| 标题 | 高压压气机一、二级盘连接鼓封严齿裂纹故障分析 |
| 范文 | 陈刚 王任翔 王艺霖 摘 要：某型发动机返厂大修检查时目视检查发现高压压气机一、二级盘组合件连接鼓处有一处裂纹，此裂纹贯穿一、二级盘连接鼓处三道封严齿，长20mm，高压转子为发动机核心部件，一旦失效将对发动机造成不可估量的影响。 关键词：发动机；裂纹；强度 中图分类号：V231 文献标志码：A 1 冶金分析 1.1 故障件整体情况 故障件外观颜色正常，裂纹位于一级盘的三道封严齿上，向一、二级盘两侧扩展，裂纹已穿透封严齿及连接鼓壁厚，长20mm。宏观上看，故障件封严齿齿顶为金属色，裂纹处齿顶宽度相比于其他位置明显变宽，说明磨损较重。 1.2 断口分析 裂纹断口呈深黄色，在第一齿和第二齿上可见明显的起始于各自齿顶的疲劳弧线，第三齿上可见由第二齿扩展而来的疲劳弧线。源区处未见冶金缺陷，但氧化严重，疲劳扩展区可见疲劳弧线和疲劳条带。裂纹性质均为疲劳裂纹。 1.3 齿顶表面检查及能谱分析 裂纹起源处的齿顶表面可见多条“微裂纹”，在第三齿齿顶上也可见类似的“微裂纹”，几个位置上的齿顶面上均存在微裂纹，微裂纹较浅，封严齿上残留了较多的蜂窝材质成分。 1.4 基体组织检查 对故障件基体组织进行检查，并与两个非故障盘进行对比，3个盘基体组织均为网篮组织，组织未见明显异常。 1.5 非故障盘齿尖形貌检查 为了确认非故障盘封严齿尖是否有微裂纹，选取不同使用时间的13台一二级盘组合件，对一级盘封严齿裂纹情况进行宏观检查和微观检查，宏观检查通过目视检查和放大镜检查，微观检查通过取样使用扫描电子显微镜检查，非故障盘封严齿目视和放大镜检查均未见裂纹。 1.6 冶金分析结论 ①故障件裂纹为疲劳裂纹，组织未见明显异常；②故障件出现疲劳起源的封严齿顶上均可见由于磨损受热导致的组织烧伤现象，裂纹附近封严齿齿顶存在蜂窝成分的金属层，封严齿顶上存在多条微裂纹，因此裂纹的产生与封严齿磨损有关。 2 强度设计复查 2.1 强度试验复查 某型发动机完成了高压压气机转子超转/破裂试验、低循环疲劳试验，高压压气机转子通过了试验考核，试验结果表明高压压气机转子强度寿命储备满足规范要求。 2.2 共振分析 为排查裂纹故障与一、二级盘连接鼓振动的相关性，分别按照行波振动和强迫振动开展了共振分析工作。一、二级盘组合件连接鼓主要激振因素为一、二级转子叶片受到静子叶片激振后，将周期性激励通过盘榫连接传递到一、二级盘和连接鼓上，对可能激起齿尖振动的振型按照行波振动进行频率裕度分析，从频率裕度分析结果和相对振动应力分布可知，封严齿一般难以出现有害的振动。 2.3 动应力测量 工作转速下，封严齿尖部的振动应力水平均较低，最大振动应力值为11MPa。 2.4 复查结论 ①一、二级轮盘强度储备满足标准要求；②轮盘振动特性分析结果表明，一、二级盘连接鼓发生有危害性行波振动的可能性较小；③动测结果表明，一、二级盘连接鼓动应力很小，强度储备满足要求。 3 实物复查 3.1 故障件尺寸测量 对故障件进行了相关尺寸测量，测量采用圆周16测点均布，裂纹位置为起始点，从测量结果可知：①裂纹处封严齿磨损比较严重，封严齿高度减小，与无裂纹处最大相差0.47，比理论值小0.46；②由于裂纹处磨损严重，齿尖宽度变宽，比无裂纹处宽约0.2；③一级盘连接鼓壁厚超差，比理论尺寸厚0.05～0.11；④二级盘后止口超差单边变大0.073。分析表明，故障件封严齿裂纹处比非裂纹处齿尖直径减小，齿顶变宽。 