(fā)生化學或電化學腐蝕反應，對葉片有著強烈的氧化、腐蝕作用，由于長期滯留在冷卻孔內，在高溫的作用下導致渦輪導向器前緣和后緣氧化，使導向器出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。圖 23 所示渦輪導向器阻塞氧化。 (2) 高壓渦輪工作葉片的燒傷 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 13 小顆物隨著冷卻空氣通過篦齒封嚴結構，然后再封嚴結構中長期積累，最后形成飛塵塊。在發(fā)動機高振動的作用下，飛塵塊脫落順著氣流葉片，從而阻塞腔體通道和葉尖冷卻孔，如圖 24。 圖 24 渦輪轉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。所以脫落進入 FOS 以后，凝聚成大塊的飛襯物時，就會進入工 作葉片的空腔或者冷卻小孔，如圖 25 所示。 由于渦輪葉片的冷卻失效，在高溫的作用下就會導致葉片前沿出現(xiàn)超溫，從而使渦輪葉片燒蝕而使渦輪葉片失效。因為渦輪葉片是在高溫環(huán)境下工作，當燃燒室出口溫度分布不均，導致渦輪噴口處溫度局部超溫，長時間受到高溫氣流的沖刷腐蝕和氧化，就會使渦輪葉片出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，如圖 26。 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 14 圖 26 渦輪葉片燒蝕現(xiàn)象 此外還有其他的一些原因 ，容易導致發(fā)動機超溫，從而導致渦輪葉片被燒傷，比如燃燒室故障，壓氣機問題、發(fā)動機引氣 過量、外界環(huán)境變化、推油門桿角度過大等。 (1) 燃燒室故障。燃燒室為渦輪提供高溫、高壓的燃氣保證渦輪做功，使發(fā)動機正常運行。如果燃燒室出現(xiàn)故障，如燃燒室噴油嘴積炭、回油活門銹蝕卡死、電嘴工作失靈、噴油嘴油壓過低或者霧化不良、漏油活門卡阻或管路阻塞都可能使燃燒室出現(xiàn)富油燃燒導致高壓渦輪進口溫度超溫，使渦輪葉片燒蝕。 (2) 壓氣機問題。由于壓氣機為燃燒室提供增壓空氣，保證燃燒室的正常燃燒，當壓氣機出現(xiàn)效率下降導致空氣流量減小，特別是由于空氣流量驟然減小導致發(fā)動機喘振，就會使發(fā)動機性能急劇惡 化，就會使燃燒室出現(xiàn)富油燃燒現(xiàn)象，造成渦輪進口溫度超溫，從而出現(xiàn)渦輪葉片燒蝕。 (3) 發(fā)動機引氣過量。飛機的空調、防冰等系統(tǒng)需要從發(fā)動機引氣，如果引氣過量會降低發(fā)動機推力和轉速的下降，而為了確保推力的連續(xù)穩(wěn)定，燃油系統(tǒng)將自動補油，提高渦輪前溫；另一方面，參與燃燒的空氣量減少，燃燒室混合氣變富油， T3*也將升高。所以，發(fā)動機在高負荷狀態(tài)下 (如飛機在起飛過程中 )過量引氣，也會導致渦輪進口溫度超溫，從而導致渦輪葉片燒蝕。 (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 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)生喘振而導致渦輪進口溫度升高；后者會導致燃燒室在富油環(huán)境下工作導致渦輪進口溫度超溫，從而出現(xiàn)渦輪葉片燒蝕。 (5) 推油門桿角度過大。如果在飛行操作時，如在起飛過程中或者加速飛行，當飛行員推油門過猛，將會引起噴油量的急劇增大，渦輪進口溫度會因為燃燒室出現(xiàn)富油燃燒而迅速提升，假果處置不當就可能導致發(fā)動機超溫，如果經(jīng)常這樣操作，渦輪葉片就會出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。 