发动机压气机叶片故障分析与修理(航空机电设备维修)

【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模式做了说明；最后举了例子(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：压气机叶片的分类、压气机叶片的故障模式、故障现象、故障原因、排除方法等。

Abstract :the present paper mainly elaborated compressor blade ' s fault analysis.first introduced compressor blade ' s classification and the characteristic;next has given the explanation to compressor blade ' s breakdow n pattern. fin ally enu merated the example (turbojet seve n engineair compressor two level of rectificati on leaf blade crack breakdow n, turbojet seven engine air compressor two level of leaf blade apexes falls block breakdown ) to makethe concrete analysis to leaf blade ' s breakdown. Key words: compressor blade ' s classification, compressor blade ' s breakdow n patter n, breakdow n phe nomenon, breakdow n reas on elim inati on method and so on.目录1压气机工作原理及叶片概述1.1压气机叶片工作原理1.2压气机叶片的分类1.2.1工作叶片1.2.2整流叶片2压气机叶片的故障概述及故障模式2.1压气机叶片的故障概述2.2压气机叶片的故障模式3 WP-7发动机压气机二级叶片叶尖掉块故障3.1故障现象3.1.1故障叶片的分布3.1.2 故障特点3.2实验研究3.2.1 叶片静频率测量3.2.2 叶片振动应力测量3.2.3 故障部位应力值判断试验3.2.4 梁式振动台上的疲劳试验3.2.5 疲劳极限与疲劳寿命试验3.3断口金相检查3.3.1故障叶片断口3.3.2故障叶片再现断口3.4叶片震动特性计算与分析3.4.1叶片的静、动频计算3.4.2叶片振型、最大振动应力截面3.5叶片共振特性分析3.5.1激振力频谱计算与分析3.5.2共振特性分析3.6叶片颤振发作计算与分析3.7排故措施与方案3.7.1叶片调频3.7.2改变激振力频率或减弱激振能量3.8 结论4 WP-7发动机压气机二级整流叶片裂纹故障4.1故障情况4.2金相检查4.3动应力试验4.3.1动应力试验贴有应变片试件4.3.2动应力试验结果分析4.4共振特性分析4.5结果分析4.6改进及效果结束语谢辞文献1压气机工作原理及叶片概述1.1压气机工作原理压气机的功用是为了提高气体的压力，为燃气膨胀做工创造有利条件，也就是使燃料燃烧后发出的热能更好地被利用，提高发动机的热效率，改善经济性和增大发动机的推力。

气体在压气机内进行的是压缩过程。

在这个过程中，一方面提高增压能力；另一方面要设法减少各种流动损失。

下面以轴流式压气机为例，了解压气机工作的基本原理 一、空气在压气机内流动情形多级轴流式压气机是由若干个单级压气机组成的，如图1-1所示。

由一排旋转的工作叶片所组成的轮子叫叶轮；由一排静止的整流叶片所组成的圆 环叫整流环。

叶轮和整流环是交错排列的。

一个叶轮和一个整流环组成轴流 式压气机的一个单级，它是多级轴流式压气机的基本单元。

基本假设空气在轴流式压气机内的实际流动情形是比较复杂的，设想用一个与压气机同轴线，其半径等于压气机平均半径的圆柱去切割 压气机，并将所得的切面展成平面，则成为（图1-2 ）所示的情形，这样的平面图叫做“平面叶栅”。

平面叶栅的形状是沿叶高变化的，把平均半径处的平 面叶栅叫做“基元级”。

某级压气机平均半径处的圆周速度为 u,则基元级转子的叶栅将以u 的速度作等速平移运动。

图1-2平面叶栅空气在基元级内流动情形根据运动速度分解与合成的原理，质点的绝对运动速度可看作相对速度 和牵连速度，即：c = w + u 式中c-绝对速度w- 相对速度牵连速度u-图1-1 PW2037的双转子轴流式压气机1-分流机匣；2-风扇叶片；3-低压压气机转子;4-中介机匣；5-高压压气机转子这3种运动速度之间的关系速度三角形表示（图 6-4 ）F面将应用质点复合运动规律。

绘出气流的进、出口速度三角形（图1-4）基元级速度三角形1.2压气机叶片的概述通常将转动的叶片称为转子叶片或工作叶片，将静止的叶片称为静子叶片或整流叶片。

压气机中，一排工作叶片后紧跟一排静子叶片。

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方向流入下一排工作叶片。

1.2.1压气机的工作叶片工作叶片是轴流式压气机的重要零件之一。

它直接影响压气机的气动性能、工作可靠性、重量及成本等。

工作叶片主要由叶身和榫头两部分组成，如图1-5所示。

图1-5压气机的工作叶片外形图1-叶身；2-榫头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面，按一定的扭向规律及型面重心分布规律，沿叶高重叠而成。

