发动机高压压气机叶片损伤形式的研究分析

王晓雯

摘要：针对发动机高压压气机单元体叶片损伤的形式进行统计分析，高压压气机叶片的主要损伤形式为腐蚀、卷边，凹坑，疲劳裂纹，断裂等。通过损伤现象的统计，对损伤原因的分析，可以帮助航空公司营运人在发动机使用和高压压气机维修工作范围的制定上提供相应参考，以提升发动机性能、保障运行可靠性，杜绝安全隐患的方法。

关键词：高压压气机叶片;损伤

航空发动机高压压气机叶片损伤是运行过程中的常见故障，本文基于对发动机高压压气机叶片多种损伤形式进行研究分析，并介绍了叶片损伤检查标准及修理方案，对航空发动机使用和高压压气机叶片的维修具有广泛和积极的作用。

1高压压气机叶片简介

高压压气机为11级轴流式压气机，由转子和静子组成。采用可控扩散转子叶型，进口级、5级、6级和7级为可调静子叶片，使发动机具有较大的喘振裕度。前四级叶片用轴向燕尾型榫头，后七级叶片采用环形燕尾榫头，因为转速高，叶根根部、轮盘承受的载荷极大。高压压气机将来自低压压气机的空气进行压缩并将压缩后的空气经扩散机匣传送给燃烧室。HPC最大的压缩能力大约为460 PSI（3170kPa）

压气机叶片的工作环境：转速高，每分钟要达到数万转。最大转速除PW4052和PW4152为10 300 r/min外，其余均为10 450 r/min。转速高可以使得压气机在尺寸小，重量轻的条件下，得到所需的性能（即给定的空气质量流量和增压比），满足发动机性能设计的基本要求，这是有利的一面，但是在高转速条件下，转子零件及其连接处要承受巨大的惯性力、气体力、扭矩和复杂的震动负荷。由于叶片不仅受较高的离心负荷，气动负荷，大气温差负荷及震动交变负荷影响，同时还受到发动机进气道外来物的冲击，受风沙，潮湿的侵蚀等，所以要求叶片在刚性和强度，抗外物打伤能力和包容能力方面要强，因为叶片在振动的条件下会产生裂纹甚至断裂，所以叶片的设计也求避免共振。但同时高压压气机工作叶片单薄、量多、尺寸形状复杂经常会发生损伤。其可能损伤的形式有：腐蚀、卷边，凹坑，裂纹，掉块等。

转子叶片和静子叶片的材料分为钛合金（Titanium alloy）和镍基合金（Nickel base alloy），其中钛合金具有耐高温，重量轻，比强度高，抗腐蚀能力强的特点。但是钛合金温度超过400摄氏度时则强度降低，因此钛合金用于发动机的低温部分。镍基合金具有屈服强度高，较高的耐腐蚀，抗氧化的特点，因此使用在后3级温度较高部分的叶片。

2常见造成叶片损伤的原因分析

常见造成叶片损伤的原因主要有以下几方面：

（1）气候原因造成HPC叶片的损伤：HPC叶片存在腐蚀性环境中，并且腐蚀性环境综合作用很容易使得压气机叶片发生腐蚀。常见的腐蚀环境有：潮湿大气、海洋性大气、城市和工业污染。这些环境都会诱发和促进压气机叶片的腐蚀。

（2）外来物损伤FOD（FOREIGN OBJECT DAMAGE）：频繁发生FOD使叶片表面出现凹痕或缺口，同时引起局部残余拉应力。转子在高速转动时，叶片受到较高的离心惯性力和尾流激振引起的振动应力，发生高周疲劳，而FOD极易成为疲劳源，从而大大降低疲劳寿命[1]。叶片的冲击损伤使高周疲劳寿命显著降低，影响叶片高周疲劳寿命的主要因素是拉应力作用下材料中缺陷引起的微塑性，FOD在缺口附近产生残余拉应力与循环载荷作用下缺口处拉应力集中相叠加，从而造成损伤。

（3）内部自身原因（EOD）造成HPC叶片损伤：发动机自身零件因未在所要求的工作位，掉落之后对发动机造成的损伤。例如：发动机装配过程中，固定的锁片由于未完全装配，造成在发动机使用过程中锁片脱落，沿着气流通道向后击伤叶片。损伤机理与FOD相同。

（4）由于喘振造成的HPC叶片损伤：压气机是在给定的进气条件、转速、增压比和空气流量设计的。但是其工作状态（工作环境的温度、压力、转速和空气流量等）实际上都是变化的。当压气机的增压比大到某一数值时，压气机就会进入不稳定工作状态，很容易发生喘振，使整个系统发生低频大振幅的气流轴向脉动，甚至发生瞬间气流倒流的现象。压气机喘振可能导致结构损坏甚至叶片断裂。

（5）由于振动造成的HPC叶片损伤：压气机叶片常因振动而产生裂纹甚至断裂。振动分为两类：一类是在周期性外力作用下发生的叶片振动，成为强迫振动。周期性的外力来自工作轮叶片和整流器叶片之间的相互干扰，工作轮叶片的旋转失速等。另一类是由叶片自身的振动以及相邻叶片自身振动相互干扰而形成的，称为叶片自激振动或叶片颤振。为了避免叶片颤振，在叶片设计过程中要改变它们的固有频率。

3 OEM手册对叶片损伤检查标准及修理方案介绍

3.1转子葉片检查标准（以5级转子为例）

按照OEM手册的检查要求，需要对5级转子叶片进行目视检查和尺寸检查（如图1），目视检查主要检查转子叶片是否存在压坑、磨损、划痕和锁片丢失等现象，尺寸检查是在叶片呈单件状态下，使用测量工具检查叶片形状轮廓的尺寸是否满足手册要求[3]。

3.2转子叶片修理方案（以5级转子为例）

针对HPC5级转子叶片常见故障，CIR（Check， Inspection & Repair）检查修理手册的修理方案有：叶根喷丸、翼型喷丸、叶根防咬剂恢复、翼型打磨、叶尖电镀（专利修理）、叶根喷涂（专利修理）、翼型抛光（专利修理）。

3.3静子叶片检查标准（以5级静子为例）

按照OEM手册的检查要求，需要对5级静子叶片进行目视检查和尺寸检查（如图2），目视检查主要检查静子叶片是否存在压坑、磨损、划痕、破损和腐蚀等现象，尺寸检查是在静子叶片呈单件状态下，使用测量工具检查叶片形状轮廓的尺寸是否满足手册要求。

3.4静子叶片修理方案（以5级静子为例）

针对HPC5级静子叶片常见故障，CIR手册的修理方案有：打磨修理、喷玻璃丸、内外耳轴喷涂、耳轴槽焊修（专利修理）、翼型抛光（专利修理）。

4结束语

航空发动机的制造业制约着中国航空业的发展，目前国产民航发动机正处于起步阶段，高压压气机单元体属于发动机核心单元体，饱含材料和关键技术核心。高压压气机叶片的可靠性决定单元体和发动机的使用时间和维修周期，所以希望通过叶片的损伤分析在叶片的材料选用和制造上起到帮助作用，推动民航发动机的进一步发展。

参考文献：

[1]康继东，陈士煊，徐志怀，饶新阳.压气机叶片外物损伤及其维修性的研究进展[J].燃气涡轮试验与研究，1998（01）：1-2.

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