压气机叶片的故障分析1.docx
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压气机叶片的故障分析1
西安航空职业技术学院
毕业设计（论文）
论文题目：
压气机叶片的故障分析
所属系部：
航空维修工程系
指导老师：
马康明职称：
教授
学生姓名：
朱景辉班级、学号:
135045-35
专业：
航空机电设备维修
西安航空职业技术学院制
2015年11月01日
西安航空职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
题目：
压气机叶片的故障分析
任务与要求：
在基本了解压气机叶片的基本概念的基础上，重点分析了压气叶片的
一些常见故障模式及应对的修理方法，以确保航空发动机压气机叶片的
工作效率的完好，为今后工作做好准备。
时间：
2015年10月12日至2015年12月06日共8周
二级学院：
航空维修工程系
学生姓名：
朱景辉学号：
135045-35
专业：
航空机电设备维修
指导单位或教研室：
西安航空职业技术学院
指导教师：
马康民职称：
教授
西安航空职业技术学院制
2015年12月06日
毕业设计（论文）进度计划表
日期
工作内容
执行情况
指导教师
签字
2015.11.1-2015.11.7
选定分析研究课题
2015.11.8-2015.11.14
制定大纲
2015.11.15-2015.11.21
查阅资料
2015.11.22-2015.11.28
修改论文
2015.11.29-2015.12.5
继续修改论文并输电子稿
2015.12.6-2015.12.12
提交指导老师审定
2015.12.13-2015.12.19
打印提交论文
教师对进度计划实施情况总评
签名
年月日
本表作评定学生平时成绩的依据之一。
压气机叶片的故障分析
【摘要】
本论文主要阐述了压气机叶片的故障分析。
首先介绍了压气机叶片的分类及其特点；其次对压气机叶片的故障与故障模式作了说明；最后列举例子（涡喷八发动机压气机叶片折断故障、涡喷七发动机压气机二级整流叶片裂纹故障、涡喷七发动机压气机二级叶片叶尖掉块故障）对叶片的故障作了具体分析。
关键词：
故障模式故障现象故障原因
Abstract:
Thepresentpapermainlyelaboratedcompressorblade'sfaultanalysis.Firstintroducedcompressorblade'sclassificationandthecharacteristic;Nexthasgiventheexplanationtocompressorblade'sbreakdownandthebreakdownpattern;Finallyenumeratedtheexample（turbojeteightengineaircompressoraluminumsheettobreakoffbreakdown,turbojetsevenengineaircompressortwolevelofrectificationleafbladecrackbreakdown,turbojetsevenengineaircompressortwolevelofleafbladeapexesfallsblockbreakdown）tomaketheconcreteanalysistoleafblade'sbreakdown。
Keywords:
failuremodefailurephenomenonfailurecause
1压气机叶片及其故障模式
1.1压气机叶片的概述
