【正文】 ......................................................... 20 高壓渦輪葉片失效的防護(hù)措施 .............................................................................................. 21 高壓渦輪設(shè)計制造方面考 慮 ....................................................................................... 21 飛行使用中考慮 ........................................................................................................... 23 維護(hù)過程中考慮 ........................................................................................................... 24 3 高壓渦輪輪盤失效分析 ........................................................................................................... 26 渦輪盤常見失效形式的探究 .................................................................................................. 26 渦輪盤榫齒裂紋 ............................................................................................................ 26 渦輪盤榫槽槽底裂紋 ................................................................................................... 27 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 2 渦輪盤失效預(yù)防措施 .............................................................................................................. 28 設(shè)計選材方面 ............................................................................................................... 28 使用維護(hù)方面 ............................................................................................................... 29 結(jié)束語 .................................................................. 31 謝辭 .................................................................... 32 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 3 1 發(fā)動機高壓渦輪的結(jié)構(gòu)及原理 發(fā)動機主要結(jié)構(gòu) 某型發(fā)動機的結(jié)構(gòu)主要有：進(jìn)氣道、風(fēng)扇和低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、尾噴管。發(fā)動機進(jìn)氣道分為亞音速進(jìn)氣道和超音速進(jìn)氣道兩種。 亞音速進(jìn)氣道是擴張形的管道。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。風(fēng)扇可以增加空氣的流動速度，在風(fēng)扇的后面有一個整流錐分離器可 以將空氣分成兩股：第一股氣流和第二股氣流。第二股氣流通過外涵道流過發(fā)動機，在飛機起飛的過程中，第二股氣流可以提供 80%的推力。高壓壓氣機可以將第一股氣流進(jìn)行增 壓，然后將其送進(jìn)燃燒室。 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(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 4 化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽纬筛邷馗邏旱娜細(xì)狻? 某型發(fā)動機燃燒室類型為環(huán)形燃燒室，其剖面結(jié)構(gòu)如圖 11 所示。 圖 11 環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)圖 渦輪 和壓氣機一樣，按氣流流動方向渦輪可以分為軸流式和徑向式；按轉(zhuǎn)子數(shù)目可以分為單轉(zhuǎn)子、雙轉(zhuǎn)子、和三轉(zhuǎn)子；而按工作原理軸流式渦輪可以分為 沖擊式、反力式和沖擊 反力混合式三種類型。 排氣裝置 航空發(fā)動機的排氣系統(tǒng)是指渦輪或加力燃燒室以后組件排氣的構(gòu)件。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機有一個排氣系統(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)動機中產(chǎn)生主要的推力是外涵通道。 為了使其能夠發(fā)出較大的功率，人們總是在努力提高 T 和發(fā)動機轉(zhuǎn)速。 渦輪葉片承受著很高的熱負(fù)荷 為了提高發(fā)動機推力，需要盡可能提高渦輪前溫度 T3*， T3*的提高對增強發(fā)動機性能有重要的作用。由于渦輪葉片直接在灼熱的燃?xì)饬髦泄ぷ?，溫度很高。?dāng) 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。 渦輪葉片承受巨大的離心力 提高發(fā)動機推力，需要提高空氣流量，所以必須確保較高的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。對一定的發(fā)動機而言，渦輪葉片承受的離心力與轉(zhuǎn)速的平 方成正比，轉(zhuǎn)速越高，離心力越大。 由于葉片承受巨大的離心力，其內(nèi)部會產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力，葉片將被拉長。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?