陳秋敏，周建鑫，方 騰，洪 兵

（1.中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，成都 610503；2.空裝成都局某軍事代表室，成都 610503）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片在高溫燃?xì)獍鼑鹿ぷ?，承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的離心力、氣動(dòng)力、熱應(yīng)力及振動(dòng)負(fù)荷，同時(shí)在高溫燃?xì)獾臎_擊下易于腐蝕。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工況不斷變化，葉片還得經(jīng)受冷熱疲勞，所以是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最為惡劣的零件之一。很多發(fā)動(dòng)機(jī)特別是比較先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪工作葉片常采用帶冠配合的干摩擦阻尼結(jié)構(gòu)，以提高渦輪效率和改善振動(dòng)問(wèn)題。原因是葉片采用帶冠結(jié)構(gòu)后，可以減少葉尖漏氣，降低二次損失，提高效率；同時(shí)相鄰葉片的葉冠抵緊后可以減小葉片的扭曲變形和彎曲變形，增強(qiáng)葉片的剛性，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下，相鄰葉片葉冠間產(chǎn)生摩擦可以吸收振動(dòng)能量，從而起到減振作用。

葉冠接觸設(shè)計(jì)不合理、加工工藝一致性較差原因?qū)е氯~輪初始緊度不夠、發(fā)動(dòng)機(jī)工作中振動(dòng)及熱負(fù)荷較大等情況，均會(huì)導(dǎo)致在多種載荷作用下，葉片之間不能持續(xù)保持合適的配合緊度狀態(tài)，在振動(dòng)干摩擦作用下造成配合面逐漸損傷，隨著試車過(guò)程持續(xù)松動(dòng)并進(jìn)一步加速磨損。對(duì)于某型長(zhǎng)壽命發(fā)動(dòng)機(jī)，采用緊度配合的葉冠出現(xiàn)磨損是發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)可能出現(xiàn)的故障，在允許的磨損量范圍內(nèi)可采用增材修復(fù)的方式恢復(fù)尺寸，但應(yīng)避免在首翻壽命期內(nèi)提前出現(xiàn)配合面的嚴(yán)重磨損或者磨損尺寸超出修理范圍的情況，造成發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)偏大、密封性能下降，甚至葉輪整體松動(dòng)、葉片斷裂故障，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)安全。

1 異常磨損現(xiàn)象

某型發(fā)動(dòng)機(jī)首翻壽命試車期間，低壓Ⅰ級(jí)渦輪葉片葉冠接觸面磨損，磨損面損傷程度不一，相鄰葉片葉盆、葉背配合面磨損凹凸形態(tài)呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)嚙合關(guān)系，磨損量超出設(shè)計(jì)圖下限，典型損傷葉片外觀如圖1所示。

理化分析結(jié)果：葉冠封嚴(yán)齒工作過(guò)程中配合面為干磨，導(dǎo)致葉冠封嚴(yán)齒局部產(chǎn)生黏著磨損，使得表面溫度較高發(fā)生變色，產(chǎn)生黏著磨損。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

低壓Ⅰ級(jí)渦輪葉片材料為鑄造高溫合金，葉冠采用鋸齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)上采用葉冠預(yù)扭轉(zhuǎn)，預(yù)扭轉(zhuǎn)角度（α角度）在葉輪裝配后回轉(zhuǎn)，使葉冠接觸面壓緊，葉冠接觸面與軸線平面的夾角（β角度）、接觸面弦長(zhǎng)尺寸（A尺寸）均是與葉冠接觸緊度和接觸狀態(tài)有關(guān)的尺寸，共同增加葉冠接觸面積，在接觸面上產(chǎn)生足夠的過(guò)盈量和壓緊力。葉冠接觸面設(shè)計(jì)時(shí)裝配緊度太小，會(huì)增大振動(dòng)和加速磨損，緊度太大會(huì)導(dǎo)致擠壓應(yīng)力過(guò)高，影響葉片壽命。

2.2 接觸面工作狀態(tài)

