毕业设计论文：涡轮叶片断裂故障的分析与预防措施[管理资料]

Civil Aviation University of China 毕业设计(论文)
专业：发动机动力工程
学号：XXXXXXXX
学生姓名：XXX
所属学院：中国民航大学
指导教师：XXX
二〇一一年十月
中国民航大学本科生毕业设计(论文)
涡轮叶片断裂故障的分析与预防措施THE ANALYZING AND PREVENTIVE MEASURE OF TURBINE BLADE CRACK
FAULT
专业：发动机动力工程
学生姓名：XXX
学号：XXXXXXX
学院：中国民航大学
指导教师：XXXX
2011年 10月
创见性声明
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涡轮叶片断裂故障的分析与预防措施
XXX
摘要：涡轮转子叶片是把高温燃气的能量转变为转子机械功的重要零件工作时，它不仅被经常变化着的高温燃气所包围并且还承受着高速旋转产生的巨大离心力气体和振动负荷等，此外还要经受高温燃气引起的腐蚀和侵蚀，因而涡轮转子叶片的工作条件是恶劣的,它是决定发动机寿命的主要零件之一,因此涡轮转子叶片的故障是不可忽视的。

涡轮叶片的断裂故障往往导致下面整个阶段的损失并且对涡轮机的可用性造成重大影响。

涡轮叶片断裂故障的研究分析对于涡轮机耐用性的有效管理是非常必要的。

此设计共分为四部分：首先对涡轮叶片的组成进行说明；其次对涡轮叶片的工作原理进行了简要说明；然后对涡轮叶片常见的故障做了总述；最后对涡轮叶片常见的断裂故障进行分析并且得出了有效的预防措施。

关键词：涡轮叶片高温断裂耐用性
THE ANALYZING AND PREVENTIVE MEASURE OF TURBINE BLADE
CRACK FAULT
CAI SHEN
Abstract：Turbine rotor blade is to the energy of hot gas into the rotor mechanical work of the important parts work, it not only changes the temperature was often surrounded by gas and also bear the enormous centrifugal force generated by high-speed rotation and vibration load of gas, etc., in addition to subjected to high temperature corrosion and erosion caused by gas, and thus the working conditions of the turbine rotor blade is bad, it was decided to part one of the main engine life, so failure of turbine rotor blades can not be ignored. The fracture of turbine blade failure often leads to the stage following the loss of turbine availability and significant impact. Fracture failure of turbine blades of turbine durability for the effective management is very necessary. The design is divided into four parts: first description of the composition of the turbine blades; followed the principle of the turbine blades with a brief description of the work; and then the failure of turbine blades made common overview; finally broken turbine blade failures common analysis and effective preventive measures obtained.
Key words：Turbine blades High Temperature Fracture Durability
目录
第1章涡轮叶片的组成 (6)
叶身 (6)
榫头 (7)
第2章涡轮叶片的工作原理 (8)
涡轮级的组成和基元级 (8)
涡轮所具有的特点 (9)
第3章涡轮叶片的故障总述 (11)
第4章涡轮叶片常见断裂故障分析及预防措施 (12)
涡轮叶片非疲劳断裂故障分析及预防措施 (12)
涡轮叶片的共振损坏 (12)
外来物打伤叶片 (17)
(19)
(19)
(20)
(22)
(28)
结束语 (30)
谢辞 (31)
引言
现在涡轮叶片断裂的故障是层出不穷，但解决的措施也可谓是种类繁多。