由此可見，高壓渦輪葉片在工作的過程中，不管是導向器還是轉子葉片最有可能失 效的形式是由于溫度過高致使葉片被燒傷。而造成高溫最主要的原因就是葉片的冷卻孔被堵塞，是葉片的冷卻效率降低。此外還有其他的一些原因，如燃燒室和壓氣機出問題，外界環(huán)境的變化，人為的操作等。 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 15 高壓渦輪葉片裂紋 在高壓渦輪工作過程中，除了葉片被高溫燒傷之外，渦輪葉片出現(xiàn)裂紋也是很嚴重的損傷，在實際航線工作中往往因為葉片出現(xiàn)裂紋而需要進行維護的工作也是很多的。如果未加以注意的話，會造成渦輪葉片斷裂等嚴重后果，威脅發(fā)動機的使用安全。其中容易出現(xiàn)裂紋的部位為導向器的前緣和葉盆，轉子葉片的前后緣，過渡 區(qū)和榫頭。 導向器裂紋 如圖 27 所示，為高壓渦輪導向器工作過程中出現(xiàn)的裂紋，出現(xiàn)裂紋可能的主要原因有渦輪進口超溫，燃燒室出口溫度場分布不均，排氣邊冷卻效果不良，外來物損傷等。 (1) 渦輪進口超溫。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，在溫度交變應力的作用下，使渦輪葉片出現(xiàn)裂紋。 圖 27 高壓渦輪導向器裂紋 (2) 燃燒室出口溫度場分布不均。由于燃燒室故障比如噴油嘴積炭、燃油品質不良、發(fā)動機喘振等原因引起燃燒室出口溫度分布不均，造成渦輪進口局部超溫，在熱應力的的作用下，使渦輪葉片出現(xiàn)裂紋。 (3) 排氣邊冷卻效果不良。渦輪葉片由于在高溫環(huán)境下工作，為了提高 EGT溫度，都會對渦輪葉片進行冷卻設計，假如渦輪葉片后緣冷卻孔阻塞而造成渦輪葉片冷卻不良，從而使渦輪葉片局部受熱超出材料的承受極限，造成渦輪葉片熱西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 16 疲勞從而出現(xiàn)裂紋。 (4) 外來物的作用。 飛機在起動和飛行過程中，容易吸入外來物或遭受鳥撞擊，雖然這不會直接造成渦輪葉片出現(xiàn)裂紋，但由于打掉的壓氣機葉片碎片會對渦輪葉片造成極大地威脅，撞擊渦輪葉片從而出現(xiàn)裂紋。 轉子葉片裂紋 高壓渦輪的轉子葉片在工作過程中，就葉身而言，最容易出現(xiàn)裂紋的部分為前后緣。其中轉子葉片前緣的列為形成原因和導向器出現(xiàn)裂紋的原因類似，吃了上述原因之外，轉子葉片還主要受到輪盤高速旋轉是產(chǎn)生的離心應力的作用。所以在此我們不過多分析前緣裂紋，而是著重分析后院裂紋的產(chǎn)生原因。如圖 28為轉子葉片后緣裂紋。可能 的原因有以下幾個方面 ： (1) 熱氣流的吸入。在發(fā)動機高壓渦輪冷卻過程中，引入轉子葉片冷卻小孔的冷卻氣流中可能會混入高溫氣體，從而在葉片內部形成了一種高溫燃氣的沖擊，時間長了的話就會產(chǎn)生熱疲勞，造成裂紋。 圖 28 轉子葉片后緣裂紋 (2) 壓差的形成。高壓渦輪部件是通過氣體封嚴的，在發(fā)動機的工作過程中，當發(fā)動機過度震動或者封嚴氣體壓力壓力達不到，導致燃氣進入轉子葉片的冷卻腔體。由 于其自身高壓的作用，就會在葉片身上形成一種內外壓差，產(chǎn)生壓應力的造成損傷。 (3) 彎扭矩的產(chǎn)生。為了提高渦輪的效率，將轉子葉片的后緣做的較寬，由此而產(chǎn)生的副作用就是較寬的葉片在受到高速氣流沖擊的時候，就會產(chǎn)生很大的彎矩和扭矩，這樣在后緣部分就會形成應力集中，造成損傷。 西安航空職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計