某型发动机高涡叶片掉块故障分析与排故

巩孟祥　李中生　韦周庆　郑丽

摘 要：某型航空发动机在台架试车过程中出现振动值急剧上升问题，停车后孔探仪检查发现发动机高涡叶片掉块烧蚀，对故障件进行质量复查、强度复查、冶金及断口分析，并对高涡转子叶片相关机件进行系统分析，最终找到故障原因，同时制定了后续排故措施。

关键词：航空发动机；高涡叶片；掉块烧蚀

中图分类号：V231 文献标志码：A

1 故障描述

某型发动机在厂内试车过程中，出现振动值急剧上升，机载峰值达到144mm/s，停车后孔探仪检查发现发动机高涡叶片烧蚀。发动机分解后发现高涡叶片15片出现掉块烧蚀现象，其余高涡叶片均出现打伤变形及高温变色现象。

2 高涡叶片质量复查

经复查，高涡叶片所用原材料入厂复验合格，生产全过程受控、有效，质量记录完整、齐全，各项理化检测结果符合技术条件要求，成品叶片质量符合设计要求。

3 高涡叶片强度复查

3.1 静强度分析

对高涡叶片进行了静强度复查，叶片前缘中部径向应力为106MPa，屈服强度储备为3.81，满足强度标准要求，叶片前缘出现故障的可能性较小。

3.2 叶尖碰磨分析

在叶尖前缘施加周向1000N的节点力，模拟叶尖碰磨情况，有限元分析结果如图1、图2所示。高应力部位出现在前缘叶尖和前缘叶根，叶尖高应力区靠近载荷加载部位，叶尖前缘应力不真实，所以叶尖碰磨最大应力应出现在叶根部位。根据有限元分析结果可知，叶尖前缘碰磨时，叶根比叶身前缘中部更容易发生破坏。

4 高涡叶片故障件冶金及断口分析

高涡叶片共有72片叶片，按叶片损伤类别大致分为4类：

（a）叶片进气边掉块。

（b）变形及裂纹。

（c）宏观无明显变形及裂纹，但进气边及靠进气边叶盆面椭圆形高温烧黑。

（d）宏观无明显变形及裂纹，仅进气边高温烧黑。

掉块叶片在圆周位置上集中分布在圆周一侧，基本相邻，也即掉块叶片在整个转子圆周上呈扇形分布，未见变形裂纹叶片分布在另一侧，则高温烧黑程度轻的叶片位置也较集中。

对故障叶片进行电镜扫描，典型故障形貌如图3所示。

高涡叶片掉块从距叶根15mm～17mm的进气边起始，呈现斜梯形掉块，在第一段断面（斜向）上均可见多个类解理刻面，类解理刻面上微观可见河流及羽毛状放射棱线特征，可知高涡叶片断裂性质为疲劳。

掉块断口观察表明，所有断口起源均从距叶根15mm～17mm高度处的进气边区域起始，大多叶片的起源具有多源特征，各个叶片源区微观位置并不一致，集中在气膜孔表面、叶背打伤处表面、叶盆表面、次表面等位置，微观观察表明，这些源区的共性是结构（气膜孔）或缺陷导致应力集中处，此外，源区再结晶一般呈现沿晶特征，与组织超温导致的晶界弱化有关。此外组织观察表明宏观未见明显变形和裂纹的第三、四类损伤叶片上在高温烧黑处组织均已超温（第三类损伤叶片进气边及靠进气边叶盆处组织过烧、第四类叶片中高温色最轻微的叶片进气边组织已过热），也可推断整台发动机高涡叶片在最高温度处（叶身中部进气边）组织已出现超温现象。