2.2.1 接觸面積和接觸應(yīng)力

本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各工作狀態(tài)下的配合面接觸和壓緊力進(jìn)行分析，驗(yàn)證葉冠接觸面設(shè)計(jì)合理性。低壓Ⅰ級(jí)渦輪葉片裝配狀態(tài)下的A尺寸面接觸情況分析結(jié)果如圖2—圖6所示。圖3可見裝配狀態(tài)下為面接觸，接觸面積大約為80%；圖5可見最大轉(zhuǎn)速狀態(tài)下接觸面積增大至90%以上。因此在設(shè)計(jì)理論值條件下，裝配后的相鄰葉片為面接觸壓緊狀態(tài)，參照相關(guān)文獻(xiàn)分析結(jié)果，實(shí)際接觸面積大于工作面總面積的60%，防止局部接觸應(yīng)力過(guò)大和磨損嚴(yán)重。

其他各級(jí)渦輪葉片葉冠結(jié)構(gòu)類似，葉身逐級(jí)加長(zhǎng)，通過(guò)計(jì)算分析，得到高壓Ⅱ級(jí)、低壓Ⅰ～Ⅳ級(jí)渦輪葉片在裝配狀態(tài)下各級(jí)葉片接觸面積呈遞減趨勢(shì)，葉冠接觸面的接觸應(yīng)力分布結(jié)果見表1。

表1 各級(jí)帶冠葉片應(yīng)力值

高壓轉(zhuǎn)速較大，高壓Ⅱ級(jí)渦輪葉片相較于低壓渦輪葉片接觸應(yīng)力水平相對(duì)較高，平均應(yīng)力為49.84 MPa，最大應(yīng)力為205.97 MPa。

在低壓轉(zhuǎn)速下，低壓Ⅰ級(jí)渦輪葉片最短，葉冠接觸面的平均應(yīng)力裝配狀態(tài)的平均應(yīng)力（31.64 MPa）也為各級(jí)中最小。選取裝配、慢車、額定及起飛狀態(tài)（最大狀態(tài)）等不同轉(zhuǎn)速下的多個(gè)狀態(tài)，分別展開計(jì)算，得到工作狀態(tài)各轉(zhuǎn)速下接觸面的應(yīng)力水平變化不大，其中最大狀態(tài)的平均應(yīng)力最小，其值為23.78 MPa，低壓Ⅰ級(jí)渦輪葉片葉冠接觸面平均應(yīng)力與工作轉(zhuǎn)速關(guān)系職如圖7所示。

對(duì)于低壓Ⅰ～Ⅳ級(jí)渦輪葉片而言，在裝配狀態(tài)下，葉片的長(zhǎng)度、扭轉(zhuǎn)角逐級(jí)增大，裝配過(guò)盈量也隨之逐級(jí)增大，計(jì)算結(jié)果顯示，接觸面積比例逐級(jí)減小，而裝配狀態(tài)和最大狀態(tài)下接觸面的平均應(yīng)力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。裝配狀態(tài)各級(jí)葉片接觸面積、接觸面平均應(yīng)力和最大狀態(tài)下各級(jí)葉片接觸面平均應(yīng)力分別如圖8—圖9所示。

2.2.2 振動(dòng)特性分析

對(duì)低壓Ⅰ級(jí)渦輪葉片振動(dòng)特性進(jìn)行計(jì)算分析，在工作轉(zhuǎn)速內(nèi)，1～6階頻率不存在與轉(zhuǎn)速相關(guān)的共振點(diǎn)，如圖10所示。

2.2.3 小結(jié)

出現(xiàn)異常磨損的低壓Ⅰ級(jí)渦輪葉片葉冠裝配接觸狀態(tài)為面接觸，接觸面積約為85%；發(fā)動(dòng)機(jī)最大工作狀態(tài)時(shí)接觸面能達(dá)到90%，在發(fā)動(dòng)機(jī)各狀態(tài)下葉冠接觸面能夠持續(xù)保持足夠的接觸面積和配合緊度，且整體應(yīng)力水平較低；通過(guò)計(jì)算1～6階振動(dòng)頻率，工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不存在與轉(zhuǎn)速相關(guān)的共振點(diǎn)。因此葉片的結(jié)構(gòu)、尺寸、頻率等設(shè)計(jì)合理。

