压气机转子叶片的故障分析与维护.doc

毕业设计论文 提高发动机操纵系统可靠性的维修 摘要 在现代技术进步与之密切相关的最迫切的问题当中 压气机叶片质量和维 护问题占据着主导的地位 起着十分重要的作用 论文以维护发动机压气机叶片为目的 以发动机压气机转子叶片的组成 安装技术 压气机叶片的故障分析和各种故障的维修方式 以及常用典型发动 机压气机叶片的维护作为主要内容 全面的根据发动机压气机叶片的故障特点 对发动机压气机叶片的修理进行论述 关键词 压气机 转子叶片 喷丸强化喷丸强化 维修 Abstract Abstract In the modern technological progress is closely related with the most pressing problem compressor blade quality and maintenance problems to occupy a dominant position plays a very important role On the maintenance of the engine compressor blade for the purpose with the engine compressor rotor blade is composed of compressor blade installation technology fault analysis and fault repair as well as the typical engine compressor blade maintenance as the main content comprehensive according to engine compressor blade fault characteristics of engine compressor blade repair are discussed KeyKey wordword Aeroengine control system reliability maintenance 毕业设计论文 2 目目 录录 1 1 压气机转子叶片简述压气机转子叶片简述 1 1 1 压气机转子叶片的组成 2 1 2 压气机转子叶片的安装要求 2 2 2 压气机叶片的故障分析与维护压气机叶片的故障分析与维护 7 2 1 发动机和螺旋桨附件操纵系统的调整 7 2 2 发动机罩鱼鳞片操纵系统的调整 12 2 3 发动机罩鱼鳞片操纵系统的调整 12 3 3 典型压气机转子叶片的故障分析与修理典型压气机转子叶片的故障分析与修理 15 2 1 发动机和螺旋桨附件操纵系统的调整 7 2 2 发动机罩鱼鳞片操纵系统的调整 12 1 2 2 判断转速调节器工作的稳定性 4 1 3 最大工作状态时的判断 5 结 束 语 17 谢 辞 18 参 考 文 献 19 毕业设计论文 1 1 压气机叶片简述压气机叶片简述 图 1 一 1 是轴流式压气机的静子叶片和转子叶片 从图中可见 图 1 1 轴流式压气机的静子叶片与转子叶片 转子叶片是发动机的重要部件之一 它与轮盘通过榫槽相连接 主要为发 动机流人的空气进行压缩作功 使空气的动能增加 提高空气的作功能力 进 而提高发动机热力循环效率和有效推力 所以它们都在高转速下工作 惯性负 荷很大 应力复杂 在这一方面 制造轮盘与叶片的材料 特别是叶片的材料 必须有较高的持久强度和抗拉强度 疲劳强度 断裂韧性 抗蠕变和抗腐蚀性 能以及抗震性能 同时 又要求有尽可能轻的重量 压气机的前几级特别是第 一级转子叶片 虽然工作温度低 但为防止外来物的打击 提高零件的抗震性 能 一般均采用不锈钢或钛合金 这是由于钛合金的强度极限高 比重小 能 大大地降低叶片的惯性负荷 但是在常温下钛合金的机械性能不亚于高强度钢 但当工作温度超过 900 时 钛合金的蠕变极限急剧下降 这时就不宜于用钛 合金来制造叶片了 此外 它对应力集中十分敏本感 导热性差 只有钢厂的 20 切削加工性较差 在高温下易吸收氮 氢 氧等而变脆 给切削加工 焊接 热压力加工和热处理等带来一定的困难 另外耐磨性差 容易和磨擦面发生粘着 现象 价格贵 成产成本高等 限制了铝合金的使用范围 1 1 压气机转子叶片的组成压气机转子叶片的组成 转子叶片主要叶身和榫头组成 1 1 1 叶身叶身 压气机叶片的叶身是扭转的 如图 1 一 1 1 所示 在叶尖叶型弯度小叶型 毕业设计论文 2 安装倾斜度大叶片根部的叶型弯度大 叶型安装倾斜度小 图 1 1 2 扭转的压气机叶身 