综合宏观损伤观察、断口宏微观观察、组织及温度场分析可知叶片先超温后疲劳开裂。

5 故障原因分析

高压涡轮叶片断口分析结果表明，叶片为超温疲劳断裂。下面就高涡叶片超温原因分析排查。

5.1 环境超温

（1）经过复查试车情况，发动机在试车过程中未发生发动机超温的情况。

（2）从高涡转子叶片损伤周向分布情况看，损伤掉块且超温的叶片集中在1/4的区域内，距离较远的叶片有过热，但无超温现象，可以说明高涡转子叶片环境温度无明显异常。

5.2 高涡叶片自身冷却问题

（1）冷却流路不通畅

根据主燃烧室故检结果，预旋喷嘴处未发现异常，复查高涡前封严盘与主燃蜂窝配合，配合间隙未发现异常。因此认为冷却流路未发现堵塞不通畅问题。

（2）高涡叶片顶端盖板脱落或翘曲

高涡叶片盖板缺失可造成叶片内冷却空气从顶端流出，叶片气模孔无冷却气流出，叶片气膜冷却失效，会造成叶片烧蚀掉块。检查叶片盖板。大掉块的叶片由于前缘掉块其盖板在前缘位置完全损伤，除这些掉块叶片上盖板前缘缺失外，其他宏观未裂叶片其盖板无明显掉块，仅存在较为严重的刮磨，及叶背叶尖棱边变形缺失，因此认为，此次故障由于盖板原因引起的可能性较低。

（3）叶片内冷却通道堵塞

外来物堵塞高压涡轮叶片冷却通道，有可能导致叶片冷却的逆流裕度不足而发生超温。

①分解检查故障叶片榫头底部进气窗口，未发现堵塞物。

②通过解剖叶片亦未发现异常。

③根据复查情况叶片水流量均合格。

因此，认为叶片内冷却通道堵塞可能性较低。

5.3 涡轮叶片损伤导致冷却失效

（1）分解检查过程中发现一个高涡导向器堵块脱落缺失。材料为K40M，装配于高壓导向叶片上缘板后端，两件用真空钎焊方法固定，主要作用是封堵叶片缘板铸造时的工艺退渣口。

（2）能谱分析结果表明 14#叶片表面存在K40M，叶片表面未见其他异常外来成分。表明高导叶片堵块脱落，并且撞击了高涡转子叶片。

分析认为如果高涡叶片受到外物打伤产生裂纹或裂口，裂纹或裂口损伤随着高涡转子工作出现扩展，使得高涡叶片内部冷却空气从损伤处流出，也会使叶片气模冷却失效造成叶片超温烧蚀，在对高涡叶片进行电镜扫描时发现有3片叶片疲劳起源特征，均有打伤坑。因此，高涡叶片是受到外物打伤引起叶片冷却失效而超温。

5.4 堵块脱落原因分析

堵块装配定位不牢靠，真空钎焊时堵块自由下落到工艺孔孔口处，后续磨加工工艺孔孔口，将1.2mm余量去除，即将堵块焊接质量良好的1.2mm部分去除，仅留下焊接质量较差的小部分封堵在工艺孔孔口处，在后续工作过程中焊缝强度不足，造成堵块脱落打伤涡轮叶片。

结论

（1）高涡导向叶片堵块脱落是造成此次故障的首发因素。

（2）故障模式：发动机工作时，高涡导向叶片一个堵块发生脱落，掉落在高压涡轮导向器与高压涡轮叶片之间的流道内。堵块随着气流撞击到高涡转子叶片前缘，对某些叶片产生伤害，形成裂纹或裂口。裂纹或裂口损伤在热应力、离心应力及振动应力等的共同作用下，逐步扩展，高涡叶片冷却失效，致使叶片超温造成材质疲劳性能下降，进而发生撕裂掉块的情况。撕裂掉块的叶片残骸四散，对相邻高涡叶片继续产生伤害。叶片的撕裂掉块影响了附近其他叶片的冷却效果，致使其他叶片也发生了超温的情况。多个叶片的损伤使得高涡转子平衡被破坏，高涡转子发生振动异常，发动机振动值激增，振动引起高涡转子位置串动，高涡转子叶片与附近其他机件发生异常碰磨。

（3）针对堵块脱落故障，已经贯彻改进措施：将工艺孔处真空钎焊堵块改为氩弧焊封堵，并通过评审。

参考文献

[1]栗尼娜.基于结构强度评估的某航空发动机涡轮叶片典型失效模式分析[C].2015年第二届中国航空科学技术大会论文集，2015.

[2]张庆民，张万秋，王立波.发动机涡轮Ⅱ级叶片断裂原因分析[J].失效分析与预防，2010，5（1）：35-18.

[3]卢文海，刘丽玉，白明远.发动机燃气涡轮叶片断裂分析[J].失效分析与预防，2010，5（4）：252-256.