3 異常磨損機(jī)理分析

在設(shè)計(jì)狀態(tài)正確合理的前提下，結(jié)合理化分析結(jié)果為配合面產(chǎn)生黏著磨損，應(yīng)考慮葉片加工尺寸、葉輪裝配狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作熱負(fù)荷和振動(dòng)是否超出規(guī)定要求。

3.1 葉片尺寸和裝配狀態(tài)

葉片加工和裝配工藝及過(guò)程影響最終成品尺寸、裝配和工作狀態(tài)。該批葉片為改進(jìn)前工藝加工，葉冠A尺寸、L尺寸、葉冠預(yù)扭轉(zhuǎn)角α等均是通過(guò)葉身六點(diǎn)定位澆注方箱，將葉身鑄造基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到方箱表面作為機(jī)加基準(zhǔn)，再通過(guò)翻轉(zhuǎn)方箱實(shí)現(xiàn)尺寸磨削加工；檢測(cè)時(shí)同樣以方箱表面為基準(zhǔn)進(jìn)行尺寸測(cè)量或依靠工裝設(shè)備保證尺寸合格。存在加工工藝基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化、最終裝配基準(zhǔn)和檢測(cè)基準(zhǔn)不完全一致情況。

葉輪裝配后葉冠裝配間隙不均勻、整圈端面不平整，存在臺(tái)階差，導(dǎo)致實(shí)際接觸面積比設(shè)計(jì)理論條件下偏小，分析認(rèn)為這些現(xiàn)象均與葉冠尺寸加工工藝基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、加工一致性較差有關(guān)。裝配前未進(jìn)行葉冠尺寸選配以嚴(yán)格確保初始緊度和各個(gè)葉片的配合均勻性，導(dǎo)致整圈葉片之間存在受力不均勻情況。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)

首翻壽命試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值未超出限定要求，試車過(guò)程中振動(dòng)未發(fā)生較大變化，振動(dòng)變化趨勢(shì)如圖11所示。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)工作熱負(fù)荷

為確保性能可靠，某型發(fā)動(dòng)機(jī)確定了三個(gè)起飛狀態(tài)下的渦輪后燃?xì)鉁囟龋ㄅ艢鉁囟龋┫拗浦?，限制溫?為初裝出廠排氣溫度，對(duì)應(yīng)計(jì)算低壓Ⅰ級(jí)渦輪葉片前緣溫度802℃；限制溫度2為無(wú)引氣條件下確定的排氣溫度限制值，對(duì)應(yīng)計(jì)算低壓Ⅰ級(jí)渦輪葉片前緣溫度850℃，限制溫度3為有引氣條件下確定的更高的排氣溫度限制值，對(duì)應(yīng)計(jì)算低壓Ⅰ級(jí)渦輪葉片前緣溫度890℃。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)過(guò)程中起飛狀態(tài)總工作時(shí)間的68.56%在排氣溫度限制溫度2以上，其中0.96%時(shí)間已經(jīng)達(dá)到限制溫度3以上。經(jīng)換算，首翻壽命試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)已完成相當(dāng)于外場(chǎng)翻修壽命的循環(huán)數(shù)，但起飛狀態(tài)時(shí)間約為外場(chǎng)翻修壽命期的3倍，額定狀態(tài)時(shí)間為7.9倍。