图 1 1 3 带减震凸台的风扇叶片 叶片之所以要扭转是由于在叶身从叶尖到叶根的直径逐渐减小 旋转时 从叶尖到叶根处的切向速度也是逐渐减小 因此沿叶身由叶尖到叶根气流相对 速度进口角逐渐变大 为了使各处气流的攻角和加功量满足要求 使气流沿叶 片方向不产生分离 故要求叶片各处的弦线方向应改变 叶片就必须扭转才可 以 从而造成叶片各处的安装角不同 只有这样才能满足气动方面的要求 在叶片较长的情况下 为了避免发生危险的共振和颤振 叶身中部常带有 一个减振凸台 如图 1 一 1 3 所示 当所有叶片装好了之后 各叶片的凸台连 成一个环状 彼此制约 增加刚性 改变叶片的固有频率 降低叶根部的弯曲 和扭转应力 减振凸台接合面处喷涂耐磨合金 当叶片发生振动时 接合面相 互摩擦 可以起到阻尼减振的作用 减振凸台的位置主要根据强度 振动因素考虑 同时也要考虑气动性能 应尽量使减振凸台的尾迹气流不流入内涵压气机以保证核心压气机的效率 一 般减振凸台位于距叶根 50 70 处 由于减振凸台的存在 加上叶身与减振凸台的连接处要局部加厚 使流动 通道面积减小大约 2 减少了空气流量 减振凸台还造成气流压力的损失 使 毕业设计论文 3 压气机的效率下降 发动机的燃油消耗率增加 此外 减振凸台增加了叶身的 重量 使叶片的离心负荷加大 叶片的制造工艺也变得更复杂了 为了克服减振凸台所带来的缺点 有的发动机将风扇叶片的减振凸台取消而 改变为带冠叶片 但带冠叶片虽然改善了叶片的气动性能 减少了叶尖的倒流 损失 但叶片的离心负荷增加更多 1 1 2 榫头榫头 榫头的作用是将工作叶片连接到轮盘上 因此 榫头应能保证按要求的位 置 准确的将叶片安装在轮盘上 并将叶身所受的负荷传到轮盘上 故榫头应 有足够的强度 尽量避免 应力集中 保证樵头不在叶身断裂前发生断裂 由于叶片工作时容易损坏 所以榫头还应便于装拆 目前轴流式压气机转子叶片的榫头分为三种型式 即 销钉式 燕尾形 枞树形 压气机工作叶片常用的榫头是燕尾形榫头 1 1 3 叶片的槽向固定叶片的槽向固定 工作叶片靠轴向燕尾形樟头或极树形桦头装在轮盘榫槽内以后 还必须槽 向固定 以防止叶片在气动力和离心力的槽向分力的作用下 沿槽向移动 或 由于振动而松脱 从而保证压气机可靠工作 保持整个转子的平衡 各种固定 方法如图 1 一 1 4 毕业设计论文 4 图 1 一 1 4 各种形式的叶片槽向固定方法 a 棒头凸块和锁片固定 b 挡销和锁片锁片固定 d 锁片固定 e 弹簧卡圈固定 1 卡圈 2 装在卡圈缺口处的固定销 f 锁丝固定 1 2 转子叶片的制造要求转子叶片的制造要求 转子叶片的制造工艺流程为 棒材准备一下料 制备锻坯一锻造一锻件清洗 一热处理一校正一化学铣削或抛光一校正一打标机一最终检验 转子叶片的锻造常采用精密锻造 这种技术生产的不锈钢 铝合金 钛合 金叶片具有相当高的精度 一般叶身型面和榫头内缘不需要加工 只需用化学 铣削余量 也有部分工厂不采用化学铣削 而采用抛光和电解研磨方法 与机 械制造中普通的模锻件相比 转子叶片的制造工艺与检测技术要复杂和困难得 多 叶片材料的合金化程度很高 变形温度范围窄 对锻造 热处理工艺参数 很敏感 过高或过低的锻造 热处理温度 都会给叶片的组织和性能带来明显 的影响 另外叶片锻件的表面质量 内部组织 流线分布部等要求十分严格 这 就需要有最佳的锻造工艺 如气氛保护 温度控制 模具润滑等 毕业设计论文 5 2 压气机转子叶片的故障分析与维护压气机转子叶片的故障分析与维护 叶片是航空发动机中重要零件之一由于功能的关系 其所处的工作环境是 十分严峻的 受有较高的离心负荷 气动负荷 高温和大气温差负荷以及振动 的交变负荷等 使叶片容易产生故障 压气机叶片还受发动机进气道外来物的 冲击 受风沙 潮湿的侵蚀 涡轮叶片受燃气的腐蚀和高温热应力等 这都使叶 片故障大大增多所以对叶片的故障原因和维护进行了解十分必要的 2 1 压气机转子的故障成因压气机转子的故障成因 叶片的故障和故障模式随不同的工况环境影响有所不同 常见的故障现象 有 外物损伤 强度不足和高低周疲劳损伤 这其中以疲劳损伤为多 1 外物损伤及其故障模式 叶片受外来物冲击而导致的损伤称为外物损伤 外物损伤也可以扩展为环 境损伤 其故障模式 外来物打伤导致的压痕 划道 掉块 挠曲 变形和裂 纹等 环境影响导致的麻点 腐蚀 剥落和表面积尘等 这些故障模式往往成为 叶片挠曲 断裂等重大故障的初因 较严重的外物损伤故障也会使叶片报废 2 强度不足及其故障模式 叶片强度不足故障是指工作时叶片某一断面 或部位 的应力超过材料的断裂 