为了减少重量，叶尖的弦长要比根部的窄，厚度要比根部薄。

叶片的叶身沿叶高是扭转的。

这是因为压气机各半径处进气速度（即）是基本不变的，而转子的周向线速度是沿半径变化的。

为使各半径处气流攻角一致（较小，近于0），则各半径处叶片的弦线方向不能相同，所以，叶片必须沿叶高扭转。

在叶根其安装角最大，在叶尖安装角最小。

另外从加工量（=u）均匀的要求来说，叶尖，圆周线速度u大，扭速要小；叶根，u 小,要大。

所以，叶片从叶根到叶尖扭转角度也应该是不一样的。

较长的叶片在叶身中部常常带有一个减振凸台，作用是为了避免发生危险的共振或颤振。

装配好后凸台连成一环状，彼此制约，以增加刚性，改变叶片的固有频率，降低叶片根部的的弯曲扭矩应力。

（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，避免在发动机常用的转速范围内出现危险的共振。

榫头的形状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向内移动，保证压气机的可靠工作，保持整个转子的平衡。

1.2.2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环形槽内。

它与机匣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良好的定位、密圭寸和热补偿。

2压气机叶片的故障概述及故障模式2.1压气机叶片的故障概述叶片是航空发动机中重要的零件之一，由于功能的关系，其所处的工作环境极为严峻。

受到较高的离心负荷、气动负荷、高温和大气温差负荷以及振动的交变负荷等，使叶片容易产生故障。

压气机叶片还受发动机进气道外来物的冲击、受风沙、潮湿的侵蚀；这都使叶片的故障大大增多。

航空发动机中，叶片故障又占有相当大的比率，据统计震动故障率占发 动机中总故障率的60 %以上，而叶片故障又占振动故障的 70%以上。

其中，叶片故障中，压气机叶片故障又占 50%以上。

叶片的故障和故障模式随不同的工作环境影响不同。

2.2压气机叶片的故障模式1. 外物损伤及其故障模式叶片受外来物冲击而导致的损伤成为外物损伤。

外物损伤也可以扩展为 环境损伤，其故障模式有：外来物打伤导致的压痕、滑道、调快、挠曲、变 形和裂纹等；环境影响导致的麻点、腐蚀、剥落和表面积尘等。

这些故障模 式往往成为叶片挠曲、断裂等重大故障的初因。

较严重的叶片损伤故障也会 使叶片报废。

从近代航空发动机的故障统计中，压气机一级叶片受外物冲击而导致叶 片断裂的故障屡有发生，而且多次发生机毁人亡的飞行事故。

因此，为确保 发动机的安全工作，叶片都要进行整机的环境冲击试验。

例如投鸟、投冰等 试验，以考核其强度。

2. 强度不足及其故障模式叶片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 的断裂应力而导致的损伤。

这种故障多数是因为设计时的强度余度不足，受 瞬间冲击载荷作用或者叶片截面内部留有残缺的隐患所造成。

如叶片材料不 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。

发动机中纯属强度不足造成的断裂故障损伤现象发生的并不多， 但一旦发生叶片断裂其故障后果十分严重的。

3. 高周疲劳损伤及其故障模式叶片高周疲劳损伤即通常所说的应力疲劳损伤。

其疲劳损伤取决于两个 条件，即叶片的疲劳应力水平和叶片的应力循环次数。

他是由于叶片处于共 振条件的交变（疲劳）应力。

压气机叶片一般在循环次数N=〖10〗A6~〖10〗A7间损坏；涡轮叶片受高温燃气流作用，一般在 N=〖10〗A5~〖10〗A6间损坏。

这当然要取决于叶片振动应力水平的高低，应力高，循环次数自然降低。

叶片高周疲劳的断口一般有三个区域组成，即疲劳源区、疲劳形成区疲 劳扩展和撕裂区（强度不足）。

对于高周疲劳的损伤，其端口表面比较光滑， 撕裂区呈现强度不足而断面比较粗糙。

从疲劳弧可以很清楚地看到其疲劳现 象的形成和发展过程。

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近根部，断口走向与叶片节线 相一致。

高阶弯曲振动随阶次增高，最大应力截面向叶尖上移，其断口走向 通常也是一条直线。

对于扭转振型与复合振型，其最大应力截面积也随振型 不同而不同。

对于高阶振型，最大应力截面积也随阶次的增高向叶尖上移， 其断口走向是先平后翘。

因此研究叶片断裂与断口走向，都可以判断叶片何种振型的振动故障。

4•低周疲劳损伤及其故障形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，其损伤的循环次数比较低，一般循环次数N〖10〗八3.如果叶片频率在100Hz左右, 叶片也就会在几秒钟或十几秒之内断裂，其危险性十分严重。

低周疲劳损伤它主要由气动力特性在特定的条件下与叶片发生耦合所确定。