这篇文章就从涡轮叶片的组成、工作原理、再总结出各种断裂的故障以及解决的措施，希望能对大家今后的工作以及学习提供帮助。

第1章涡轮叶片的组成
涡轮转子叶片是把高温燃气的能量转变为转子机械功的重要零件。

叶片在工作中承受着许多很大交变载荷如，气动载荷，离心载荷，热载荷等。

因而本身具有特殊的结构特点。

涡轮转子叶片主要由叶身和榫头两个基本部分组成。

叶身
由于涡轮级中转换能量大，即气流速度高转折角大，从而气动力大，所以涡轮叶片的类型剖面弯曲度大，叶身交厚，并且沿叶高的截面变化也明显。

在叶尖部分（包括叶身上部与顶端）通常一些特殊的结构。

(1)“叶尖切角”。

即在叶尖排气边缘削掉一部分材料。

如图所示。

由于该处比较薄弱，在高温下，交变的热应力与振动应力均较大，容易出现裂纹与断裂等故障，更重要的“叶尖切角”。

即在叶尖排气边缘削掉一部分材料。

如(图1-1a)所示。

由于该处比较薄弱，在高温下，交变的热应力与振动应力均较大，容易出现裂纹与断裂等故障，更重要的是由于可以磨削小部分的材料，来改变叶片自振频率（称为“修频”）。

Ⅰ级涡轮叶片的修频
图1-1
(2)“叶顶带冠”。

利用相邻之间的摩擦来吸收震动能量，从而有效地起到减震作用；将气流限制在叶片与叶冠构成的流道中流动就，提高涡轮效率。

(3)“环行护圈”。

在叶片上段距叶尖约1/4叶高处开孔，穿过护段并与护棒套构成环形护圈。

这样不仅可以把所有叶片联接起来，使它们之间相互牵制，而
且可以自由膨胀。

榫头
榫头的种类可分为：枞树形榫头，燕尾形榫头，梯形榫头。

叶身和榫头之间可以借助底座进行连接[见图1-2]。

中间叶根的横截面通常作成长方形或工形。

图1-2 ：叶片型面部分与榫头的联结
第2章涡轮叶片的工作原理
在燃气涡轮发动机中，有两个主要部件由大量旋转的静止叶片组成。

一个是压气机。

另一个则是涡轮。

由压气机出来的高压空气经燃烧室增温后进入涡轮，而压气机所需要的功率则由涡轮供给。

涡轮效率提高只要靠涡轮的级，级数越多涡轮的效率在一定范围内越高。

涡轮叶片主要是以基元级方式进行工作的，所以涡轮基元级工作原理即涡轮叶片的工作原理。

涡轮级的组成和基元级
多级涡轮是由许多单级涡轮组成，而“级”是由旋转的工作轮和静止的整流器组成的。

每一级则由静止的“喷油环”（又称导向器）和“工作轮”组成。

在涡轮中却把静止的喷嘴环放在级前面，如图2-1所示。

这样安排是涡轮所担负的任务决定的。

涡轮的任务在于把来自燃烧室的高温高压燃气的热能转变成涡轮轴上的机械工，把喷油嘴环排在前面就是为了实现这一能量转化。

让高温高压的燃气首先在喷油嘴环中膨胀加速获的动能，其速度一般可达600米/秒左右。

以这样大的速度去冲击工作轮，就可使涡轮发出大的功率。

同时，由于燃气在喷油环中已作了相当程度的膨胀燃气温度大为下降，也就大大改善了在高温下做高速转动的工作轮的工作条件，从而提高了涡轮的寿命和安全可靠性，而喷油嘴环是静止的温度虽高，较便于采取冷却措施。

和压气机中一样，涡轮级也是由无穷多的“基元级”组成的。

将任意半径上的“基元级”（如图2- 2）中的（a-b）展开，则得如图所示的涡轮基元级叶栅，包括喷嘴环叶删和工作轮叶栅。

从图2-2中可以看到喷嘴环的进口截面A2大于气流出口截A1nb同时，工作轮的进口截面A1w 也是比气流的出口截面A2大，一般来说，流出燃烧室的燃气速度是很低的约每秒一百多米，M数远小于1。

燃气以较低的M数流入喷嘴环，由于通道是收敛的，气体就在通道进行膨胀，压力和温度下降，速度上升；然后燃气以W1的速度流出工作轮，在那里继续膨胀，使出口相对速度W2大于w1，从而起到做功的效果。