应力而导致损伤 这种故障多数是因叶片设计时强度裕度不足 受瞬态冲击载 荷作用或者叶片截面内部留有残缺隐患所造成 如叶片材质不良 工艺缺陷和 环境影响等因素 强度不足的故障模式有绕曲 变形 裂纹和断裂等 发动机 中纯属强度不足造成的断裂故障并不多 但一旦发生叶片折断其故障后果是十 分严重的 3 高周疲劳损伤及其故障模式 周疲劳损伤即通常所说的应力疲劳损伤 起疲劳损伤取决于两个条件 即 叶片的疲劳应力水平和叶片的应力循环次数 叶片的高周疲劳断裂部位多位于叶片的最大应力截面 叶片的最大应力截 面与振型有关 对于一阶弯曲振动 最大应力近根部 断口走向与叶片的节线 相一致 高阶弯曲振动随阶次增高 最大应力截面向叶尖上移 其断口走向通 常也是一条直线 对于扭转振型与复合振型 其最大应力截面也随振型不同而 不同 对于高阶振型 最大应力截面也随阶次的增高向叶尖上移 其断口走向 是先平后翘 因此研究叶片的断裂部位与断口走向 都可以判断叶片属于何种 振型的振动故障 叶片的高周疲劳大都属于共振疲劳损伤 其排故方法不外乎是避开共振 即一是改变激振频率 二是改变叶片的固有频率 叶片调频 毕业设计论文 6 高周疲劳故障模式通常表现为裂纹和断裂 4 低周疲劳损伤及其故障模式 叶片低周疲劳损伤也就是大应变疲劳损伤 由于应力水平比较高 其损伤 的疲劳循环次数比较低一般而环次数 N 1000 如果叶片频率在 100Hz 左右 叶片也就会在几秒钟或十几秒钟之内断裂 其危险性十分严重 低周疲劳损伤 多是由于叶片气弹失稳现象或叶片颤振现象所导致 故也称为颤振故障 它主 要由气动力特性在特定声件下与叶片弹性耦合所确定 低周疲劳故障模式通常也表现为裂纹和断裂 5 热疲劳损伤及其故障模式 祸轮叶片受高温燃气流的作用往往出现热疲劳损伤现象 热疲劳损伤的形 成主要是由于叶片上受有交变 或周期 的温度梯度从而导致沿叶片径向 周向产 生的热交变应力 或者是因发动机开车 停车瞬间叶片顶部与根部造成的温度 交变或非交变 差形成的交变热应力 再者是发动机工作时由工况的改变导致流 经涡轮叶片的冷热交变的气流造成的热应力等 热疲劳损伤故障模式多数为叶 片表面出现发纹 薄弱截面或最大应力截面产生裂纹 叶片挠曲 变形和膨胀 形成的永久伸长等 对于带孔的冷却叶片会出现叶片的孔边裂纹 局部裂纹 总之 叶片的振动故障是发动机中属于多发性的具有极大危险程度的故障 其发有时是比较复杂的 排故的方法也是多种多样的 是从事于发动机研究 设计 生产维护者应十分注意的问题 2 2 压气机转子叶片的维护压气机转子叶片的维护 2 2 1 防止叶片断裂及叶片延寿的主要措施防止叶片断裂及叶片延寿的主要措施 叶片的设计和生产过程的质量控制 是提高其使用寿命的重要措施 1 重视叶片的设计 正确分析几何形状复杂的叶片的应力分布 防止造成局部应力过高 造成叶 片的强度不足而失效 避免叶片因共振而造成超载断裂失效 避免叶片工作温 度范围内所承受的主要载荷类型 大小与材料主要抗力指标不匹配而造成超载 失效 对钛合金压气机叶片 设计时应考虑其损伤容限 及加工缺陷对叶片抗 力的影响 提高其抗疲劳强度 2 加强原材料的质量监控 锻制叶片的铝合金棒料必须是定点生产厂家的产品 并严格进行原材料的 人厂复验 3 严格控制制造过程 注意模具的鉴定 试模及划线检查 保证润滑剂的干净 严格监控热处理炉 温均匀性和控制精度 增加徐漆工艺 增强防腐能力 提高叶片表面完整性 防 毕业设计论文 7 止叶片发生早期失效 利用喷丸强化提高叶片表面的疲劳抗力性 2 2 2 在发动机的使用维护中预防叶片损伤在发动机的使用维护中预防叶片损伤 1 严格按照 使用维护说明书 的要求正确使用发动机 不许发动机在 3780 3920rpm 转速范围内连续运转 以免造成共振 2 保持停机坪和跑道的干净 严格管理工具和零件 防止杂物掉入机内打 坏叶片 3 地勤人员要经常从进气道和机匣上的观察孔 检查铝合金叶片是否有裂 纹或严重腐蚀 一旦发现此类故障 发动机应立即停止使用 并返厂排故 4 合理调配使用发动机 使每台发动机每年工作 100h 以上 尤其在高温 高湿地区服役的发动机 要避免长期停放 以免铝合金叶片腐蚀产生 5 合理使用并正确维护发动 对提高叶片的疲劳强度具有重要意义 严禁 发动机频繁地起动和停车 因为发动机起动次数越多 叶片材料抗疲劳性能降 低越多 同时 高频率的载荷波动 会造成叶片低周疲劳损伤和高 低周复合 疲劳损伤 2 2 3 延长叶片使用寿命的工艺措施延长叶片使用寿命的工艺措施 1 对在沿海地区服役的发动机 LY2 铝合金叶片采用 过时效 处理 能降 低铝合金的晶间腐蚀敏感性 