【正文】 。 渦輪葉片的疲勞斷裂故障 疲勞斷裂是發(fā)動(dòng)機(jī)葉片斷裂的最主要的斷裂故障模式，航空發(fā)動(dòng)機(jī)由于造價(jià)很高，和平年代許多飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)本身已經(jīng)到了壽命 期 ，但還是仍然使用，這就使疲勞斷裂的概率大大上升。 ，發(fā)現(xiàn)有鳥群的時(shí)候及時(shí)躲開，以防發(fā)生撞擊事故。 的草叢進(jìn)行清理，及時(shí)驅(qū)逐那些飛鳥、老鼠、兔子等動(dòng)物以防飛機(jī)在起飛時(shí)吸入發(fā)動(dòng)機(jī)。例如，工作時(shí)將螺帽墊片等掉入發(fā)動(dòng)機(jī)；停機(jī)坪、滑行道上有砂石雜物；飛機(jī)滑行時(shí)，間隔距離太近等等。 渦輪葉片被打傷后，強(qiáng)度減弱，在很大的離心力和交變力的作用下，傷口 進(jìn)一 步發(fā)展，直至斷裂。來回反復(fù)撞擊，直到最后流出渦輪為止。打傷的部位，渦輪葉片一般都在背面的前緣，而導(dǎo)向器葉片則在背面的后緣 ，砂 石在導(dǎo)向器通道中只能依靠 燃?xì)獾耐苿?dòng)而獲 速度， 由于 砂石出導(dǎo)器的速度小的多，因而砂石進(jìn)入工作輪的相對(duì)速度與燃?xì)膺M(jìn)入工作輪的相對(duì)速度有很大的偏離，正好撞擊渦輪葉片的前緣（見圖 46）。 （ 1）實(shí)例分析 假設(shè)砂石重量 G= 公斤，砂石進(jìn)入渦輪的相對(duì)速度 2003 ?w 米／秒（某發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)膺M(jìn)入渦輪葉片的相對(duì)速度為 315 米 /秒），葉片上凹坑的深度 S=1 毫米= 米，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，就可求得沙石撞擊在葉片上的作用力（ P）。為什么小小的砂石竟能把特種剛制成的葉片打傷呢？這是因?yàn)?，渦輪是以高速旋轉(zhuǎn)的，砂石進(jìn)入工作輪的相對(duì)速度很大，因而砂石雖小，具有的動(dòng)能卻卻很大，碰到葉片上，具有的很大的撞擊力，足以打傷葉片。在飛機(jī)飛行中不要在空氣密度不均的氣流層中飛行 ， 這容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的富油和貧油的發(fā)生。 2．按照規(guī)定操作發(fā)動(dòng)機(jī) 引起振動(dòng)的另一個(gè)重要原因是燃油噴 嘴噴出的 燃油量的不均勻，如在發(fā)動(dòng)機(jī)試車或飛 行過程中猛推油 門桿，或在做過載機(jī)動(dòng)動(dòng)作時(shí)出現(xiàn)的富油和貧油等情況。gGwEgGwPS 2 3?公斤040,22 3 ?? gGwPS增大量由原來的 。 c 項(xiàng)，將榫槽兩面梳齒的錯(cuò)齒由原 改為 ，則葉 冠一側(cè)面對(duì)已 夾緊榫頭檢查其偏差由原來的 ,使葉冠間隙中國民航大學(xué)本科畢業(yè)論文 19 米公斤動(dòng) ?????? 23 39。 c 項(xiàng)， 將榫槽對(duì)額定位置的偏差由 改為 其間隙值可減小到 。前者是不可能的。 綜上述因素，個(gè)別位置的葉片與其左右葉片葉冠間的間隙最大可達(dá)。 ，經(jīng)分析計(jì)算，綜合各種加工因素，在極限狀態(tài)下，個(gè)別葉片的葉冠與其左右葉片葉冠間的間隙最大可能增加 。 ， 要求同一轉(zhuǎn)子內(nèi)只能安裝偏移差不大于 片，使間隙增大，其增大量約為 20%。 ，當(dāng)榫槽與輪盤軸線有偏角 r=13度時(shí)，榫槽對(duì)稱面上有一條固定線應(yīng)該通過軸線，由于加工誤差允許在 100mm上偏斜不超過 25%。其增大量約為 11%。 700～ 750 度，熱膨脹后沿周向伸長， 葉冠間隙 便 減小其 25%。 氣動(dòng)力要求 葉片因 在旋轉(zhuǎn)離心力場作用下，葉身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)， 于是 平行四邊行葉冠的間隙增大 。 根據(jù)理論分析影響葉冠間隙的主要原因有： 渦輪葉片所處溫度還可達(dá) 800 攝氏度～ 900 攝氏度。故設(shè)法減小和控制葉冠振幅十分必要。此種形式為葉冠中最簡單的形式。 從故障再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)得知，葉片一 階 彎 曲 共振是產(chǎn)生故障的主要原因。 中國民航大學(xué)本科畢業(yè)論文 16 圖 43 葉片振動(dòng)應(yīng)力分布 圖 44 葉片振型 （ 2）葉片扭轉(zhuǎn)振動(dòng)未發(fā)現(xiàn)過裂紋 再 現(xiàn)故障。當(dāng)葉片葉冠處振幅 A＞ 時(shí)，葉片 伸 根段冷卻孔邊或榫頭第一對(duì)齒處即出現(xiàn)裂紋與壓氣機(jī)故障葉片很相似，疲勞循環(huán)數(shù)均小于 710 。葉片各截面的應(yīng)力隨著葉冠處振幅的增大而增加，應(yīng)力與振幅基本上成正比。 由于葉片的溫度較高，在發(fā)動(dòng)機(jī)上直接測(cè)定葉片在不同工 作情況下 振動(dòng)應(yīng)力是很困難的 ，因此 在氣體脈沖激振實(shí)驗(yàn)器上進(jìn)行了葉片故障再現(xiàn)和疲勞對(duì)比實(shí)驗(yàn)等。