從材料手冊(cè)可知該材料的溫度-抗拉強(qiáng)度曲線可以看出，低壓Ⅰ級(jí)渦輪葉片的材料在800℃以內(nèi)時(shí)強(qiáng)度持續(xù)穩(wěn)定在σb=1 020 MPa，超過(guò)該溫度后，性能開始急劇降低。首翻壽命試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際起飛狀態(tài)、額定狀態(tài)時(shí)間已超過(guò)實(shí)際配裝飛機(jī)外場(chǎng)翻修壽命的使用載荷，起飛狀態(tài)對(duì)應(yīng)的低壓渦輪進(jìn)口溫度最高達(dá)到890℃，預(yù)計(jì)在地面起飛狀態(tài)比外場(chǎng)實(shí)際使用同狀態(tài)下低壓渦輪進(jìn)口溫度高46℃。同時(shí)實(shí)際空中巡航時(shí)排氣溫度比地面溫度更低，外場(chǎng)實(shí)際使用過(guò)程中低壓渦輪進(jìn)口溫度負(fù)荷低80～90℃。

因此首翻壽命試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起飛狀態(tài)和額定狀態(tài)排氣溫度較高的原因有2個(gè)方面，一是本臺(tái)試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)在檢驗(yàn)試車時(shí)起飛狀態(tài)排氣溫度已經(jīng)超過(guò)限制溫度1以上10.9℃，后續(xù)首翻壽命試車過(guò)程中溫度持續(xù)偏高；二是試車過(guò)程中引氣量較大，使得發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于較高負(fù)荷下工作，加劇了排氣溫度的上升。

對(duì)比首翻壽命試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起飛狀態(tài)時(shí)間和實(shí)際外場(chǎng)使用負(fù)荷，首翻壽命試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)考核試車過(guò)程溫度較高、時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致材料強(qiáng)度性能急劇降低；外場(chǎng)實(shí)際使用的某臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度正常，其材料強(qiáng)度性能處于800℃轉(zhuǎn)折段。因此首翻壽命試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)葉冠接觸面在材料強(qiáng)度性能較低狀態(tài)的工作時(shí)間太長(zhǎng)，促使葉冠磨損程度嚴(yán)重且磨損速率較高。

4 結(jié)論與建議

綜合磨損機(jī)理分析、結(jié)構(gòu)分析、工藝過(guò)程及發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用情況對(duì)比，得出渦輪葉片葉冠異常磨損的原因有以下幾個(gè)方面。

（1）改進(jìn)前工藝加工的葉片為葉身定位加工榫頭和葉冠，加工基準(zhǔn)、檢測(cè)基準(zhǔn)、裝配基準(zhǔn)不一致，存在葉片加工一致性較差問(wèn)題。

（2）未進(jìn)行葉冠尺寸終檢，且在裝配前未選配葉片（過(guò)盈量由合格葉片保證），導(dǎo)致部分葉片裝配后存在葉輪的初始緊度可能不足、裝配均勻性較差問(wèn)題。

（3）首翻壽命試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)試車溫度負(fù)荷明顯高于外場(chǎng)，起飛狀態(tài)和額定狀態(tài)試車時(shí)間長(zhǎng)，葉片長(zhǎng)期工作在材料性能急劇下降的溫度以上，材料耐磨損性能下降，在振動(dòng)沖擊作用下磨損加劇。

為避免在翻修期內(nèi)提前出現(xiàn)較嚴(yán)重的葉冠磨損和松動(dòng)，可采取以下措施。

（1）開展葉片加工工藝改進(jìn)后的驗(yàn)證，加工榫頭后，夾持榫頭加工葉冠裝配面，確保加工基準(zhǔn)與裝配基準(zhǔn)一致。

（2）增加成品葉片葉冠尺寸復(fù)測(cè)，按照榫頭作為定位裝夾基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，確保測(cè)量基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)一致。

（3）選配葉片葉冠尺寸，保證葉輪狀態(tài)葉冠初始緊度滿足要求，且葉冠裝配一致性較好、葉輪整體受力均勻。

（4）結(jié)合大修用發(fā)動(dòng)機(jī)使用驗(yàn)證情況，開展配合面耐磨涂層噴涂/耐磨合金焊接研究。

（5）從加工、裝配、試車使用各方面持續(xù)開展發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度影響因素分析和控制技術(shù)研究，從降低溫度負(fù)荷方面改善葉冠異常磨損問(wèn)題。