但却会降低材料强度 2 采用先进的 AMS2470 铬酸阳极化后进行 蒸馏水 铬酸填充 工艺 能提高阳极化膜的抗蚀能力 3 叶片工作面上涂 PL205 环氧有机硅漆 这种漆具有 并且有独特的耐气 流 风沙 尘土的冲刷性能 4 喷丸强化能提高铝合金叶片疲劳寿命 由于高温会使喷丸强化层的强化 效果消失 这种工艺仅对前几级工作温度低的叶片有效 综上所述 振动疲劳损伤在叶片故障中占有很大比例 尤其是 4 6 级叶片 的振动疲劳损伤更为常见 为防止此类故障的发生 需要考虑多方面的因素 设计是基础 同时要注意制造过程 以便使叶片自振频率的分散度更为集中 发 动机使用的过程当中 叶片的自振频率可能会发生变化 从而引起共振 因而 要正确使用和维护发动机 此外 要经常对发动机进行检查 及早发现问题 2 3 压气机转子叶片的修理方法压气机转子叶片的修理方法 2 3 1 转子叶片的表面状态修理转子叶片的表面状态修理 1 转子叶片的表面状态修理如表 2 3 1 毕业设计论文 8 铝合金不锈钢铝合金 常见故障表面划伤 腐蚀 裂纹和压坑 表面腐蚀 划伤 裂纹 表面划伤 腐蚀 裂纹和压坑和麻点 清洗方法煤油洗剂煤油洗剂在冷流水洗剂 探伤方法非磁性检验法磁力探伤 非磁力 探伤 非磁力探伤 修理技术油石打磨 手工抛 光 表面防护处理 油石打磨 手工抛 光 磨料吹沙 表 面防护处理 油石打磨 手工抛 光 喷丸 表面防 护处理 表 2 3 1 2 压气机叶片无损探测技术 X 射线探伤 渗透探伤 磁粉探伤 2 3 2 压气机叶片喷丸强化技术压气机叶片喷丸强化技术 喷丸强化是高速弹丸撞击金属零件表面 使之产生残余压应力并形成亚晶 冷作硬化层 从而提高零件疲劳强度和抗应力腐蚀能力的一种加工方法 它具 有效率高 成本低 强化效果明显等特点 在航空工业中应用越来越广泛 常用的喷丸强化工艺有干喷丸 水喷丸和旋板强化工艺 图 2 一 3 一 1 喷丸强化技术原理示意图 1 干喷丸强化工艺 干喷丸工艺是较早采用的喷丸强化技术 它是靠离心力轮产生离心力或从 喷嘴喷出的压缩空气将弹丸喷射到零件表面上 使其获得一定的表面强化 图 毕业设计论文 9 2 一 3 一 1 是目前常用的干喷丸强化示意图 常用的设备有机械离心式和风动 式喷丸机 机械离心式喷丸机使用的弹丸一般是比较重大的铸铁 铸钢或钢弹丸 对 于要求喷丸强度大的钢件 大多采用这种设备 这种设备的优点是调节容易 工作稳定 其缺点是设备投资大 喷射复杂零件时不灵活 风动式喷丸机使弹丸用的弹丸是比重较小的玻璃丸 广泛用于镁铝合金以及铁 镍基高温金的零件表面强化 这种喷丸设备简单工作灵活 能处理形状复杂零 件的表面和内腔 2 水喷丸和液体喷丸强化技术 水喷丸和喷丸强化的原理一样只是采用液体弹丸流代替了干喷丸中的弹丸 减少干喷丸所产生的粉尘污染 改善了工作条件 所谓液体弹丸流是水和玻璃弹丸的混合物 只要采用合理的工艺参数 水 喷丸和液体能够得到与干喷丸相同的效果 另外 水喷丸与干喷丸相比 具有 污染小噪声丸消耗少省电等优点 1 喷丸强化的功用 能显著提高零件的抗疲劳及耐应力腐蚀能力 适合各种机械 航空 航海 石油 矿山 铁路 运输 重型机械 军械等 通过喷丸强化 一般可提高疲 劳寿命 1 3 倍 甚至可提高几十倍 应用在飞机起落架 发动机 各种接头 曲轴 连杆 作动筒 机匣 涡轮盘 叶片等零件 汽轮机 发电机也大量采 用 在飞机制造和维修中 零件磨削后 电镀 喷涂前大都进行喷丸强化处理 以提高抗疲劳和耐应力腐蚀能力 是压气机叶片修理中不可缺少的一种重要工 艺 2 零件喷丸强化后的特点 1 零件受喷表面残余压应力的大小和压应力层的深度取决于受喷材料的性 能和喷丸强度 材料的强度和硬度越高 压应力就越大 压应力层的深度就越浅 喷丸强度越高 压应力层的深度也越大 2 受喷表层的材料组织发生变化 3 受喷表面变得粗糙 受喷表面的粗糙度随着喷丸强度的提高 表层硬度 的降低和弹丸尺寸的减小而变差 4 尺寸增大 受喷表面的金属被挤出 形成微小的金属波峰 故而尺寸增大 喷丸的目的主要是对零件表面进行应力强化以提高疲劳强度 经过喷丸强 化的零件视零件材料不同 强化的效果也不一样 有的材料喷丸强化后效果非 常好 能够大大提高材料的疲劳强度 如有的钛合金材料 喷丸强化后材料的 毕业设计论文 10 疲劳强度可提高 有的合金钢喷丸后强度可提高 有的材料喷丸后其抗疲劳特性改善不大 在生产中要注意合 理地应用 2 3 3 转子叶片焊接技术转子叶片焊接技术 转子子叶片焊接常用氩弧焊 氩弧焊是气体保护电弧焊 气电焊 的一种 它和一般手工电弧焊的区别是 用保护熔池与空气隔开 