，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。 中國區(qū)腐蝕對高壓渦輪葉片的影響 近年來，在中國的高速發(fā)展的過程中，沒有注重對環(huán)境的保護(hù)。由于高壓渦輪位于燃燒室后端，利用燃?xì)庾龉?，所以自然而然的承受著高溫高壓的燃?xì)??？墒菒毫拥拇髿猸h(huán)境污染了空氣，使進(jìn)入發(fā)動機的空氣并不干凈，空氣中的大量雜質(zhì)可能會堵塞導(dǎo)向器上的小孔，最終導(dǎo)致冷卻空氣不能留過，致使高壓渦輪導(dǎo)向器燒傷，腐蝕等損害。 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?xì)?流過導(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。 在工作葉輪出口處有 : 將葉輪進(jìn)、出口速度三角形疊加在一起，就得到基元級速度三角形，如圖13 所示。 具有很大的切向速度。 由導(dǎo)向器出來的高速氣流沖擊在動葉葉柵時，就會產(chǎn)生很大的氣動作用在動葉上，作用在葉盆上的靜壓比作用在葉背上的靜壓打得多，葉盆和葉背的壓差形成了巨大的推動力，其方向 由葉盆指向葉背，推動渦輪動葉做功。渦輪的基本部件有燃燒室燃?xì)鈱?dǎo)管、導(dǎo)向器葉片、渦輪盤和渦輪工作葉片。高壓渦輪導(dǎo)向器有這幾部分組成： 2 個葉片為一組的 21 個導(dǎo)向器組，前后的支撐，后緣外側(cè)的 密封。 圖 14 高壓渦輪導(dǎo)向器組件 導(dǎo)向器葉片是由高強度的鎳基材料制成的，它的表面上還附著有一層具有保護(hù)作用的流道層。而這些冷卻氣體則通過導(dǎo)向器葉片前緣的小孔和后緣的細(xì)縫流出導(dǎo)向器，從而達(dá)到冷卻高壓渦輪導(dǎo)向器的作用。 (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?xì)鈦眚?qū)動的。高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片被安裝在發(fā)動機核心機后半段的燃燒室的機匣上，它是通過引用 CDP 的冷卻空氣來冷卻的。如圖 16 所示。它內(nèi)部有 8 個冷卻腔體，通過引入 CDP 冷卻空氣進(jìn)行氣膜冷卻。 如圖 17 所示。渦輪盤內(nèi)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(zhuǎn)空氣封嚴(yán)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。如圖18 所示。在過去的幾十年中，已就高壓渦輪葉片的冷卻設(shè)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(shù)新進(jìn)展。這些成果使 20 世紀(jì) 80 及 90 年代航空發(fā)動機的渦輪進(jìn)口溫度提高了 300℃。 圖 110 所示為高溫合金的最高使用溫度與其使用年代的關(guān)系。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(dāng)有限。不管是導(dǎo)向器葉片還是轉(zhuǎn)子葉片，數(shù)量都很多，這樣就造成了其失效概率相對較高。 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。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。由于渦輪葉片直接在灼熱的燃?xì)饬髦泄ぷ鳎瑴囟群芨摺? 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(zhì)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(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 12 部分。而空氣中的顆粒狀的雜質(zhì)可能被吸進(jìn)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?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* 。 (1) 高壓渦輪導(dǎo)向器的燒傷 圖 22 顆粒物流動圖 圖 23 渦輪導(dǎo)向器前緣損傷 如圖 22 為顆粒物流動圖。當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)向器冷卻孔，堵塞的成分主要是 SiO 和 CaSO ，這些腐蝕介質(zhì)會使渦輪葉片發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，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(nèi)，在高溫的作用下導(dǎo)致渦輪導(dǎo)向器前緣和后緣氧化，使導(dǎo)向器出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。 (2) 高壓渦輪工作葉片的燒傷 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 13 小顆物隨著冷卻空氣通過篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，然后再封嚴(yán)結(jié)構(gòu)中長期積累，最后形成飛塵塊。 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。 由于渦輪葉片的冷卻失效，在高溫的作用下就會導(dǎo)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。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)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(dǎo)致發(fā)動機超溫，從而導(dǎo)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。燃燒室為渦輪提供高溫、高壓的燃?xì)獗ＷC渦輪做功，使發(fā)動機正常運行。 (2) 壓氣機問題。 (3) 發(fā)動機引氣過量。所以，發(fā)動機在高負(fù)荷狀態(tài)下 (如飛機在起飛過程中 )過量引氣，也會導(dǎo)致渦輪進(jìn)口溫度超溫，從而導(dǎo)致渦輪葉片燒蝕。 (5) 推油門桿角度過大。 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。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。如果未加以注意的話，會造成渦輪葉片斷裂等嚴(yán)重后果，威脅發(fā)動機的使用安全。 導(dǎo)向器裂紋 如圖 27 所示，為高壓渦輪