通常将转动叶片称为转子叶片或工作叶片，将静子叶片称为整流叶片。
一排工作叶片后紧跟一排整流叶片，气流在整流叶片中将速度降低以进一步提高压力同时按一定的方向流入下一排工作叶片。
1.1.1压气机的工作叶片
工作叶片主要由叶身和榫头两部分组成。
（1）工作叶片的叶身
为了满足气动和强度的要求，压气机工作叶片的叶身一般都由适应亚声速或超声速工作的叶片型片按一定的扭向规律及重心分布规律，沿叶高重叠而成，为了尽量减轻重量，叶尖的旋长比根部的窄，厚度比根部的薄。
叶片的叶身沿叶高是扭转的,较长的叶片在叶身中部常常有一个减振凸台,作用是为了避免发生危险的共振或颤振。
（2）榫头
工作叶片榫头的形式有燕尾式,销钉式和枞树式。
由于振动而损坏,是压气机的常见故障,为此在榫头结构设计时,要保证叶片在轮盘上的固定具有适宜的刚性避免在发动机常用转速范围内出现危险共振。
榫头的形式和尺寸要避免存在过大的应力集中,榫头应便于安装,以保证叶片的修理和更换。
叶片榫头必须槽向固定,防止叶片在气体力和离心力的槽向分力作用下在槽内移动,保证压气机可靠工作,保持整个转子的平衡。
1.1.2整流叶片
整流叶片型面简单,数量多。
在铸造的分机匣内,由于机匣壁较厚,整流叶片可用各种形式的榫头直接固定在机匣内壁机械加工成的特形环槽内。
它与机匣的联接要保证可靠传力、定位和足够刚性，整流叶片与内环的联接要保证良好定位，密封和热补偿。
1.2压气机叶片的故障模式
叶片的故障和故障模式随不同的工作环境有所不同，常见的故障有：
外物损伤，强度不足和高低疲劳损伤，其中疲劳损伤较多。
（1）强度不足及其故障模式
叶片受外物冲击而导致的损伤称为外来物损伤。
外物损伤也扩展为环境损伤，其故障模式：
外来物打伤导致的压痕、划道、掉快、凹坑、翘曲、倒状和裂纹，环境因素导致的麻点、腐蚀、斑点、剥落和表面积尘等。
（2）强度不足及其故障模式
叶片的强度不足故障是指工作时叶片某一断面或部位的应力超过材料的断裂应力而导致损伤。
这种故障多数是因叶片设计时裕度不足，受瞬态冲击载荷或者叶片截面内部留有残缺隐患所造成。
如叶片材质不良，工艺缺陷和环境影响等因素。
强度不足的故障模式有：
挠曲，变形，裂纹和断裂等。
（3）高周期疲劳损伤及其故障模式
叶片高周疲劳损伤即通常说的高循环应力疲劳损伤，其疲劳取决于两个因素，即叶片的疲劳应力水平和叶片的应力循环次数。
它是由于叶片处于共振条件产生的变交（疲劳）应力。
压气机转子叶片一般在循环次数N＝106～107,其还要取决于叶片振动应力水平的高低，应力高，循环次数自然要降低。
叶片的高周疲劳断裂部位多位于叶片的最大应力截面，叶片的最大应力截面与振型有关。
对于一阶弯曲振动，最大应力截面向叶尖上移，其断口走向通常是一条直线。
对于扭转振型与复合振型，其最大应力截面也随振型不同而不同。
对于高阶振型，最大应力截面也随阶次的增高向叶尖上移，其断口走向是先平后翘。
因此研究叶片的断裂部位与断口走向，都可以判断叶片属于何种振型的振动故障。
叶片的高周疲劳大都属于共振疲劳损伤，其排除方法不外乎是避开共振，即一是改变激振频率；二是改变叶片的固有频率（叶片调频）。
高周疲劳故障模式通常表现为裂纹和断裂。
（4）低周疲劳损伤及故障模式
叶片低周疲劳损伤也就是大应变疲劳损伤。
由于应力水平比较高，其损伤的疲劳循环次数比较低，一般循环次数N＜103。
低周疲劳损伤多是由于叶片气弹失稳现象或叶片颤振现象所导致，故也称为颤振故障，它主要由气动力特性在特定条件下与叶片弹性耦合所确定。
叶片的低周疲劳损伤，其断口特征往往也有三个区域，裂纹的形成区与扩展区交织在一起，疲劳弧线比较粗糙，疲劳条带间距较大，表面粗糙。
这与高周疲劳断口有较明显的不同。