杜绝空气的有害作用 以获得性能良好的焊缝 根据焊丝在焊接过程中的作用范围不同 氢弧焊可分为熔化极和非熔化极 氩弧焊两种 熔化极氩弧焊的焊丝既是焊料又是电极 用于厚度大于 2mm 板和 中厚板 非熔化极的氩弧焊的焊丝仅作为焊料 主要用于薄板 图 2 一 3 一 2 图 2 一 3 一 2 氩弧焊示意图 a 熔化极氩弧焊 b 非熔化极氩弧焊 氩弧焊的主贾设备和工具包括弧焊机 氩气瓶和氩弧焊枪 氩弧焊的主要特点如下 1 氩气属惰性气体 不溶于液态金属 是一种性质优良的焊接保护气体 2 焊缝表面形状好 具有良好的机械性能 焊接稳定性好 飞溅少 3 可以焊接 1mm 薄板及某些异种金属 4 一定条件下可进行各种位置的焊接 3 典型压气机转子叶片的故障分析与修理典型压气机转子叶片的故障分析与修理 3 1 WP 6 压气机转子叶片断裂故障简介压气机转子叶片断裂故障简介 图 3 1 1 是 WP 6 发动机简图 从图中可见 WP 6 的压气机共有 9 毕业设计论文 11 级 前 5 级为低压压气机转子 后 4 级为高压压气机转子 图 3 1 1 WP 6 发动机简图 1 进气装置 2 轴流式压气机 3 燃烧室 4 双级涡轮 5 加力燃烧室 6 可调尾 喷管 WP 6 压气机转子 1 2 3 4 和 9 级叶片 1993 2001 年其间 先后发 生过 8 起折断故障 其性质均为疲劳断裂 各次的具体原因分别是 热处理工 艺不当 喷丸或外来沙粒打伤表面 腐蚀坑 锻造折叠缺陷 叶身与叶根转接 处 R 小等 3 2 WP 6 压气机压气机 3 级叶片断裂故障的现象级叶片断裂故障的现象 这种故障于上世纪 60 年代 在工厂试车和后来的飞行中多次发生 严重的 影响了飞行安全 3 级叶片是铝合金制造 叶片断裂是在发动机慢车状态下 发生的一阶扭转共振疲劳 是故障的主 要原因 并采用通过调频 以便使得慢车状态能避开一扭共振 但是效果一直 不佳 为了排除修理因素 对大修发动机每次都换新叶片 但是故障也未杜绝 1 故障属于扭转型断裂 断裂故障大多数发生在叶片前缘 距离叶根 70 80mm 处 即叶高的 60 70 处 也有的叶片裂纹源于叶片排气边 距离叶根 42 65mm 在叶高 41 63 处 这种裂纹自后缘朝水平方向扩展 然后 45 斜向上 最后在前缘 断裂 这是扭转型断裂的断口特征 2 在有故障的叶片表面发现腐蚀损伤 对失效叶片的表面状态检查发现 进气边和排气边裂纹源处 均有外来物 打击的痕迹或氧化膜损坏的地方 腐蚀部位为沿晶腐蚀 3 断口金相观察表明断口上疲劳特征典型 断口上有明显的裂纹扩展区 其上有疲劳弧线和疲劳条带特征 说明这是 高周疲劳裂纹扩展的结果 4 受力分析表明叶片为共振引起的断裂 经过静强度校核表明 叶片的强度裕度足够 并认为是共振引起的断裂 毕业设计论文 12 3 3 排故措施与实践效果排故措施与实践效果 通过 3 级叶片断裂故障的失效分析和共振试验研究 确认该叶片故障属于 共振疲劳损伤 因此 只要能避开共振转速 就可以排除此故障 1 故障的排除方法 为了避免叶片的共振 首先改变激振频率 其次改变叶片的固有频率 即 对叶片进行调频处理 A 改变激振力的频率 曾经设想将二级整流叶片的数目 由 K 22 增加至 K 24 使其激振力谱 K 24 所示 但由于各种因素的制约 此方案未能实现 B 叶片调频处理 用改变叶片型面宽度 致使叶片刚性与质量变化 达到改变叶片固有频率 从而避开共振之目的 在排故实践中 采取减薄叶尖型面厚度和叶根型面厚度 的方法 3 4 结论结论 1 WP 6 压气机 3 级叶片断裂 属于共振形成的高周疲劳损伤故障 2 产生共振的原因是 叶片设计不当 使其固有频率落入发动机的常用转 速范围 即当发动机在慢车转速时 二级整流叶片 K 22 的尾流造成激 振 从而发生叶片一扭振型的共振 当发动机为 08 最大转速时 二级整 流叶片 K 22 的尾流造成激振 从而发生叶片的高阶复合共振 3 对于叶片采用叶根五个截面减薄厚度的方法 进行调频处理 使得一扭 频率下降近 7 2 高阶复合振型频率下降 3 4 避开了共振转速 从 而排除了故障 调频后的叶片先后经过两次长期试车 均未发现故障再 现 4 叶根型面减薄后 叶片的静强度储备略有下降 但是裕量还是足够的 5 在叶片调频的同时 还采取了下列提高叶片抗振性能的措施 其一 叶片表面喷丸处理 使得出现疲劳裂纹的疲劳载荷次数提高了 3 倍 其二 采用表面防腐处理 在叶片表面涂敷结合力较好的 7011 漆 其三 外场加强对叶片的维护 6 在本次故障的研究中 曾经考虑用钢叶片代替铝叶片的方案 