图2-1涡轮级的示意图图2-2涡轮的基元级叶栅
涡轮所具有的特点
从外表上看，压气机和涡轮有许多相似的地方，但仔细分析以后，就可以发现两者各具有特殊性，相对压气机涡轮具有以下特点。

（1）能量转换
压气机是把涡轮传给它的机械功转化为空气的压力能和热能，而涡轮则把燃气的热能转化为机械能。

（2）通道的性质
为完成上面的任务，根据气体动力学的原理，亚音速压气机的气流通道必须做成扩散式，而亚音速涡轮的气流通道则做成收敛式。

（3）级的轮缘功Lu，在亚音速压气机中Lu约为37千焦耳/公斤范围内，而涡轮的轮缘功则在200～300千焦耳/公斤范围之间。

（4）气流的折转角
气流的折转角决定通道的性质。

因为气流在压气机中扩散过多时容易发生分离，所以折转角较小一般为30度～40度，而涡轮则由于槽道的收敛性，气流不容易分离，折转角较大，一般在95度以上。

（5）滞止绝热效率
单级压气机的滞止绝热效率n*k=~（多级为n*k=~）而单级涡轮的滞止绝热效率n*T=~（多级涡轮的n*T=~）。

涡轮的效率高于压气机效率的根本原因也是由于通道性质。

（6）叶片形状
压气机叶片很薄，弯的又少；而涡轮叶片则较厚弯的也多。

叶片的弯曲程度决定于气流折转角的大小，当叶片弯的少时涡轮中的折转角很大，所以叶片弯的厉害。

至于叶片的厚薄，则决定于叶型进口的M数。

因为压气机叶片如果太厚，则容易使进口M数超过临界M数，从而使损失增加。

涡轮进口的M数一般都较低。

第3章涡轮叶片的故障总述
涡轮转子叶片是把高温燃气的能量转变为转子机械功的重要零件。

工作时，它不仅被经常变化着的高温燃气所包围并且还承受着高速旋转产生的巨大离心力气体和振动负荷等，此外还要经受高温燃气引起的腐蚀和侵蚀，因而涡轮转子叶片的工作条件是恶劣的,它是决定发动机寿命的主要零件之一,因此涡轮转子叶片的故障是不可忽视的，下列是一些常见的涡轮转子叶片的典型故障。