低周疲劳故障模式通常也表现为裂纹和断裂。
总之，叶片振动故障是发动机中属于多发性的具有极大危险程度的故障，其发作机理有时是比较复杂的，排故的方法也是多种多样的，是从事于发动机研究、设计、生产和维护者们应注意的问题。
2涡喷八发动机压气机铝片折断故障
2.1故障现象
涡喷八发动机转子共八级，前六级叶片为高强度铝合金制造，工作时间约53h到673h不等。
在投产的近千台发动机中，仅叶片断裂的故障返厂的约51台，故障比率为5﹪。
2.1.1压气机叶片各级故障
表2-1给出压气机前六级叶片的断裂故障数
表2-1各级叶片断裂故障数
级数
裂纹台数
叶尖掉快台数
叶根断裂台数
叶身处断裂台数
合计台数
一
5
3
8
二
2
2
三
1
1
四
2
6
8
五
7
1
8
六
6
18
24
统计中看出，叶片故障有:
裂纹，叶尖掉块，叶根断裂和叶身1/2断裂等。
叶片的断裂故障以一级，四级，五级，六级居多。
2.1.2断裂特征
图2-1给出了叶根断裂的部位图。
图2-2为断裂叶片的断口宏观形貌。
图2-1断口部位
图2-2断口宏观现象
2.2材质与金相检查
2.2.1叶片材质检验
叶片用高强度铝合金LY2制造，毛胚为棒材或模锻件经热处理成型，对三台叶片进行了材料复验为:
（1）高温持久强度复合技术要求，试验温度为270℃，应力为80MPa，持续50h。
（2）硬度为HB≥100,合乎要求。
（3）化学成分合乎要求。
（4）机械性能合乎要求。
证明叶片材质合乎要求，故障叶片非材料因素所造成。
2.2.2断口金相分析
断口金相分析，一级叶片为明显的疲劳断口如图2-2所示，六级叶片是工艺因素造成的断裂。
如图2-3所示。
图2-3扫描电镜断口
2.3试验研究
从宏观上看，一级叶片与六级叶片断裂现象不相同，其原因也不相同，为此进行如下试验研究。
2.3.1一，六级叶片静频测量
（1）一，六级叶片静频测量值如表2-2所示。
表2-2一﹑六级叶片静频值
级别
一级B1
二弯B2
一扭T1
二扭T2
复合C1
fc
σ
fc
σ
fc
σ
fc
σ
fc
σ
一
138
7.25
484
7.02
683
6.06
1478
6.56
3152
六
609
10.67
2733
9
1471
11.14
3873
12.5
（2）一，六级叶片振形如图2-4和图2-5所示。
图2-4一级叶片振型图
图2-5六级叶片振型图
2.3.2一级叶片共振分析
激振频率
前机匣有六根支柱，一级转子前面有36片导流叶片，都形成级叶片的激振力。
根据fB=mkn
式中:
k-支柱或导流叶片数，6或36
m-谐振倍频数，取1，2，3
n-每秒钟转速
取计算转速ｎ=3500r/min和ｎ=4700r/min，则激振频率如表2-3所示。
表2-3激振频率单位:
Hz
转速r/min
K
6支柱
36叶片
m
1
2
3
9
1
2
3
mK
6
12
18
54
36
72
108
3500
58.3
350
700
1050
3150
2100
4200
6300
4700
78.3
470
940
1410
4229
2820
5640
8460
从上述计算看出，当发动机在ｎ=3500r/min，激振频率mk=12时，fB=700Hz将与一级叶片一扭T1=693Hz相接近，可造成共振。
这是由6个支柱的二次谐波激振力造成的共振。
在发动机ｎ=4700r/min时，没有明显共振点。
对于六级叶片，两个转速下都没有共振点。
2.3.3六级叶片气体激振疲劳试验
为了找出六级叶片的故障原因，对叶片进行气体吹振的疲劳试验，其目的可使叶片故障再现，和进行正常叶片（符合设计要求与正常工艺叶片）与类同故障叶片表面粗糙度差，排气边缘R小并不圆的叶片疲劳寿命比较。
