航空发动机涡轮叶片断裂原因分析

ｌｈａｎｄｏｎｇ　Ｉｎｄｕ￣ｔｒｉａ／Ｔｏｏｈｎｏｌｏｇｙ　２０１３拄　山东工业技术　第１１期　航空发动机涡轮叶片断裂原因分析　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ａｅｒｏ－ｅｎｇｉｎｅ　Ｈｉｇｈ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｂｌａｄｅ　郑丽罗泽明　（中国人民解放军海军航空兵学院飞行理论系，辽宁葫芦岛１　２５００１）　【摘￣］ＡＡＯ对实际使用中航空发动机涡轮叶片断裂的故障，从理论上分析造成断裂的机理，分析实际中引起涡轮叶片断裂的原因，并　提出预防措施。对一黾行安全起到一定的参考价值。　【关键词】航空发动机；涡轮叶片；断裂分析　０引言　涡轮叶片是航空发动机最主要的结构件之一．由于其长期工作在　高温燃气包围下．承受转子高速旋转时叶片自身的离心力、气动力、热　应力以及振动负荷．是发动机中工作条件最为恶劣的零件。　在实际的使用过程中．由于各种原因，涡轮叶片可能发生断裂。当　涡轮叶片断裂时．不仅会出现发动机振动进而引起飞机振动．还会打　坏其他机件、甚至导致飞机着火等现象，这将严重影响到飞行安全。长　期以来。由于涡轮叶片断裂引发的飞行事故在飞行中屡见不鲜。　本文从涡轮叶片的工作条件出发．分析了引起涡轮叶片断裂故障　的原因，并举例分析，在此基础上指出预防措施。　１涡轮叶片故障机理　从理论上看，涡轮叶片断裂的故障机理有疲劳、超应力、蠕变、腐　蚀、磨损等。　１．１疲劳　发动机工作时，由于经常起动、加速、减速、停车以及其他条件的　影响，发动机内流扰动、自激振动、流动畸变、转子不平衡、燃气温度分　布不均等激励因素的作用．会使涡轮各部件承受复杂的循环载荷作　用，使得叶片经受大量弹性应力循环．最终引起高周疲劳、低周疲劳或　热疲劳，使得涡轮叶片断裂。其中，高周疲劳是指失效循环数范围在　ｌＯ５—１Ｏ７周次的疲劳。低周疲劳是指失效循环数低于１Ｏ４—１Ｏ５周次　的疲劳。高周疲劳和低周疲劳都能够引起涡轮叶片断裂。实际使用中．　断裂还会来自于高低周复合疲劳【ｌ－３］。热疲劳是来自于涡轮叶片温度的　循环变化。涡轮叶片的温度的循环变化来自于燃气温度的变化。　１．２超应力　涡轮叶片的组成包括叶根、叶身和叶冠。由于其形状的不规则，叶　片中存在应力集中部位　尽管在设计中已经采取了一些措施．实际上．　超应力仍然是造成涡轮叶片断裂的一个原因　１－３蠕变　必须具有精确的尺寸、准确的形状和严格的表面完整性。但由于叶片　型面的复杂性．呈叶身扭曲弯度．叶片内有冷却通道等特点．叶片复杂　曲面的加工困难，加工精度不易保证。目前存在叶片加工变形、精度　低、表面质量低等问题。具体体现在：叶片的波纹度和截面形状精度难　以控制：叶片之间一致性差；叶片内残余应力、装夹因素引起的变形；　表面完整性难以保证等　某型发动机在外场使用５７０小时２５分．返厂排故时进行荧光检　查．发现有一片高压一级涡轮转子叶片叶身中部靠近排气边叶背面上　有一横向裂纹，裂纹长约５ｍｍ　经理化检测分析，裂纹宏观微观特征　呈热疲劳裂纹特征　疲劳裂纹的产生与部分陶芯变形或偏斜．叶片外　型面过抛造成的叶背壁厚偏薄造成　叶背壁厚超差叶片装机的原因是　由于生产公司检测错误．造成叶片生产质量不过关。　２．２装配和维修误差　装配误差是指由于加工过程中零件内部形成的残余应力因素影　响，装配面出现接触不良，配合面例如叶片与涡轮盘榫槽间隙超差等。　实践表明．上述误差累积至最终装配误差，将不可避免的要影响发动　机的性能。维修误差与之类似，只是产生的过程是在维修过程。　２．３外来物损伤　对于发动机来说．外来物损伤一方面是指在飞行过程中发动机吸　入异物．地面滑跑过程中进气道内留有异物等．也包括飞行过程中发　动机内部其他部件故障后．可能产生的残片造成的损伤　但是．对于涡　轮叶片来说，由于其距离进气道和压气机较远．