但是后来 放弃了这个方案 理由是 钢材的抗振性能要优于铝材 但是二者弹性 模量接近 使得叶片的固有频率很接近 而不能达到避开共振区的主要 目的 毕业设计论文 13 3 2 WP 7 压气机压气机 2 级叶片叶尖掉块故障研究级叶片叶尖掉块故障研究 3 2 1 WP 7 发动机的简介发动机的简介 图 3 2 1 是 WP 7 发动机的简图 从图中可见 它由压气机 低压压气机 1 高压压气机 2 燃烧室 3 和涡轮 高压涡轮 4 低压涡轮 5 加力燃烧室 6 和可调解尾喷管 7 组成 图 3 2 1 WP 7 发动机的构造 1 低压压气机 2 高压压气机 3 燃烧室 4 高压涡轮 5 低压涡轮 6 加力燃烧 室 7 可调尾喷管 3 3 2 压气机压气机 2 级叶片掉块故障综述级叶片掉块故障综述 1 2 级叶片掉块故障举例 WP 7 压气机 2 级叶片 在使用中 曾经多次发生掉块故障 图 3 2 2 是叶 片掉块的照片 从图中可见 掉块位置在进气边的叶尖处 图 3 2 2 压气机 2 级叶片叶尖掉块的照片 有的叶片在此处出现裂纹 有的掉块 裂纹从边缘萌生 沿着水平方向扩展 毕业设计论文 14 接着转转向 45 方向 向叶尖发展 直至使得叶尖掉块 2 叶片掉块后的断口金相观察 有关单位的研究人员 对故障叶片的断口和再现故障的试验叶片的断口 进行 了断口金相观察 发现这两种断口都具有典型的高周疲劳断口形貌特征 图 3 2 3 是故障叶片掉块叶片的断口金相照片 从图中可见 断口无塑性变 形和外来物击伤的痕迹 疲劳弧线清晰 数量较多 疲劳裂纹扩展区约占断口 总面积的 60 70 撕裂区面积很小 疲劳裂纹源于叶片进气边缘上 肉眼可见的凹坑缺陷处 源区的宏观形貌见照 片 a 中白色箭头所示 b 是裂纹源区的微观照片 从中可见凹坑底部有颗 粒状杂质 经分析认定为钢中的残余杂质 在疲劳裂纹的扩展区中 高周疲劳的条带数量多 分布密集 裂纹源区附近和 晶界处有少量大应力留下的疲劳条带 断口区还杂有泥状花样 表明叶片还经 受过环境腐蚀和气流冲刷 图 3 2 3 叶片断裂后的断口金相照片 a 断口的宏观照片 b 裂纹源区的微观照片 4 叶片掉块故障的特点 调查发现 叶片掉块故障都发生在外场使用的发动机上 故障率很小 并且多 数是翻修后的发动机出现这种故障 有故障的发动机仅有 1 只 或 2 只叶片掉 块 掉块后其断口有明显的疲劳断裂特征 疲劳裂纹源有的在叶片进气边 有 的在叶片顶端 故障叶片的裂纹源处 都有气流冲刷 冲击 刀痕 腐蚀等细 小缺陷 调查还发现同级的所有叶片在叶片的进气边或叶尖处 都有上述缺陷 3 2 3 2 级叶片掉块故障的试验研究级叶片掉块故障的试验研究 1 叶片振动应力测定 采用在叶片上贴应变片的方法 测取叶片振动应力 并确定最大应力的为 和方向 应变片在叶片上贴的位置见图 3 2 4 所测得的最大应力作用点及 毕业设计论文 15 其所在位置见表 3 2 1 图 3 2 4 应变片在叶片上的粘贴位置示意图 a 叶盆上的应变片位置 b 叶背上的应变片位置 表 3 2 1 叶片上最大应力与次大应力作用点的位置 最大应力作用点次大应力作用点备注 振 型 贴 片 编 号 主应力 方 向角 在叶片 上的位 置 贴 片 编 号 应力方 向角 在叶片上 的位置 占最大应 力 的比例 与故 障 的关 系 B1165 25叶背中 部 后缘 30mm 86 4不大 B2162 65同上7 48后缘 78mm 前缘 72 mm 92 73 不大 T145后缘 78mm 4 5 0 前缘 7mm 中部 15mm 83 84 不大 B3545叶盆中 部 103mm 不大 毕业设计论文 16 T2 复 合 130前缘 7mm 390 45 叶尖后缘 后缘 78mm 94 7 87 有关 从表 3 2 1 可见 二扭振型最大振动应力位于前缘叶尖 7mm 处 与故障叶片 断裂的位置相吻合 2 故障部位的应力值判断试验 从四个机种所使用的 2 级叶片中 各取 1 片 作为试件 在其故障部位贴 4 个 应变片 并在叶片背部的叶根处贴 1 片应变片 供核实测量应力用 试验时 保持振动台的激振能量值不变 变更振动的频率 测取各点的振动应 力值 结果见表 3 2 2 从表 3 2 2 的数据可见 除高阶振型 T2 复合 测取的数值不清楚外 其余 4 个低级振型 在故障部位的最大应力水平都不高 说明这些应力不能导致叶尖部位掉块 所以 可以排除这 4 个振型是故障的成 因 表 3 2 2 各阶振型最大振动应力值 振 型B1B2T1B3T2 测定的应力 max MPa 22 9328 