航空发动机修理技术第三章典型零件故障分析

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1、叶片的调频法 叶片的调频是从内因着手，改变叶片的自振 频率,以避开共振。调频对解决共振疲劳较为有 效，对于解决颤振问题也有一定的效果。 叶片调频可以使叶片自振频率调高，也可以 调低，一般使叶片频率调高为好。因为在同样激 振力作用下，叶片频率高，意味着刚性好，振副 小振动应力就相应变小。 叶片自振频率计算： f K a EJ M l 2 F 调频就是改变上述中各参数以改变自振频率值
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叶片的共振疲劳损坏还必须具备两个条件，即需要达到一定交 变应力6，还需要振到一定的时间，即循环次数n。通常对材料 进行疲劳实验可以获得疲劳寿命线。
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3、颤振疲劳 颤振疲劳是由于叶片产生颤振所引起，颤振 疲劳又称为低循环次数的疲劳，以此区别于高循 环次数的共振疲劳，颤振疲劳寿命n≤104以下。 叶片出现颤振其特点是，大振幅,大振动应力，低 循环疲劳寿命并伴随有“哨叫”声。这种大振幅，， 大应力幅下的振动，使叶片材料已进入弹塑性变形， 加速了叶片疲劳的扩展速度，也加速了叶片的疲劳损 伤，致使叶片在很短时间内产生严重裂纹甚至断折。
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对某一级涡轮叶片裂纹的故障分析，其裂纹产生 的部位与形式如图3-7所示有： ①叶片进气边缘横向裂纹，多位于近叶根部， 裂纹向叶身发展，出现者较多，多为单条裂纹。 ②叶片排气边缘横向裂纹，同上，产生在1/21/3叶高之间。 ③叶背中部，近于叶根和距叶根20%叶高处。 ④叶尖纵向裂纹，有时为数条，多由于热疲劳 所引起。 ⑤叶身排气边缘，穿透性裂纹，位于高温区。
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2、表面腐蚀 叶片的表面腐蚀主要指的是化学腐蚀与燃 气高温腐蚀。某压气机叶片，在沿海地区执行 任务时，大量产生了表面化学腐蚀现象。严重 腐蚀的叶片，使表面质量疏松和有较深的松孔， 叶片强度大大下降，同时叶片的疲劳寿命也大 大降低。例如某铝叶片，在中等腐蚀情况下， 其疲劳寿命较未腐蚀的叶片下降一半以上。 燃气高温疲劳腐蚀主要是对涡轮叶片而言， 燃气高温腐蚀后，叶片表面多出现麻、坑、有 时这些麻坑形成了叶片的疲劳源。
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l、强迫振动疲劳 叶片工作时一直受有强迫激振力的作用， 只是激振力有大有小，频率或高或低。 一般情况在小激振力作用下，叶片具有较 小的振动应力，即使在很高的循环次数下面， 叶片也不致于疲劳损坏。 振动系统在周期性的外力作用下，其所发 生的振动称为受迫振动
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第一节
压气机叶片振动故障分析
叶片故障占总故障的20%左右，叶片故障 的主要类型有：外来物打伤，表面腐蚀，应力 腐蚀，应力破坏，热疲劳和振动疲劳损伤等。 其中以振动疲劳损伤故障出现得最多，最为严 重。
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1、外来物打伤 空气流入发动机时，往往会带进灰来，砂石和杂 质等这些物质随高速气流直接冲击时片，使叶片表 面产生缺口、压痕、划伤或裂纹等：造成叶片的局 部应力集中。因此，叶片一旦出现振动以后，使叶 片的振动应力增大，加速了叶片的疲劳损伤。 外物打伤主要是威胁着压气机叶片，前几级尤为 严重，多发生在叶片的前缘附近。外物打伤造成的 伤痕，如果落在叶片最大应力区域内，更加重了其 危害性。
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②某机一级叶片曾在低转速与高转速下分别出现 振动疲劳损坏。
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③某机压气机一级叶片还出现叶片颤振故障，该 机在低空大速度飞行，高空大马赫数飞行以及升 限以后，压气机叶片都曾在很短时间内发生过裂 纹和折断的故障。
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2、共振疲劳 叶片的共振疲劳是所研究的重点，发动机中 绝大多数叶片都是共振疲劳损伤故障。叶片共振 时，振幅很大，叶片内部产生较大的振动应力。
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共振疲劳的断口特征是，疲劳裂纹表面有一个 疲劳源，这个疲劳源可以在叶片截面最大应力处， 或者是近于最大应力区由叶片表面缺陷所引起。疲 劳源形成后，自源点向外发展形成贝壳形的疲劳环 （有的也称为海滩形疲劳环）。 《 航空发动机结构与原理 》
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三、故障的排除 根据引起故障的原因，选择合理的排故方 法，大体说来，一般分为针对性排故，加改 装排故和预防性提高材料性能防止故障的出 现或延长工作寿命的方法排故。 1、针对性排故 叶尖擦伤修复工艺：化学剥离内部防护涂 层，焊接修补叶尖；7检查内部裂纹，重新喷 涂以及对单个叶片进行气流量检验。吹砂剥 离外部涂层，采用钎焊减小空气孔流道面积。