因此，只有渦輪用某一轉(zhuǎn)速工作，葉片的自由振動(dòng)頻率恰好等于強(qiáng)迫振動(dòng)頻率或?yàn)槠湔?數(shù)倍時(shí)，阻尼作用未正常發(fā)揮而導(dǎo)致葉片疲勞斷裂。這種損壞就是共振損壞。當(dāng)葉片的自由振動(dòng)頻率同強(qiáng)迫振動(dòng)頻率相等或?yàn)閺?qiáng)迫振動(dòng)頻率的 整數(shù)倍數(shù)時(shí) ，便發(fā)生共振。 渦輪葉片裝在渦輪盤上，同一端固定的剛片相似，有其本身的自由振動(dòng)頻率。每秒鐘外力變化的次數(shù)叫做強(qiáng)迫振動(dòng)頻率，每秒鐘機(jī)件自由振動(dòng)的次數(shù) 叫 做自由振動(dòng)頻率。如果 在 剛片自由振動(dòng)的同時(shí)，對(duì)剛片施加周期性變化的外力，當(dāng)剛片振動(dòng)到 A 處，剛好給 予 向右作用的外力，也就是說，剛片每秒鐘自由振動(dòng)的次數(shù)同每秒鐘外力作用的次數(shù)相等，或者是外力作用次數(shù)的整數(shù)倍數(shù)（如二倍、三倍?）時(shí)，剛片振動(dòng)就會(huì)加劇，振動(dòng)的幅度越來越大，這種現(xiàn)象叫做共振。為了理解共振損壞，應(yīng)先懂的共振的 含 義。下面對(duì)這兩種進(jìn)行分析并提出預(yù)防 措施 。下面就從大這兩方面 進(jìn)行 斷裂故障分析以及提出預(yù)防措施。如工作狀態(tài)下的載荷值超過規(guī)定的載荷譜 ， 如轉(zhuǎn)速載荷、應(yīng)力載荷、氣動(dòng)載荷等。如外物打傷葉片 ， 人為因素導(dǎo)致的葉片損壞斷裂 ， 渦輪葉片的振動(dòng)原因 ， 冷卻方式 不 正確 或冷卻氣流壓力超過規(guī)定值而導(dǎo)致葉片的損傷斷裂等。原因振動(dòng)偏大。原因?yàn)槌瑴厥褂谩? ， 如用小焦點(diǎn) X 光檢查，發(fā)現(xiàn)缺陷超標(biāo)造成葉片報(bào)廢。 ， 如 葉 根段冷卻孔邊裂紋或掉渣，冷卻孔堵塞等。 2. 變形 ， 如葉冠變形，進(jìn)排氣邊變形，封嚴(yán)齒 變形等。 g. 人為因素導(dǎo)致的葉片損壞斷裂 。 f. 工作狀態(tài)下的載荷值超過規(guī)定的載荷 譜 。外來物如沙石、金屬雜物等進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后，能夠打傷葉片。 c. 渦輪前燃?xì)獾臏囟群蛪毫Σ痪鶆?。主要原因?yàn)槌瑴鼗蚍纸鈺r(shí)損傷。 1. 斷裂 ： 渦輪葉片的斷裂是渦輪葉片故障中最嚴(yán)重的一種，也是本文研究的重點(diǎn)。 中國民航大學(xué)本科畢業(yè)論文 11 第 3 章 渦輪葉片的故障總述 渦輪轉(zhuǎn)子葉片是把高溫燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子機(jī)械功的重要零件 。因?yàn)閴簹鈾C(jī)葉片如果太厚，則容易使進(jìn)口 M 數(shù)超過臨界 M 數(shù)，從而使損失增加。葉片的彎曲程度決定 于 氣流折轉(zhuǎn)角 的大小，當(dāng) 葉片彎的少 時(shí) 渦輪中的折轉(zhuǎn)角很大，所以葉片彎的厲害。渦輪的效率高于壓氣機(jī)效率的根本原因也是由于通道性質(zhì)。因?yàn)闅饬髟趬簹鈾C(jī)中擴(kuò)散過多時(shí)容易發(fā)生分離，所以折轉(zhuǎn)角較小一般為 30 度～ 40 度，而渦輪則由于槽道的收斂性，氣流不中國民航大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 容易分離，折轉(zhuǎn)角較大，一般在 95 度以上。 （ 3）級(jí)的輪緣功 Lu，在亞音速壓氣機(jī)中 Lu 約為 37 千焦耳 /公斤范圍內(nèi)，而渦輪的輪緣功則在 200～ 300 千焦耳 /公斤范圍之間。 （ 1）能量轉(zhuǎn)換 壓氣機(jī)是把渦輪傳給它的機(jī)械功轉(zhuǎn)化為空氣的壓力能和熱能，而渦輪則把燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能。燃?xì)庖暂^低的 M 數(shù)流入噴嘴環(huán)，由于通道是收斂的，氣體就在通道進(jìn)行膨脹，壓力和溫度下降，速度上升；然后燃?xì)庖?W1 的速度流出工作輪，在那里繼續(xù)膨脹，使出口相對(duì)速 度 W2 大于 w1，從而起到做功的效果。將任意半徑上的“基元級(jí)”（如圖 2 2）中的（ ab）展開，則得如圖所示的渦輪基元級(jí)葉柵，包括噴嘴環(huán)葉刪和工作輪葉柵。同時(shí)，由于燃?xì)庠趪娪铜h(huán)中 已 作了相當(dāng)程度的膨脹燃?xì)鉁囟却鬄橄陆?，也就大大改善了在高溫下做高速轉(zhuǎn)動(dòng)的工作輪的工作條件，從而提高了渦輪的壽命和安全可靠性，而噴油嘴環(huán)是靜止的溫度雖高，較便于采取冷卻措施。讓高溫高壓的燃?xì)馐紫仍趪娪妥飙h(huán)中膨脹加速獲的動(dòng)能，其速度一般可達(dá) 600 米 /秒左右。這樣安排是渦輪所擔(dān)負(fù)的任務(wù)決定的。每一級(jí)則由靜止的“噴油環(huán)”（又稱導(dǎo)向器）和“工作輪”組成。渦輪葉片主要是以基元級(jí)方式進(jìn)行工作的，所以渦輪基元級(jí)工作原理即渦輪葉片的工作原理。由壓氣機(jī)出來的高壓空氣經(jīng)燃燒室增溫后進(jìn)入渦輪，而壓氣機(jī)所需要的功率則由渦輪供給。