航空发动机涡轮叶片失效分析

摘 要

I 摘 要

本论文着重论述了涡轮叶片的故障分析。首先引见了涡轮叶片的一些根本常识；对涡轮叶片的结构特点和工作特点进行了详尽的论述，为进一步分析涡轮叶片故障做铺垫。接着对涡轮叶片的系统故障与故障形式作了阐明，涡轮叶片的故障形式主要分为裂纹故障和折断两大类，通过图表的形式来阐述观点和得出结论；然后罗列出了一些实例（某型发动机和涡轮工作叶片裂纹故障、涡轮工作叶片折断故障）对叶片的故障作了详细剖析。最后通过分析和研究，举出了一些对故障的预防措施和排除故障的方法。

关键词：涡轮叶片论述，涡轮叶片故障及其故障类型，故障现象，故障原因，排除方法 ABSTRACT

II ABSTRACT

This paper emphatically discusses the failure analysis of turbine blade.First

introduced some basic knowledge of turbine blades;The structure characteristics and

working characteristics of turbine blade were described in she wants,for the further

analysis of turbine blade failure Then the failure and failure mode of turbine

blades;Turbine blade failure form mainly divided into two major categories of crack

fault and broken,Through the graph form to illustrate ideas and draw conclusions ;Then

lists some examples(WJ5 swine and turbine engine blade crack fault,turbine blade

航空发动机涡轮叶片的强度分析和寿命预测

随着我国经济的不断发展，国家科技水平的不断提升，对高精尖技术的重视也是越来越有所增加，其中航空发动机的研发就是重点研究项目。航空发动机研发中最关键的部件之一就是涡轮叶片，对涡轮叶片的强度分析对航天器的飞行可靠性预测是非常重要的，通过对航空发动机涡轮叶片的强度分析来加强对航空发动机整体性能也是非常有意义的。在对航空发动机涡轮叶片的强度分析上一般可以采用对飞行任务剖面进行压缩处理，来获得有效飞行器的载荷数据，从而可以有助于实际工作强度的分析，也可以基于有限元分析方法来对叶片的疲劳损伤和寿命进行计算预测，从而可以对飞行器的工作寿命的提高做出有意义的工作。

标签： 寿命；航空发动机；强度；有限元；涡轮叶片；载荷

当下，国家的综合实力不断提升，我国已经是世界第二大经济大国，而我国也是一个人口众多的，要在世界强国之林立足，就需要在高精尖技术方面的发展走在前列或者紧随状态，而航空发动机就是当下高科技制造的典型代表之一，其包括有材料、计算机、自动化以及机械等多学科的综合类工程，是衡量一个国家科技和军事水平的标志之一。涡轮叶片是作为航空发动机的一种关键部位，其工作环境非常恶劣，一般受到离心负荷、热负荷、空气振动负荷还有高温氧化和气体腐蚀的综合影响，同时刀片的数量非常多，因此航空发动机的经常会出现失效事故。有数据表明，在这些发动机出现的故障事件当中，转子叶片故障造成的故障占到的比例就达到70%以上了，所以涡轮叶片的重要性就不言而喻了。 所以对于航空发动机涡轮叶片可靠性和安全使用寿命的强度检查和预测寿命等具有非常重要的意义。

一、涡轮叶片强度分析

航空发动机载荷谱的编制是分析航空发动机涡轮叶片强度的重要工作，编制载荷谱是计算发动机部件强度和寿命评估、可靠性分析和测试评估而进行的一项载荷要素的组合工作，这是发动机在特定任务和使用情况下的发动机载荷参数的统计结果。 为了获得航空发动机的有效载荷潜力，一般是需要对发动机及其部件上的各种负载以时间间隔的方式来采集数据，包括有峰值和谷值的选择以及雨流计数的统计处理。 对于飞机结构，可以通过任务配置文件进行编辑载荷谱。一般而言，我们可以看到涡轮的构成部分是包括静子和转子的，顾名思义，静子就是不动的部件，其具有涡轮导向器，也有保护涡轮导向器的机匣，而转子就是负责转动的部件。由于涡轮具有两大重要的部件之静子和转动的转子，它的工作过程包括刚开始的燃烧室涌出的具有非常高温度和高压的快速燃气，出来的燃气在静子叶片中穿过，保护部件的整齐排列的机匣会对穿过的气流方向进行调整，从而可以得到工作需要的攻角和速度，最后会流到转动的转子叶片上，从而带动涡轮轮轴进行扭动，带动轮盘转动，运行涡轮发动机。飞行任务剖面主要需要的参数是飞行速度、涡轮转速以及燃气涡轮前后温度，这些数据的获得是在发动机进行一次起落循环过程中，测试它们随着时间的变化，根据这些数据就可得到飞机的任务剖面了。编制载荷谱就是需要这些基础而重要的数据。一般典型的飞行

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。

航空发动机涡轮叶片失效分析

涡轮叶片是航空发动机最主要的部件之一，高温1600-1800度长期工作、要承受300米/秒左右的风速、高负荷（根据作用力的大小确定）、结构复杂的典型热端机械构件，它的设计制造性能和可靠性直接关系到整台发动机的性能水平耐久性和寿命。为了提高发动机的推重比，叶片设计时常采用比强度高的新材料；采用先进复杂的冷却结构及工艺；降低工作裕度等措施来实现。因此，研究涡轮叶片失效分析对提高发动机工作安全及正确评估叶片的损伤形式和损伤程度有重要意义。

1.涡轮转子叶片结构特点

现代航空发动机多处采用多级轴流式涡轮。涡轮叶片具有气动力翼型型面，为了使燃气系统排出的燃气流竜在整个叶片长度上做等量得功，并保证燃气流以均匀的轴向速度进入排气系统从叶根到叶尖有一个扭角，叶尖处的扭角比叶根处要大。

涡轮转子叶片在涡轮盘上的固定方法十分重要，现代大多数燃气涡轮发动机转子都采用“枞树形”榫齿。这种榫齿精确加工和设计，以保证所有榫齿都能按比例承受载荷。当涡轮静止时，叶片在榫槽内有一定的切向活动量；而当涡轮转动时，离心力将叶根拉紧在盘上。

涡轮叶片材料是保证涡轮性能和可靠性的基础，涡轮叶片早期是用变形高温合金，采用锻造的方法制造。由于发动机设计与精铸技术的发展，发动机涡轮叶片从变形合金发展为铸造合金从实心发展为空心，从多晶发展为单晶，从而大大提高了叶片的耐热性能。由于镍基单晶超合金具有卓越的高温蠕变性能已成为制造航空发动机热端部件的重要材料。

涡轮叶片的工作条件和受力分析

2.叶片的工作条件

涡轮叶片时直接利用高温高速燃气做功的关键部件，温度高负荷大应力状态复杂工作环境非常恶劣。涡轮叶片在高温燃气的工作条件下，高温氧化和燃气腐蚀则是其主要的表面损伤形式。氧和硫是影响镍基合金高温合金氧化抗力最有害的两种元素。氧化晶界扩散与晶界上的Cr。Al..。和Ti等元素发生化学反应形成氧化物，然后氧化物开裂，使疲劳裂纹萌生与扩展。硫以引起晶界脆化的方式加速疲劳裂纹的萌生与扩展。