航空发动机涡轮叶片失效分析与诊断技术研究

航空发动机涡轮叶片精密成型技术分析

摘要：航空发动机技术复杂且难以制造。世界上只有几个国家可以完成航空发动机的设计和制造。中国不断发展航空发动机的设计和制造，以提高自身的制造水平。空心涡轮叶片是高性能航空发动机的主要部件之一，制造困难长期以来一直给中国的制造公司带来麻烦。通过分析空心涡轮叶片的结构特性，分析和解释空心涡轮叶片的精密成型技术。

关键词：空心涡轮叶片；精密成型技术；精密铸造

前言

空心涡轮叶片是高性能航空发动机的关键组件，由于对精度的要求和制造困难，我们无法批量生产空心涡轮叶片。为了提高空心涡轮叶片的制造合格率，我们将从叶片精密铸造的“形状控制”和“可控制性”两个方面出发分析空心涡轮叶片的精密铸造工艺，以提高叶片精密铸造的质量。需要

1空心涡轮叶片的精密铸造技术

现代飞机发动机正朝着高推进力和低油耗的方向发展。为了实现这一目标，当今世界上的主流方法是提高航空发动机涡轮的进气温度。发动机涡轮的当前入口温度已经很高。随着温度的不断升高，发动机涡轮叶片的温度达到1880℃±50℃，为了解决这个问题，目前的涡轮叶片主要用于复合膜冷却的单晶空心涡轮叶片（称为空心涡轮叶片）。由于结构的复杂性和材料的特殊性，熔模铸造工艺主要用于制造空心涡轮叶片，但由于精度低，产量低，该工艺存在使空心涡轮叶片具有高性能的问题。有。通常，当今的空心涡轮叶片精密铸造的产率约为10％，其中约90％的废叶片的形状和尺寸偏差约为50％，而重结晶缺陷约占25％。主要原因是铸造缺陷。为了提高空心涡轮叶片的制造成品率，有必要解决“形状控制”和“铸造控制”两个问题：精密铸造后的尺寸精度和复合材料性能。

空心涡轮叶片的工艺复杂且难以制造：粗略的制造过程如下：首先，使用模芯来完成空心涡轮叶片精密铸造所需的陶瓷芯，并且陶瓷芯是空心的填充零件。用来。随后，使用蜡模工艺在芯的外层上制备涡轮叶片蜡模，然后通过烧结注射成型和其他工艺来制造空心涡轮叶片粗糙毛坯。在粗坯的基础上，完成后续步骤，直到准备好空心涡轮叶片为止。过去，在空心涡轮叶片的制造过程中，复合材料是在高温下容易损坏的等轴晶体结构，并且随着材料技术的发展，叶片中使用的复合材料已转变为新型的单晶基材料。它具有耐高温性，大大提高了空心涡轮叶片的产量。如今，液态金属冷却方法主要用于空心涡轮叶片的精密铸造工艺中。

２００７年２月　第２卷第１期　失效分析与预防　Ｆｅｂｒｕａｒｙ。２００７　Ｖｏ１．２，Ｎｏ．１　

某航空发动机第三级涡轮叶片失效分析　

王红，左华付，何训，林奇辉，胡祥松　（中国南方航空工业责任有限公司，株洲４１２００２）　［摘要】　本文对某型号航空发动机ＧＨ４０３３第三级涡轮叶片榫头裂纹及断裂失效进行了分析，确定了失效模式为两类，　第一类为蠕变疲劳裂纹，第二类为起始应力较大的高低周复合疲劳断裂。研究发现ＧＨ４０３３合金屈服强度偏低、晶界强化　能力不足是叶片发生蠕变疲劳开裂的主要原因。而叶片的高低周复合疲劳断裂则主要与个别相邻叶片的叶冠间隙偏大引　发的高振动弯曲应力及Ｒ处加工刀痕引发的应力集中有关。最后提出了预防叶片发生该类失效的措施。　［关键词】涡轮叶片；ＧＨ４０３３；大应力疲劳；蠕变疲劳；失效　【中图分类号】　Ｖ２３１．９５　【文献标识码］　Ａ　【文章编号】　１６７３—６２１４（２００７）０１．．００２４－０５　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　３ｒａ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｂｌａｄｅ　ｏｆ　Ａｅｒｏ．ｅｎｇｉｎｅｓ　ＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇ，ＺＵＯ　Ｈｕａ—ｆｕ，ＨＥ　Ｘｕｎ，ＬＩＮ　Ｑｉ—ｈｕｉ，ＨＵ　Ｘｉａｎｇ—ｓｏｎｇ　（Ｃｈｉｎａ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　Ｌｉｄ。Ｚｈｕｚｈｏｕ　４１２００２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｒａｂｂｅｔ　ｃｒａｃｋｓ　ａｎｄ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｆａｉｌｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　３ｒｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅｓ　ｏｆ　ＧＨ４０３３　ｉｎ　ｓｏｍｅ　ａｅｒｏ－ｅｎｇｉｎｅｓ．　Ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｏｄｅ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｒｅｅｐ　ｆａｔｉｇｕｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｈｉｇｈ　ｃｙｃｌｅ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｃｙｃｌｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｒｅｓｕｌｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｉｎｉｔｉａｌｌｙ　ｈｉｇｈ　ｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃａｕｓｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｒｅｅｐ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｒａｃｋｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｙｉｅｌｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｏｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ＧＨ４０３３．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃａｕｓｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｈｉｓｈ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｗｅｒｅ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｂｅｎｄｉｎｇ－ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｂｅｔｗｅｅｎ　８０ｍｅ　ｔｉｐ　ｓｈｒｏｕｄｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｒｅｍａｒｋｓ　ａｔ　ｔｈｅ　Ｒ．　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｗｅｒｅ　ｇｉｖｅｎ　ｔｏ　ｓｕｃｈ　ｆａｉｌｕｒｅｓ，　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅ；ＧＨ４０３３；ｈｉｓｈ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆａｔｉｇｕｅ；ｃｒｅｅｐ　ｆａｔｉｇｕｅ；ｆａｉｌｕｒｅ　１引言　