2216 766 88测不清楚 与参考点的应力比 11 7712 018 63 38 故障部位不在不在不在不在 3 叶片在梁式振动台和电磁式疲劳试验器上的疲劳试验 在梁式振动台上 进行了叶片的疲劳试验 并测定了叶片的疲劳极限 绘 制了疲劳寿命曲线 并且对疲劳试验后出现裂纹的叶片的断口进行了金相观察 在梁式振动台上 测出叶片振型图 表明掉块故障为二扭振型的疲劳所致 为了再现叶片掉块和该部位的裂纹故障 采用梁式振动台 进行叶片的激 振疲劳试验 测试频率的范围较低 仅为 5 220Hz 测试结果表明 一弯 二弯和一扭的三阶振型 其最大应力部位 都与叶片掉 块或开裂故障不吻合 但是 在这个实验中发现 存在着两种类同的二扭振型 一个是前角振型 另一个是后角振型 这两种振型的频率十分接近 见图 3 2 5 估计这种振 型在叶尖的应力比较大 并且与叶片的故障断口相吻合 由此 可以初步判定 毕业设计论文 17 叶片的故障为二扭振型的疲劳所致 图 3 2 5 在梁式振动台上测得的叶片振型图 a 叶片的前角振型图 b 叶片的后角振型图 2 测定了叶片的疲劳极限 绘制了叶片的疲劳寿命曲线 在梁式振动台上 采用升降法 对于叶片进行小样本的疲劳断裂和疲劳极限试 验 结果测得叶片的疲劳极限应力为 1 539MPa 在电磁式疲劳试验器上 采用小样本的等效加速疲劳寿命试验 其结果见表 3 2 3 该表仅列出 3 个试验叶片的数据 并根据这个试验结果 绘制出图 3 2 6 所示的叶片 S N 曲线和 P S N 曲线 经过有关换算 二级叶片的 疲劳极限值 1 538MPa 该值与用升降法测得的数值几乎完全一致 图 3 2 6 在电磁式疲劳试验器上测得叶片的 S N 曲线和 P S N 曲线 毕业设计论文 18 表 3 2 3 在电磁式疲劳试验器上测得叶片的疲劳盈利值和循环次数值 振动应力叶片 编号 B1双振幅 S mm Kg mm2MPa 时间 s振动次 数 N 105 断裂部位 17823023 668116689032 1叶背 0 20 8723320 960165919802 28进气边 0 44 5422820 8599558816203 66进气边 0 40 3 故障再现试验后叶片的断口金相观察表明 疲劳裂纹源于叶尖顶部凹 坑处 断口形貌与故障叶片相似 为疲劳断裂 对在疲劳试验器上 再现疲劳断裂的叶片进行断口金相观察 发现故障再 现试验后 叶片的断口金相 与实际使用的叶片发生故障后的断口形貌很相似 不同之处仅在于 裂纹源区出现在叶尖顶部有凹坑的缺陷处 疲劳裂纹扩展区 有较多的不连续的大应力产生的疲劳条带 3 2 4 研究结论研究结论 1 2 级压气机原型叶片的叶尖掉块故障 主要是在发动机慢车转速和最大转速 工况时 叶片产生二扭共振引起的高周疲劳断裂 其振源为 1 级整流叶片 在 K 36 和 K 14 谐波的激振频率与二扭振型产生的共振 2 改变叶片频率 即采用提高频率的 2C 型叶片 可以避开共振 3 在 1 级整流器上 采用增加一个或同时增加两个加厚叶片的方案 可以有效 减少激振力幅达到 30 50 其中 要选择最佳安装位置 并且不要引起 其它阶次的共振 4 对于叶片的叶尖部位试行喷丸强化和激光强化处理 提高叶片在这个部位的 强度储备 也可以避免掉尖故障的发生 毕业设计论文 19 3 3 WP 8 压气机铝合金叶片折断故障研究压气机铝合金叶片折断故障研究 该发动机是国产的重要发动机 修理任务不少 因此了解它的常见故障和 修理技术十分重要 此处主要介绍该发动机压气机铝合金叶片的常见故障和研 究与修理方法 改型发动机的压气机共有 8 级 1 6 转子叶片级采用铝合金制造 7 8 级 用合金钢制造 在使用中 4 级叶片断裂 5 6 级叶片掉块故障 时有发生 这些铝合金叶片 的故障都属于疲劳断裂 具体引起疲劳的原因有腐蚀 外来物损伤 保护层质 量不好 叶片本身抗振能力小等 此处主要结合具体事例 对该发动机铝合金 压气机叶片的断裂故障进行较为详细的论述 3 3 1 故障现象故障现象 该发动机压气机转子共 8 级 前 6 级为高强度铝合金 LY2 制造 这种铝合 金叶片断裂故障率为 5 工作时间从 53 673h 不等 1 故障统计如表 3 3 1 表 3 3 1 各级叶片断裂故障 叶片 级数 裂纹发动机 台数 叶尖掉块 台数 叶根断裂 台数 叶身 1 2 处断裂 台数 合计 台数 1538 222 311 4268 5718 66824 从表中可见 叶片故障有裂纹 掉块 叶根折断和叶身 1 2 处断裂等 断裂 叶片以 1 4 5 6 级居多 2 叶片的材质检查 