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叶片振动故障绝大多数都是振动疲劳损伤， 叶片断面呈现疲劳断口的特征。据统计现有使 用中的发动机，几乎所有级的叶片都发生过振 动疲劳损伤故障。故障叶片以转子叶片为多， 静子叶片为数较少。振动疲劳损伤可以产生发 丝、裂纹、甚至折断，有的叶片折断后，断片 打穿机匣飞出，或者随气流方向后方打伤其它 零件，并造成严重的飞行事故等。
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l、故障叶片断口组织，剖开带裂纹和损坏的叶片，进行断口 分析，发现破坏是由高、低周循环疲劳造成，有较清晰条纹。 裂纹起始于叶背、壁面及喷咀中心冷却孔与平台以23-25毫米 韵内部前缘交线上。还有的裂纹出现在叶背与叶盆的鱼鳞状 孔处。 2、金相分析对未经修理和修理过的叶片冀展方向和弦向横 截面断口分析表明，许多二次裂纹出现在涂层及内外叶片壁 面冷却孔薄边及交界地方。裂纹经常穿透到叶片材料中去。 3、故障主要由前缘冷却孔的高、低循环疲劳引起的。前缘 壁厚不足，前缘气流、反流裕度、回旋气流和叶背前缘壁厚， 都是故障发生的四个关键参数。 4、工作时，叶片在离心力的作用下拉长，造成机匣与叶片 擦伤。． 5、叶片的振动故障（上节已述）。 6、高温燃气腐蚀，使叶片表面出现很粗糙的麻坑现象。 7、热腐蚀、热疲劳、叶背出现细小成片的龟裂现象。
3、预防性修理 防止叶片出现过热损伤、热疲劳、高温燃气腐蚀等故障的产生，采 用提高材料的抗热性能，抗疲劳性能和抗高温燃气腐蚀性能。在大 修中，对涡轮叶片全部进行真空等离子法喷涂扩散涂层，即Ni-CIAl-Y系涂层。四元共渗后的涡轮叶片，塑性大大提高耐热性及其他 工作性能都有所提高，耐热稳定性好。耐热达1200℃，工作寿命达 500小时。
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5、热疲劳损伤 热疲劳损伤多发生于涡轮叶片，叶片受到时 冷时热高变温度场的作用，使叶片热疲劳。热疲 劳损伤部位多位于叶片进排气边缘，通常以横向 裂纹为多，有纵向裂纹。裂纹较细多呈发纹状， 条数多集中于一个区间。裂纹为沿晶裂纹与应力 破坏现象相类同。
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介绍金属处理四火： ①淬火：加热到相变点温度以上后，急剧冷却的工 艺。提高材料的硬度，但降低韧性。 ②正火：加热到相变温度以上后，正常冷却（空气 中）。 ③退火：加热到相变点温度以上后，缓慢冷却。消 除淬火影响，消除应力，均匀成分。
④回火：淬火后，再加热到某一温度（低于淬火温 度），保温，然后冷却。均匀成分，稍降低硬度， 大幅度提高韧性。
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3、应力腐蚀 应力腐蚀是指叶片加工过程或热处理过程留在 叶片上的残余应力，在发动机工作时,由于空气中 水份等渗透到材料晶界中，导致叶片产生腐蚀裂纹。 尤其是对含有盐份较大的空气中，更加剧了应力腐 蚀现象。
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4、应力破坏 应力破坏是因叶片强度不足而造成的破坏。单 纯应力破坏的叶片发动机上确实很少见。因为叶片 在设计时，都留有足够的安全裕度。个别发动机是 有因短时间的超转、超温，而导致叶片强度不足损 坏的理解。 应力破坏断口是产生在最大应力区，呈现沿晶 裂纹，表面粗糙，明显的断裂现象
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第三节
涡轮盘裂纹故障
涡轮盘分为盘体和榫头两部分，盘体是指 从园心到完整的最大园周部分，榫头为盘外端 的纵树形部份。 一、裂纹现象 l、榫头裂纹 纵树形的榫头，因结构、工艺、受力、高温、 高速、高压、热疲劳、热腐蚀等因素引起的裂纹 最多，裂纹一般从最外榫齿开始，逐渐向轮心各 齿发展。
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2、涡轮叶片的振动故障现象 涡轮叶片是处于高温燃气的包围下工作， “热”使叶片工作条件变坏，同时由于涡轮叶片 在设计时留有安全系数较小，所以叶片一经振动， 就会产生很大的振动应力，很快造成叶片的疲劳 裂纹或者折断。
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第三章 发动机典型故障分析
轮喷气发动机中，压气机部件与涡轮部件的叶片，分为 转子叶片和静予叶片，转子叶片又称工作叶片，静子叶片 又称导向叶片。 压气机叶片主要是对流入的气体进行加功增压，使压 气机达到一定增压比。一般前几级叶片接近零度，后几级 叶片温度高达200. 300℃。 涡轮叶片主要是将高能的燃气转化为机械功，驱动涡 轮转子而带动压气机转子旋转。一般叶片温度在8001200℃的燃气包围下工作。 转子叶片与静子叶片所处的工作环境和条件基本相同。 高温、高速、高压的工作条件以及悬臂结构，将产生离心 负荷、气动负荷、热负荷以及振动负荷的作用，然而出现 了拉应力、弯扭应力和振动应力。所以叶片是发动机一个 典型的故障多发零件。