在试验之前对故障叶片表面质量和几何尺寸进行核实。
结果表明故障叶片距10mm处有裂纹，排气边R小并不圆，叶身光洁度不符合要求，有抛光留下的砂痕，都造成该部的应力集中。
吹振试验结果表明，正常叶片疲劳寿命为89min，类同故障叶片中的小圆角R和不圆者的疲劳寿命为30min和38min，其相差更大。
可见六级叶片断裂故障的主导原因为不符合设计要求，工艺质量差与降低寿命有关。
2.4结论
（1）压气机一级叶片断裂故障，属于共振疲劳损伤现象。
在ｎ=3500r/min时，由前面6个支柱造成的二次谐波激振频率与叶片一扭频率达成共振，造成疲劳断裂，这属于叶片本身设计上存在的问题。
（2）压气机六级叶片没有发现共振问题，叶片断裂主要是工艺未满足设计要求。
如:
排气边缘R小且不圆，造成应力集中，降低寿命；叶身表面粗糙，降低了疲劳性能；又使中叶片表面受腐蚀严重，也加速叶片的断裂。
2.5排故措施与效果
为预防和排除叶片断裂故障，采取了如下措施:
（1）严格工艺纪律和产品验收，保证叶片图纸设计要求和工艺规范。
（2）对库存叶片进行全面检查，对近70﹪的不合要求的叶片，进行认真的处理和返修。
（3）对一级叶片进行削角调频处理，如图2-6所示，叶片削角后将复合振型频率从C1＝3150Hz提高到C1＝3690Hz，增加538Hz，又相当于提高3.17﹪，这样就可避开高阶共振，使故障排除。
图2-6叶片削角部位图
（4）喷丸处理。
对叶片采用喷丸处理，大幅度提高了叶片的抗疲劳性能，使寿命增加，如表2-6所示。
表中选用了五片正常叶片和五片喷丸叶片，进行了吹振疲劳试验。
表2-6疲劳寿命对比值
正常叶片
喷丸叶片
号
振幅，mm
频率，Hz
寿命，min
号
振幅，mm
频率，Hz
寿命，min
112
6
638
94
311
6
631
220
113
6
609
42
312
6
616
245
114
6
598
30
313
6
629
280
115
6
680
35
314
6
615
260
116
6
601
33
315
6
625
265
显然喷丸处理叶片的疲劳寿命提高近5-6倍。
喷丸处理的叶片，其表面存有压应力，经测量一般为151～286MPa。
（5）叶片表面加涂漆工艺，使其增强防腐能力并提高使用寿命。
3涡喷七发动机压气机二级整流叶片裂纹故障
3.1故障分析
1970年国产涡喷七发动机首批六台在外场使用到首翻期100h返厂修理。
为掌握使用后情况，该厂对这六台发动机进行了详细了解，经荧光和着色检查发现，六台中有三台低压压气机第二级整流叶片叶高产生纵向裂纹，与此同时工厂注意对在修理中有17台苏制发动机进行检查，也发现二台二级整流叶片裂纹，裂纹情况如图3-1所示。
图3-1裂纹情况
（裂纹位置尺寸为11片裂纹叶片平均值）
后来修理对二级整流叶片裂纹故障继续统计到1971年末，国产发动机又发现二台，苏制发现三台，现将九台发动机工作时间﹑二级整流叶片裂纹情况于表3-1中。
表3-1裂纹统计表
产国
发动机号
工作时间
裂纹叶片数
中国
×××003
×××016
×××011
×××012
99min36s
115min01s
69min15s
99min24s
2片
5片
3片
7片
苏联
×××135
×××006
×××131
×××002
×××010
149min00s
68min29s
93min13s
139min50s
174min30s
11片
2片
5片
18片
29片
3.2金相检查
二级整流叶片材料是1Cr11Ni2W2MoV,模锻件。
淬火温度为1010±10℃。
在普通箱式电炉加热1～1.5h,保温50～60min，油冷。