其外来物损伤主要是　指发动机内部其他部件故障后．例如燃烧室掉快等．产生的残片进入　涡轮后打伤甚至打断叶片　２．４超限　高温环境下。蠕变断裂是涡轮叶片主要的失效形式之一　随着涡　轮后燃气温度从２０世纪５Ｏ年代的１１５０Ｋ增加到现在的２０００Ｋ．蠕变　将导致叶片的塑性变形过大甚至产生蠕变断裂。高温时．温度仅增加　１５℃，其蠕变断裂寿命就会缩短一半０叼。对于设计好的涡轮叶片来说．　使用中一旦发动机进入超温状态．如果不进行维修换件．必将危及飞　行安全。　１．４腐蚀　腐蚀来自于叶片所受的高温燃气。高温燃气对叶片的腐蚀既包括　冲刷造成的腐蚀，也包括高温燃气对金属叶片的氧化腐蚀。腐蚀会降　３预防措施　低叶片的性能，当腐蚀达到一定程度，叶片材料性能不能满足要求时．　为了保证飞行安全．除了严格把好生产质量关以外．平时在外场　就会发生断裂　的维护和飞行中应该做好以下预防措施　：　２影响涡轮叶片寿命的原因　（１）飞机停放时，盖好蒙布，堵好机头盖，防止雨水进入发动机内　超限包括超温和超转。超温是指涡轮后燃气温度超过规定值．此　时．燃烧室出口温度必定过高．温度过高会使涡轮叶片承受的热载荷　增大。超转是指发动机转速超过最大转速。转速过大会使涡轮叶片承　受的离心载荷过大。当载荷超过叶片所能承受的最大载荷时．叶片就　会断裂。一般说来，超转势必引起超温。　在叶片断裂失效案例中．由于超温造成叶片断裂失效占的比例并　不最高，但其危害很大，瞬时的超温即可造成某个叶片折断从而打断　其他叶片．乃至整台发动机无法工作　某飞机在完成地面通电检查、９ｍｉｎ地面开车、武器系统的检查和　加载后飞机离地。在离地约３秒时．尾喷管出现大量油雾．随后出现火　焰，紧急停车。对此发动机分解检查，发现燃气涡轮一、二级叶片全部　断裂．原因是由于叶片在异常高温状态下工作出现过烧现象　涡轮叶片使用寿命终结的特征有：叶片出现影响发动机使用功能　造成潮湿．锈蚀叶片　（２）地面试车和飞机滑出时，要保证场道清洁，防止杂物、砂石进　的超出设计允许的变化．或者叶片损伤积累到所允许的极限　在实际　入发动机内部损伤叶片，造成疲劳源．使叶片产生裂纹或断裂　的应用中，叶片从生产到应用的过程复杂，涉及到的因素多．往往会由　（３）飞行前后加强对叶片的外观质量检查，按要求对叶身进行无　于各种原因引起叶片发生断裂　损探伤检查　２．１制造和材料缺陷　（４）地面试车、飞行过程中操纵油门不能过猛，起动温度、慢车温　受发动机高性能、工作安全性、可靠性以及寿命的要求，涡轮叶片　度严格控制在允许范围内；严格按试车曲线进行试（下转第２２４页）　作者简介：ｇ４＂￣（１９８２．０２一），湖北黄冈人，中国人民解放军海军航空兵学院飞行理论系，讲师，研究方向为航空发动机。　山东工业技术　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　第１１期　山东工业技术　２０１３正　数控车床手动编程技巧探究　方波董守勋聂晶　（鄂东职业技术学院，湖北黄冈４３８０００）　【摘要】随着数控技术的发展和普及，数控车床在制造加工中的应用日趋广泛，，企业对掌握数控车床加工编程和熟悉数控加工技术的人　才需求量不断增加。数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧、二凑曲面、各种螺纹、槽、蜗杆等复杂工　件。本文就数控车床编程技巧进行深入探讨。　【关键词】数控车床；编程；零件　要充分发挥数控车床加工的作用．关键是编程．即根据被加工零　Ｍ０５　：主轴停止　件的结构特点和精度要求，编制合理、高效的加工程序．常用的数控编　Ｍ３０　：程序结束并复位　程方法有手工编程和自动编程两种．手工编程是指从零件图工艺分　析、数据计算、编制程序、输入程序等步骤主要由人工完成的编程过　３理解Ｘ、Ｚ坐标含义　程。它适用于几何形状不太复杂、计算较简单的零件加工．