2019.14科学技术创新 -1 -

带叶冠的航空发动机涡轮叶片失效分析

郎达学行峰涛

（中国航发湖南动力机械研究所，中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，湖南株洲412002）

摘 要：为了解决带叶冠的涡轮叶片的失效问题，通过断口分析、强度计算分析了失效原因，并通过动应力试验及失效模拟试

验进行了验证。结果表明，动力涡轮叶片失效的原因是尺寸不合格、叶冠附近最大应力处应力过大。减小叶身的渗铝层厚度，消除

了渗层微裂纹的隐患。通过结构改进、提高制造精度等措施，有效降低了叶片的应力，符合了发动机对叶片的使用要求，可见叶片

失效的问题得到了解决。

关键词：叶片；失效；强度分析;动应力试验

Abstract: B ased on the results of fracture analysis and strength analysis, the reason of the shrouded turbine blade failure

has obtained, then verified by vibration stress test and failure simulation experiment. The results show that the reasons of the shrouded turbine blade failure are unqualified size and excessive maximum stress near the shroud. By reducing the thickness of

aluminized layer, the hidden danger of micro crack in the aluminized layer is eliminated. The stress is reduced by improving the

structure and manufacturing precision, which meets the requirements for the use of the engine blades, and the failure problem of

第４３卷第３期　２０１７年６月　航空发动机　Ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ　Ｖｏ１．４３　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２０１７　

航空发动机涡轮叶片晶体测温技术研究　

李杨，殷光明　

（中国航发四川燃气涡轮研究院，四川江油６２１７０３）　

摘要：针对航空发动机涡轮叶片温度测量的技术难题，介绍了１种晶体测温传感器的技术特点与技术优势。结合晶体测温技　

术的工作原理简述了测温晶体的制造方法，论述了测温晶体的安装、拆除工艺和标定试验方法，并利用测温晶体测量了涡轮叶片表　面温度。结果表明：测温晶体在发动机内流高温、高压、高速燃气流的冲击下和叶片高速旋转的工况下附着牢靠，未出现脱落的情　况，试验成活率为１００％，获取到了精确测点的温度值，是解决航空发动机涡轮叶片等热端部件特殊位置表面温度测量的１种方法。　关键词：测温晶体；温度测量；涡轮叶片；航空发动机　中图分类号：Ｖ２６３．３　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．１３４７７／ｊ．ｃｎｋｉ．ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ．２０１　７．０３．０１６　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｂｌａｄｅ　

ＬＩ　Ｙａｎｇ，ＹＩＮ　Ｇｕａｎｇ—ｒｕｉｎｇ　（ＡＥＣＣ　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｇａｓ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ，Ｊｉａｎｇｙｏｕ　Ｓｉｃｈｕａｎ　６２１７０３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅ，ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｗｈｏｓｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｉｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｆｕｒｔｈｅｒ　ｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｄｉｓｍａｎｔｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｏｓｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｔｔａｃｈｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｂｌａｄｅ　ｆｉｒｍｌｙ　ｃａｎｎｏｔ　ｄｒｏｐ，ｅｖｅｎ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｇａｓ　ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｒｏｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｕｒｖｉｖａｌ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｉｓ　１００％，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔａｒｇｅｔ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｅｓｔ，ｗｈｉｃｈ　ｅｎａｂｌｅｓ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｂｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ａｓ　ａｎ　ｉｄｅａｌ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｈｏｔ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｒｙｓｔａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅ；ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