回火温度为560～600℃，在普通箱式电热炉加热3.5～4h,空冷，硬度为d=3.15～3.45。
二级整流叶片裂纹规律性很强，均发生在叶盆Ⅳ～Ⅴ截面处，距排气边平均约为17.5mm，如图3-2所示。
图中叶片为自叶片上端锯掉，叶片断口为典型的疲劳性断口，疲劳源在腐蚀坑处。
见图3-3。
图3-2裂纹部位图
图3-3疲劳源
3.3动应力试验
动应力试验是将被测叶片按原发现的叶片裂纹位置装配并在叶片裂纹方向垂直方向上贴有应变片，如图3-5所示。
由于是整流叶片，可以将寻找故障原因的原型叶片和排故的改进叶片试验件一起装焊到第二级整流器上，在发动机台架上开车试验，以寻找厡叶片危险振动应力﹑振动频率和相应的发动机工作转速。
在发动机常用转速范围内，不允许叶片有规律性的危险振动。
改进件就是要达到这种要求。
3.3.1动应力试验贴有应变片试件
（1）原型叶片:
寻找故障原因
（2）改进叶片:
采取最简单最容易最能实现的方法，对叶片各截面型作不同程度的增厚，以增加叶片刚性，改变叶片自振频率，试图避开共振。
其改进方法有:
A.Ⅰ方案:
单面最大增厚0.2mm
B.Ⅱ方案:
单面最大增厚0.3mm，见图3-6所示。
图3-6Ⅱ方案叶片
（3）在叶片下安装板增加焊点:
在两片原型叶片第一次应力试验取得结果的基础上，对该两片原型叶片的下安装板将原有两个焊点增加到四个焊点，如图3-7所示。
试图增加刚性，提高叶片自振频率，避开共振，以解决外场使用寿命期满的发动机修理问题。
图3-7增加焊点方案
3.3.2动应力试验结果分析
动应力试验结果详见表3-2。
由于在整流叶片上叶盆根部空间很小又呈现凸面，贴片条件太差，故叶片盆B点未贴，A点贴片也不牢固，测得数据少，但也可作为对比参考用。
叶背贴片条件较好，测得数据较多。
在叶片振动时，从A背﹑A盆同时测得的数据看，叶盆振动应大于叶背[σ叶盆≈（1.14～1.35）σ叶背]，由此可推断出叶盆实际振动应力比表中列出的要大得多。
此外还可以看出:
（1）原型叶片在87～90.2﹪n1标（n1＝9700～10057r/min）时，出现共振，振动频率在8748～9103Hz范围，应力在118～203.5MPa。
（2）将原型叶片下安装板由两个焊点增加到四个焊点，没有改变二级整流叶片的自振频率，仍在86.9～90﹪n1标（n1＝9689～10035r/min）时，出现共振，振动频率为8606～8946Hz范围，应力在131～219.8MPa，增加焊点的办法没有结果。
（3）改进叶片
A.Ⅰ方案（单面最大增厚0.2mm），试验结果表明，自振频率提高了，共振转速应相应提高了9786.9～97.4﹪n1标（n1＝10810～10860r/min），振动频率在9689～9985Hz范围，应力在94.2～142.4MPa。
此方案未能排除叶片共振。
B.Ⅱ方案（单面最大增厚0.3mm），试验结果表明，由于叶片刚性增加显著，叶片自振频率增加较多，此时共振转速已提高到100.3﹪n1标（11183r/min），振动频率为10016Hz，振动应力已降至55.4MPa，排除振动故障效果较明显。
可在此方案基础上将叶片型面由简单的均匀增厚改为叶型最大厚度增加后按照一定的叶型（例如BC-6叶型）造型的办法来改进叶片设计，使自振频率提高更多，共振转速更远离工作转速，彻底解决叶片振动裂纹故障。
3.4共振特性分析
二级整流叶片的激振源，主要来源于二级转子叶片的燃气尾流激振，二级转子叶片为53片，共激频率在最大转速时为
fB=Kn=53×11150/60=9849Hz
该激振频率与整流叶片固有频率相接近，使叶片产生共振，导致疲劳裂纹。
3.5结果分析