一個(gè)是壓氣機(jī)。中間葉根的橫截面通常作成長方形或工 形 。 榫頭 榫頭的種類可分為：樅樹形榫頭，燕尾形榫頭，梯形榫頭。在葉片上段距葉尖約 1/4 葉高處開孔，穿過護(hù)段并與護(hù)棒套構(gòu)成環(huán)形護(hù)圈。利用相鄰之間的摩擦來吸收震動(dòng)能量，從而有效地起到減震作用；將氣流限制在葉 片與葉冠構(gòu)成的流道中流動(dòng)就，提高渦輪效率。由于該處比較薄弱，在高溫下，交變的熱應(yīng)力與振動(dòng)應(yīng)力均較大，容易出現(xiàn)裂紋與斷裂等故障，更重要的是由于可以磨削小部分的材料，來改變?nèi)~片自振頻率（稱為“修頻” ）。即在葉尖排氣邊緣削掉一部分材料。如圖所示 。 (1)“葉尖切角”。 葉身 由于渦輪級(jí)中轉(zhuǎn)換能量大，即氣流速度高轉(zhuǎn)折角大，從而氣動(dòng)力大，所以渦輪葉片的類型剖面彎曲度大，葉身交厚，并且沿葉高的截面變化也明顯。因而本身 具有特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 中國民航大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 第 1 章 渦輪葉片的組成 渦輪轉(zhuǎn)子葉片是把高溫燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子機(jī)械功的重要零件。 finally broken turbine blade failures mon analysis and effective preventive measures obtained. Key words： Turbine blades High Temperature Fracture Durability 中國民航大學(xué)本科畢業(yè)論文 4 目錄 第 1 章 渦輪葉片的組成 .............................................................................................. 6 葉身 ............................................................................................................................................. 6 榫頭 ............................................................................................................................................. 7 第 2 章 渦輪葉片的工作原理 ....................................................................................... 8 渦輪級(jí)的組成和基元級(jí) ........................................................................................................... 8 渦輪所具有的特點(diǎn) .................................................................................................................... 9 第 3 章 渦輪葉片的故障總述 ..................................................................................... 11 第 4 章 渦輪葉片常見斷裂故障分析及預(yù)防措施 .......................................................... 13 渦輪葉片非疲勞斷裂故障分析及預(yù)防措施 ........................................................................13 渦輪葉片的共振損壞 .........................................................................................................13 外來物打傷葉片 ..................................................................................................................19 渦輪葉片的疲勞斷裂故障 ......................................................................................................21 ..........................................................................................................21 .....................................................................................21 ......................................