自动编程主　两轴联动的数控车床一般只有Ｘ、ｚ轴运动，Ｙ轴为虚轴，故参与　要是借助绘图编程软件针对几何形状复杂、数据难以计算、程序量很　编程的为ｘ、ｚ轴，一般情况下ｘ轴表示直径方向尺寸，且为正值；ｚ轴　大的零件进行自动出程序加工．本文就数控车床加工中的手工编程进　表示长度方向尺寸，若编程原点设定在前端面中心，则多为负值：若编　行探讨。笔者根据多年经验．总结了以下数控车床编程中的技巧性问　程原点设定在后端面中心．则为正值　题和编程策略　４编程时合理选择进给路线　１合理选择编程原点　进给路线是刀具在加工过程中的运动轨迹．即刀具从对刀点开始　数控车床编程时，首先要选择零件上的一点作为数控程序的编程　进给运动起，直到结束加工程序后退刀返回该点及所经过的路径．是　原点，并以此点建立编程坐标系，一般来说，编程原点的选择要尽量满　编写程序的重要依据之一　合理地选择进给路线对于数控加工是很重　足程序编制简单、尺寸换算少、计算简单、引起的加工误差小等条件，　要的　应考虑以下几个方面：　　‘通常将编程原点设定在工件的前端面或后端面中心上。　（１）尽量缩短进给路线，减少空走刀行程，提高生产效率。　２巧用编程模板　巧用起刀点。如在循环加工中，根据工件的实际加工情况．将起刀点与　对刀点分离．在确保安全和满足换刀需要的前提条件下．使起刀点尽　数控车床加工程序虽然对每一种零件都不尽相同．但也有规律可　量靠近工件．减少空走刀行程．缩短进给路线．节省在加工过程中的执　行．笔者总结了基于华中世纪星系统的数控车床编程模板．适用于大　行时间。同时多把刀具加工时，务必在安全位置执行换刀。　多数轴类零件的数控车削编程．大大提高了编程效率　（２）尽量减少程序段数目　％０００１　：程序头　在实际的生产操作中．经常会碰到某一固定的加工操作重复出　＿ｒｘｘｘｘ　：选择外圆刀具并建立刀偏　现，可以把这部分操作编写成子程序．事先存人到存储器中．根据需要　Ｍ４１／Ｍ４２　：确定主轴低＼高速档位　随时调用，使程序编写变得简单快捷。对那些图形一样、尺寸不同或工　ＭＯ３Ｓｘｘｘ　：主轴正转．同时确定转速　艺路径一样、只是位置数据不同或含有二次曲线型面系列的零件编　ＣＯＯ　Ｘ＿Ｚ一　；刀具陕速靠近到零件附近　程．可以采片ｊ宏指令编程．达到减少乃至免除编程时进行烦琐的数值　Ｇ７１Ｕ—Ｒ—Ｐ１　Ｑ２Ｘ—Ｚ—Ｆ一：粗加工循环　计算．精简程序量　Ｎ１Ｇｏｏ／Ｇ０１　５结束语　随着科学技术的飞速发展．数控车床在机械制造业中的应用越来　：精加工程序　越广泛．为了充分发挥数控车床的作用．而手动编程目前是数控车床　编程的主流模式．我们需要在编程中掌握一定的编程技巧．编制出合　理、高效的加工程序，保证加工出符合图纸要求的合格工件，同时能使　数控车床的功能得到合理的应用与充分的发挥．使数控车床能安全、　Ｎ２　ＧＯＯ，ＧＯ１…　可靠、高效地工作．．１　Ｇ（￣Ｘ１００　：退刀　ＺｌＯ０　【参考文献】　［１］詹华西．零件的数控车削编程『Ｍ］．电子工业出版社，２０１０，９　［责任编辑：杨玉洁］　作者简介：方波，鄂东职业技术学院机械工程系，助讲。　（上接第１６１页）车，适当延长冷、暖机时间，正确调整发动机性能参　【３］刘庆琼某型发动机第１级涡轮叶片延伸段断裂原因分析Ⅲ．航空发动机，　数；防止发动机超温、超转和超时使用。　２００７・３１—３４．　［４］周勇．定向凝固涡轮叶片蠕变试验及理论分析［Ｊ】．大连理工大学，２０１０，７．　【参考文献】　［５］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　［１］李晓甫．发动机Ⅲ级涡轮叶片高低周复合疲劳寿命研究ｌ　Ｊ１．机械制造与研究　预防，２０１０，５（１）：３５—１８　２０１０，３９（３）：１１－１２，３６．　［２］卢文海，刘丽玉，白明远．发动机燃气涡轮叶片断裂分析明．失效分析与预防　［责任编辑：丁艳］　２０１０，５（４）：２５２—２５６　山东工业技术　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