早在60年代初夏制涡喷七发动机资料时，二级整流叶片设计图纸规定材料为1Cr11Ni2W2MoV的模锻件，但从工艺资料上发现，原来是采用ZGCr17Ni2铸件。
从原来选材上看，一级整流叶片（五片空心叶片除外）和二级整流叶片至今仍是ZGCr17Ni2铸件，二级整流叶片选用铸件是合乎逻辑的。
据分析，是该苏机在使用中发生过叶片裂纹故障，最简单易行的办法是改用好的材料并将铸件改为模锻件。
但是，这样的更改没有从叶片产生裂纹的根本原因去解决，因此，叶片裂纹也就得不到最终排除。
通过动应力试验表明，二级整流叶片裂纹是由于上装有53片的二级转子叶片，尾迹激振与叶片本身的自振频率相合拍引起共振所致。
振动应力又相当大，发动机在外场实际使用中其气流进口流场远比地面台架要不均匀得多。
这样，激振能量会大大增加，叶片所产生得振动应力远比地面台架试验时要大得多。
1Cr11Ni2W2MoV材料强度和韧性都比较好，但耐腐蚀能力较差，在沿海地区使用，容易产生红色斑点腐蚀。
如果这些腐蚀坑在叶片振动大应力区附近就形成了薄弱环节，成为疲劳源，裂纹就从此开始发生发展。
裂纹多数没有裂透，只有个别裂透的。
但是，即使裂纹叶片如此之多（最多的一台裂纹29片，该级为72片），也有个别裂透的，但从没有发现叶片裂纹发展到掉块现象。
这是由于叶片随着裂纹发生和发展而伴随着自身自振频率相应发生变化，频率下降，于是裂纹叶片自振频率与激振力频率由合拍共振逐渐相脱离，于是振幅逐渐减小，振动应力逐渐下降，叶片裂纹发展越来越慢。
这就是二级整流叶片只发生裂纹未发生掉块现象的原因。
3.6改进及措施
正当我们根据动应力试验结果又作了进一步改进并已加工出一台份试验件时，决定该机转产到011。
当时也将试验件一同转去。
稍后，001参照苏“2C”发动机的二级整流叶片更改了设计，2C型叶片尺寸图见图3-8.各叶型截面最大厚度相对原型叶片都有比较大的增加（8.6～18.2﹪，Ⅳ～Ⅴ截面增加10.1～12.1﹪）旋长相对原型叶片缩短较多（6.72～8.93﹪，Ⅳ～Ⅴ截面缩短8.77～8.44﹪），这样使叶片自振频率提高很多，大大远离发动机全部工作转速范围内二级转子叶片尾迹可能产生的共振。
图3-82C型叶片尺寸图
4涡喷七发动机压气机二级叶片叶尖掉块故障
二级叶片叶尖掉块故障，属于高阶振型疲劳损伤现象，其改进方案之一，是苏联改型加厚的叶片（2C型叶片），以代替原型叶片。
加厚叶片各阶固有频率都有所提高，避开了主要共振转速。
4.1故障现象
二级原型叶片的叶尖掉块，主要发生在叶尖进气边缘处，有的裂纹，有的断裂，如图4-1所示。
叶片裂纹自边缘朝水平方向向内延伸，转以45°斜角向叶尖部发展，直到断裂。
断口呈高周疲劳特征，从断口特征与走向，可初步判定叶片为高阶振型引起的共振疲劳。
图4-1叶片断裂部位图
4.1.1故障叶片的分布
自1978年到1984年间出厂使用发动机，其二级叶片断裂情况，如表4-1所示。
表4-1叶片断裂情况统计表
号
类型
检修时间
故障
叶片数
备注
1
WP-7乙
16h3min
掉块
1
南宁
2
WP-7乙
93h18min
掉块
2
宁波
3
WP-7
66h30min
掉块
1
某师
4
WP-7
142h
掉块
1
4.1.2故障特点
（1）掉块故障均出现在外场使用的发动机上。
（2）服役的发动机出现掉块故障的机率很小，但大多数出现在翻修后的发动机上。
（3）故障发动机，仅有一片叶片掉块，最多出现二片。
（4）叶片断口具有明显的疲劳特征，疲劳源区有的叶片进气边，有的在叶片顶端。
（5）故障叶片进气边
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