3.2 窝磨损深度 测量了50台份大修机一二级盘连接鼓封严齿直径及一级蜂窝磨损深度，从测量结果可知，故障台封严齿平均直径偏小，磨损偏重。查询了国外相关资料，蜂窝的磨损深度在CFM56-7B和某国外资料要求的上限，甚至超过上限要求。 3.3 蜂窝表面硬度对比 为比较国内外蜂窝硬度差别，开展了蜂窝表面承载试验，使用布氏硬度计在蜂窝表面进行同载荷、同时间的加载试验，以比较两种蜂窝压痕大小。试验结果表明： ①国产件钎焊后承载能力高于钎焊前蜂窝，说明钎焊工艺使蜂窝硬度加强；②国产蜂窝表面承载能力明显高于国外件蜂窝，说明国产蜂窝较硬，更容易造成封严齿磨损。 3.4 复查结论 ①对故障件进行尺寸测量，一级封严齿磨损严重，其余基本合格；②故障件一级封严套两侧挂钩宽度及高度均偏大较多，变形情况严重，使封严套与静子内环块配合间隙增大，封严套松动；③故障台蜂窝磨损深度偏大；④与国外蜂窝相比，国产蜂窝磨损深度较深，蜂窝较硬，电解磨工艺造成故障台和批产机蜂窝表面有明显金属熔化物堆积现象，且钎焊料堆积现象严重，这些因素会导致发动机工作时对封严齿的磨损更严重。 4 故障机理 由故障件断口分析结果可知，裂纹性质为疲劳裂纹，源区处未见冶金缺陷，但源区氧化严重，存在明显的氧化颗粒特征；出现疲劳起源的封严齿顶上可见由于磨损受热导致的组织烧伤现象，且封严齿顶残留有蜂窝材质成分，因此裂纹的产生应和封严齿与蜂窝碰摩有关。 通过理论分析表明故障部位应力及储备满足标准要求，振动应力测量结果也表明，在工作转速范围内，一、二级盘组合件连接鼓以及封严齿尖部振动应力均较低，动强度储备满足要求。但封严齿和蜂窝的实际磨损情况表明，在发动机工作过程中，封严齿与蜂窝发生碰摩，使封严齿受到了机械冲击应力、交变热应力等载荷作用，导致封严齿尖部材料烧伤，抗力下降；封严齿顶在与蜂窝摩擦过程中，蜂窝的融化物逐渐堆积在封严齿尖表面，随着不断的碰摩，逐渐产生微裂纹并扩展，形成裂纹。另一方面，国产蜂窝（包括故障件）最终加工完后，焊料堆积较严重，且蜂窝表面和侧壁附着较多金属融化物，造成蜂窝硬度偏大，当与封严齿发生碰摩时，对封严齿损伤更大，更容易造成过度碰摩，导致封严齿尖烧伤进而出现微裂纹。 5 故障原因分析 ①裂纹性质为疲劳裂纹，故障件封严齿与蜂窝碰摩严重是造成封严齿裂纹的直接原因；②故障台一级静子内环封严套变形，使蜂窝环固定不稳定，发动机工作时，蜂窝环与封严齿频繁碰摩，使封严齿承受频繁的冲击载荷；国产蜂窝钎焊后焊料堆积严重，采用电解磨加工方式后，蜂窝上金属融化物残留较多，使蜂窝硬度偏大，加重了封严齿磨损，是封严齿产生裂纹的主要原因；③封严齿与蜂窝径向间隙偏小，使封严齿磨损较重。 6 排故措施 根据故障原因分析，故障发生主要与蜂窝和封严齿碰摩相关，为了有效防止此类故障发生，提出以下几点排故措施： ①对高压压气机封严齿与蜂窝径向间隙进行优化调整，通过调整蜂窝直径尺寸进行间隙优化；②根据蜂窝直径调整后尺寸修改某型发动机高壓压气机蜂窝磨损标准；③优化蜂窝真空钎焊和补焊工艺，控制蜂窝焊后焊料堆积及堆积高度；④优化蜂窝电加工参数，减少金属熔化物的产生，并对电加工后的蜂窝先用钢刷再用毛刷刷除金属熔化物残留。 参考文献 [1]陈予恕.近代机械非线性动力学与优化设计技术的若干问题[J].机械工程学报，2007，43（11）：17-25. [2]汤炳新，闻邦椿.裂纹转子动力学特性的有限元分析[J].东北大学学报，1994，15（1）：84-87. |
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