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1、第22卷第1期燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究Vol.22,No.12009年2月GasTurbineExperimentandResearchFeb.,200923小型渦輪葉片掉塊故障分析與改進(jìn)王海朋，吳進(jìn)軍，黃健，鄔宏波(南京模擬技術(shù)研究所，江蘇南京210016)摘要：本文就某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)過(guò)程中出現(xiàn)的渦輪掉塊現(xiàn)象進(jìn)行了研究，通過(guò)計(jì)算與分析確定了斷裂原因?yàn)橐浑A彎曲共振，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速下導(dǎo)向器葉片引起的氣體尾流激振是葉片共振的根本原因。在工作轉(zhuǎn)速無(wú)法避免的情況下，從改變?nèi)~片頻率入手，避免了葉片在此頻率下的共振，成功解決了這一故障。關(guān)鍵詞：
2、渦輪葉片；疲勞斷裂；共振中圖分類(lèi)號(hào)：V231.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-2620(2009)01-0023-04FractureFailureAnalysisandPreventionofaSmallTurbineBladeWANGHai-peng，WUJin-jun，HUANGJian，WUHong-bo(NanjingResearchInstituteofSimulationTechnology，Nanjing210016，China)Abstract：Investigationwasconductedforfai
3、lurebladetoanalyzeturbinebladelossofanaero-engine.Theanalysisshowedthatthefractureswereduetofirstorderbendingvibrationfatiguedamage.Thein-fluenceofthewakeflowfromtheturbineguide-vaneunderidlespeedwastheultimatecause.Aneffec-tivepreventionprocedurewasadjustingbladefre
4、quencyasitwasdifficultytoavoidtheoperationspeed.Bladebreakagewasfinallysolved.Keywords：turbineblade；fatiguefracture；resonance1引言某小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是單級(jí)向心式渦輪，葉片與輪盤(pán)采用整體鑄造方式連接。在臺(tái)架試車(chē)和實(shí)際飛行過(guò)程中，多次發(fā)現(xiàn)在工作4～5h后渦輪葉片出現(xiàn)葉尖掉塊，主要發(fā)生在葉尖進(jìn)氣邊緣，距葉尖6~8mm，斷裂，斷口呈45°斜角，如圖1、圖2所示。圖2掉塊部位局部放大圖Fig.2Partiale
5、nlargedviewoffracturelocation2渦輪葉片掉塊故障的基本特征葉片掉塊故障在外場(chǎng)使用和臺(tái)架試車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)上均出現(xiàn)多次，且僅有1片葉片掉塊。對(duì)同批次鑄造葉片位置標(biāo)識(shí)后研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生斷裂的葉片是隨機(jī)圖1掉塊葉片正視圖的，排除了鑄造缺陷的影響。葉片斷口具有明顯的疲Fig.1Anelevationviewoffractureblade收稿日期：2008-07-30；修回日期：2008-12-15作者簡(jiǎn)介：王海朋(1980-)，男，江蘇南通人，碩士，從事無(wú)人機(jī)動(dòng)力、小型渦噴航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與研究工作。24燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)
6、與研究第22卷勞特征，將掉塊后的渦輪重新進(jìn)行動(dòng)平衡后開(kāi)車(chē)，短時(shí)期內(nèi)未出現(xiàn)其它葉片掉塊。3斷口分析整個(gè)渦輪共有12片葉片，其中只有1片葉片在葉尖處發(fā)生掉角斷裂。經(jīng)熒光滲透檢查，其余11片葉片及渦輪其余部位均未發(fā)現(xiàn)裂紋。把掉角的葉片切下斷口，分別在體視顯微鏡和圖4鄰近主疲勞源區(qū)的小平面能譜成分分析圖掃描電子顯微鏡下觀察分析，發(fā)現(xiàn)斷口具有疲勞斷Fig.4Energyspectroscopicanalysisofthefacetnearprincipal裂的典型特征。整個(gè)斷口由主疲勞區(qū)、次疲勞區(qū)和瞬fatiguesource斷區(qū)組成(圖
7、3)，主疲勞區(qū)面積占整個(gè)斷面的絕大多數(shù)。斷裂起始于葉頂?shù)娜~背面，向葉盆面擴(kuò)展，主源位于葉片頂部和葉背相交的尖角處。次疲勞區(qū)主疲勞區(qū)圖5主疲勞擴(kuò)散區(qū)形貌瞬斷區(qū)Fig.5Morphologyofprincipalfatiguediffusionzone裂紋主源4試驗(yàn)分析與計(jì)算圖3斷口的低倍放大全貌通常，引起葉片機(jī)械疲勞斷裂失效的主要應(yīng)力Fig.3Lowmagnificationoffracturesection是振動(dòng)應(yīng)力和離心應(yīng)力[1]。從該葉片斷裂的部位和形態(tài)可知，導(dǎo)致該葉片掉角斷裂的主要應(yīng)力是振動(dòng)主疲勞源附近起始區(qū)域可見(jiàn)明顯的小
8、平面，該應(yīng)力[2]，表明該葉片在工作過(guò)程中出現(xiàn)了共振。小平面平整、光滑，未見(jiàn)明顯缺陷；掃描電鏡能譜成4.1葉片靜頻測(cè)量分分析，該小平面未見(jiàn)明顯異常(圖4)。小平面上及為掌握葉片的振動(dòng)特性，在常溫、靜止?fàn)顟B(tài)條件周?chē)梢?jiàn)河流花樣等類(lèi)解理斷裂特征，為鎳基高溫下測(cè)試了葉