叶片用高强度铝合金 LY2 制造 零件毛坯为棒料或模锻件 经过对叶片的 材料复验 结果为 1 高温持久强度符合技术要求 实验温度为 270 应力为 80MPa 持久时 间 50h 毕业设计论文 20 2 材料的硬度 HB 100 符合要求 3 材料的机械性能符合技术要求 因此 可以排除故障是材质因素引起的 3 断口金相观察 用扫描电子镜观察断口 可见发散的断裂线和与之垂直的疲劳弧线 断裂 性质为疲劳断裂 裂纹源于照片下方一个工艺缺陷处 这是工艺因素引起的疲 劳裂纹萌生处 3 3 2 试验研究试验研究 为了研究叶片断裂的原因 做了叶片静频 共振试验 1 6 级叶片的静频测量 1 6 级叶片静频测量值见表 3 3 2 表 3 3 2 6 级叶片的静频值 一弯 B1二弯 B2一扭 T1二扭 T2复合 C1叶 片 级 数 fC fC fC fC fC 11387 254847 026936 0614786 563152 660910 6727339147111 14387312 5 注 fC 频率的平均值 为分散度 2 1 级和 6 级叶片的振型图如图 3 3 1 和 3 3 2 图 3 3 1 1 级叶片振型图 毕业设计论文 21 图 3 3 2 6 级叶片振型图 2 1 级叶片的共振分析 为了分析 1 级叶片的共振问题 此处计算了它的激振频率 前机匣有 6 根支柱 1 级转子前面有 36 片导流叶片 都会对 1 级叶片形成 激振力 根据下式 fB mKn 式中 K 支柱或导流叶片数 即 6 或 36 m 谐振的倍频数 此处取 1 2 3 n 每秒的转速 计算时取转速 n 3500r min 和 n 4700r min 得出的频率见下表 3 3 3 表 3 3 3 在两种转速下计算所得得叶片得频率 K6 支柱36 叶片 m1239123 转速 r min mK61218543672108 350058 335070010503150210042006300 470078 347094014104229282056408460 从表 3 可见 当转速为 3500 时 mK 为 12 时 fB为 700 时 将于 1 级叶 片在一扭时得频率接近 可造成共振 这种共振是由 6 个前支柱得二次谐振波 激振力造成的 3 6 级叶片气体激振疲劳试验 用气体吹振法 给 6 级叶片做疲劳试验 在试验前 检查叶片发现距离叶 根 10mm 处 排气边 R 并不圆 叶身粗糙度不符合要求 有抛光时留下的沙痕 毕业设计论文 22 实验结果 叶片排气边 R 述缺陷的叶片疲劳寿命为 89min 有缺陷得叶片 只有 14min 是正常叶片的 0 16 倍 试验还发现 叶身粗糙度对疲劳试验时的使用寿命影响不大 它们分别为 30 min 粗糙度不合格 和 38min 粗糙度合格 综上所述 叶片工艺质量差 会降低叶片的使用寿命 3 3 3 结论结论 1 1 级叶片断裂属于共振疲劳断裂 它是由于在 3500 r min 时 前面 6 根支 柱造成的二次谐振频率与叶片的一扭频率共振造成的 这说明叶片设计有问题 2 6 级叶片未发现共振 其断裂主要由工艺为达到要求 如排气边缘 R 处值小 并且不圆 这样会造成应力集中 引发疲劳裂纹产生 另外 叶身粗糙度不合 格 叶片表面有腐蚀 也会加速叶片疲劳开裂 3 3 43 3 4 排故措施排故措施 1 严格工艺纪律 保证叶片图纸规定的设计要求 2 对 1 级叶片进行调频处理 即采取削尖处理 见图 3 3 3 使得其复合振 型的频率由 3150Hz 提高到 3690Hz 提高了 3 17 从而避开高阶共振 达到 排除共振的目的 图 3 3 3 叶点削去处理示意图 3 喷丸处理 试验表明对叶片喷丸处理后 可以大幅度提高使用寿命约 5 6 倍 4 叶片表面涂漆 使得叶片防腐能力提高 从而提高疲劳寿命 采取上述措施后 WP 8 发动机压气机铝合金叶片的断裂故障得到基本控制 毕业设计论文 23 同类故障不再发生 3 4 斯贝斯贝 MK202 发动机高压气机发动机高压气机 1 级工作叶片叶尖排气边级工作叶片叶尖排气边 缘掉块故障缘掉块故障 3 4 1 概述概述 1978 年 II 月 英国 R R 公司向中技公司交付的第 32 台斯贝 MK202 发动 机 编号为 20532 进行了 9h05min 的验收试车后 经分解检查 发现一片高压压 气机第一级工作叶片叶尖排气边缘处掉块 面积约为 10 x l0mm2 R R 公司对出现的这一故障的故障件进行了金相 机械性能 叶片振型 频率 加工尺寸与表面光洁度等的检验 试验 分析 得出 加工质量不好 在叶