某型涡扇发动机压气机叶片故障分析及排除方法研究

韩伟 宗剑

摘要：压气机是利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件，涡扇发动机压气机叶片是压气机的重要组成部分。在压气机的工作过程中常常因为叶片振动而产生故障，因此对压气机叶片常见故障进行分析提出排除方案具有重要意义。本文对涡扇发动机压气机叶片的常见故障进行研究，通过案例阐述了压气机叶片的断裂故障以及相应的排故方法。

关键词：发动机;压气机叶片;故障排除

中图分类号：V263.6                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）24-0058-02

0  引言

压气机叶片是涡扇发动机的重要部件之一。压气机叶片暴露于复杂恶劣的工作条件下，受高速气流的直接侵蚀以及灰尘、沙子和碎石等异物的冲击，压气机叶片容易失效，进而导致发动机故障。因此研究发动机压气机叶片故障机理并分析故障排除方法对压气机叶片安全性的提高具有积极重要的意义。叶片的物理故障主要为断裂和裂纹两种形式，本文主要就断裂故障形式展开讨论。以某型涡扇发动机为例，先阐述其压气机叶片的断裂现象，并对该断裂现象从宏观和微观角度进行故障分析，从而得出故障原因，最后提出排故方法及提高叶片抗疲劳强度的措施，并通过实验加以验证。

1  涡扇发动机压气机叶片概述

压气机是涡扇发动机中利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件。压气机叶片分为定子叶片和转子叶片。其中旋转叶片通常被称为转子叶片或工作叶片，而定子叶片被称为导向叶片。定子叶片主要是把压缩过来的气流进行整流和扩压，定叶的角度可调节以便增加效率。定子叶片位于前部，而转子叶片在后部工作。压气机的工作叶片一般由叶身和榫头组成。在燃烧室中产生的高温高压气体流经定子叶片，并通过管道汇聚将一些压力能转化为动能而进行整流和加速，冲击下一行工作叶片。

2  压气机叶片断裂故障

2.1 压气机叶片断裂的故障现象

现一某型涡扇发动机工作过程中出现燃气温度偏高的异常现象，返厂试车过程中压气机转子叶片发生断裂。通过分解检查和理化分析，确定各断裂叶片的断裂性质及首断件，并对其断口进行宏观和显微分析，并做出故障分析和结论，最后得到排故方案。经返厂检查后发现压气机Ⅱ级、Ⅲ级盘发现异常现象如图2所示：叶片盘上的石墨烯有明显的刮痕，但没有全部脱落。Ⅰ级静子叶片进气边缘未见明显损伤，但每片叶片叶盆面叶根处均有一处变形排气边及叶盆面损伤明显。Ⅱ级静子也有明显的损伤现象但排气边较进气边损伤严重，叶根处有撕裂现象，其他静子叶片虽无整片断裂现象但还是有明显的局部断裂处。对发动机装机附件进行检查，发现线位移传感器插针顶部存在变形现象如图3所示。

2.2 压气机叶片断裂的故障分析

从断口宏观和痕迹上看，Ⅱ级叶片断口分为2类断口形貌。其中一类为疲劳扩展充分的疲劳断裂，此类故障叶片较少，仅有2叶片为此类，如图4所示。另一类叶片的疲劳断裂是由可见较小面积的多个线性起源的小疲劳台阶组成。

Ⅲ级叶片均在叶片根部折断，并未发现疲劳扩展充分的疲劳区，综上看来受损程度较为严重。从微观角度观察断口，用扫描电镜微观观察Ⅱ级盘叶片，疲劳扩展充分，叶片疲劳起源于距进气边约6.4mm的叶盆侧，呈单个点源特征，源区未见冶金缺陷，扩展区可见细密的疲劳条带，如图5所示。可以看到断口后期可见小弧线，断口基本被磨平。

Ⅲ级盘上每叶片上基本都在叶背上有个平坦区，该区呈现多个线性的疲劳起源和扩展，但扩展较小如图6所示。

2.3  压气机叶片断裂故障分析结论

从宏观微观分析来看压气机Ⅱ级、Ⅲ级盘转子叶片全部靠近根部断裂，Ⅱ级部分转子为扩展性疲劳断裂，另一部分为多个线性起源的小疲劳台阶的疲劳断裂。为进一步排查燃气温度偏高原因，进行4种情况下台架整机模拟试验。

①发动机最大引气条件。

②放气活门常开，发动机最大引气，安装常规进气畸变板（DC60=-0.41）、导叶片角度为13度。

③改装畸变板（DC60=-1.05），发动机最大引气，导叶片角度为3度。

经实验发现在第4种状态下发现发动机参数与外场T45温度偏高时发动机参数相当。

结合以上实验可得出可调叶片角度偏小是导致压气机叶片断裂的原因。

2.4 压气机叶片断裂的排故措施和效果

①在检查过程中，用清洁油擦拭叶片，以除去碳和其他沉积物。

②用目视检查叶片的进气边，除定期检查外，还应检查叶片根部区域是否损坏。

③在叶片上使用喷丸处理可显著提高叶片的抗疲劳性并延长其使用寿命。选择五个普通叶片和五個喷丸叶片进行冲击吹动疲劳测试。试验结果如表1所示。显然，喷丸刀片的疲劳寿命提高了近5到6倍。

3  结论

本文主要就压气机叶片断裂故障展开讨论，以某型涡扇发动机为例，先阐述其压气机叶片的断裂现象，并对断裂现象从宏观和微观角度进行观察，观察结果表明：Ⅱ级、Ⅲ级盘转子叶片全部靠近根部断裂，可调叶片角度偏小是导致压气机叶片断裂的原因。最后提出排故方法及提高叶片抗疲劳强度的措施，并通过实验加以验证，实验结果表明：对叶片使用喷丸处理可显着提高叶片的抗疲劳性并延长其使用寿命。

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