1. 断裂：涡轮叶片的断裂是涡轮叶片故障中最严重的一种，也是本文研究的重点。

涡轮叶片的断裂有其内在原因也有外在原因，主要原因有：
a. 裂纹，如叶片进排气边裂纹，锁板槽裂纹，渗铅层开裂等。

主要原因为超温或分解时损伤。

b. 涡轮叶片燃气温度过高，发动机最大转速或连续使用最大转速的时间超过规定。

c. 涡轮前燃气的温度和压力不均匀。

①涡轮叶片的疲劳损坏，②涡轮叶片的共振损坏
d. 外物打伤叶片。

外来物如沙石、金属杂物等进入发动机后，能够打伤叶片。

f. 工作状态下的载荷值超过规定的载荷谱。

如转速载荷、应力载荷、气动载荷等。

g. 人为因素导致的叶片损坏断裂。

如人工绞形不合规定、叶片在装配时榫头与榫凿的安装不当导致的局部应力集中等。

2. 变形，如叶冠变形，进排气边变形，封严齿变形等。

主要原因为局部超温分解碰伤或外来物打伤。

，如叶根段冷却孔边裂纹或掉渣，冷却孔堵塞等。

主要原因为冶金缺陷疲劳。

，如用小焦点X光检查，发现缺陷超标造成叶片报废。

，叶身有明显超温烧灼特征。

原因为超温使用。

，如叶冠磨损严重无法修复。

原因振动偏大。

第4章涡轮叶片常见断裂故障分析及预防措施虽然导致涡轮叶片断裂的原因很多，但是从断口定性上总体可分为两大类：一、非疲劳断裂。

如外物打伤叶片，人为因素导致的叶片损坏断裂，涡轮叶片的振动原因，冷却方式不正确或冷却气流压力超过规定值而导致叶片的损伤断裂等。

二、疲劳断裂。

如工作状态下的载荷值超过规定的载荷谱，如转速载荷、应力载荷、气动载荷等。

腐蚀应力导致的疲劳断裂等。

下面就从大这两方面进行断裂故障分析以及提出预防措施。

涡轮叶片非疲劳断裂故障分析及预防措施
在非疲劳断裂故障中，涡轮叶片的共振损坏断裂和外来物打伤叶片断裂故障是最常见的也是最主要的故障。

下面对这两种进行分析并提出预防措施。

涡轮叶片的共振损坏
涡轮前燃气温度和压力的不均匀，除了会引起叶片疲劳损坏外，有时还会引起叶片共振损坏。

为了理解共振损坏，应先懂的共振的含义。

假设有一钢片，处于平衡位置O-O（见图4-1），扳动刚片使其达到位置O-A 后放开刚片，由于刚片本身具有弹性，就会发生振动。

如果在刚片自由振动的同时，对刚片施加周期性变化的外力，当刚片振动到A处，刚好给予向右作用的外力，也就是说，刚片每秒钟自由振动的次数同每秒钟外力作用的次数相等，或者是外力作用次数的整数倍数（如二倍、三倍…）时，刚片振动就会加剧，振动的幅度越来越大，这种现象叫做共振。

图4-1 共振原理图
由此可知任何机件发生共振的条件是，机件每秒钟自由振动的次数等于作用于该机件的外力在每秒内变化的次数，或为其整数倍数。

每秒钟外力变化的次数叫做强迫振动频率，每秒钟机件自由振动的次数叫做自由振动频率。

因此可以说，当自由振动频率等于强迫振动频率或为强迫振动频率的整数倍数时，即发生共振现象。

涡轮叶片装在涡轮盘上，同一端固定的刚片相似，有其本身的自由振动频率。

由于涡轮前燃气温度和压力不均匀，燃气的交变力会使叶片发生强迫振动。

当叶片的自由振动频率同强迫振动频率相等或为强迫振动频率的整数倍数时，便发生共振。

涡轮叶片共振时，振动幅度增大，叶片内部产生的应力增大，当应力超过其强度极限时，叶片就会断裂。

这种损坏就是共振损坏。

图4-2涡轮叶片在叶根处断裂
涡轮叶片的强迫振动频率与涡轮转速有关。

因此，只有涡轮用某一转速工作，
叶片的自由振动频率恰好等于强迫振动频率或为其整数倍时，阻尼作用未正常发
挥而导致叶片疲劳断裂。

这个转速称为涡轮叶片的共振转速。

由于叶片的温度较高，在发动机上直接测定叶片在不同工作情况下振动
应力是很困难的，因此在气体脉冲激振实验器上进行了叶片故障再现和疲劳对比
实验等。

从实验结果可以看出：
（1）叶冠在自由状态下，一阶弯曲振动静频为628HZ,节线位置在叶片
伸根段和榫齿转接处，其中B1=648HZ ，T1=1640HZ ，B2=2751HZ ，C1=2451Hz 。

叶片各截面的应力随着叶冠处振幅的增大而增加，应力与振幅基本上成正比。

如
图4-3所示。

当叶片叶冠处振幅A ＞，叶片伸根段冷却孔边或榫头第一对齿处即
出现裂纹与压气机故障叶片很相似，疲劳循环数均小于710。

当振动A ＜7
10，叶
片根段冷却孔边或榫头第一对齿处才出现裂纹（如图4-4所示）。

图4-3叶片振动应力分布
图4-4叶片振型
（2）叶片扭转振动未发现过裂纹再现故障。

从实验结果和通过对故障叶片的检查和分析看出，严格控制叶冠几何尺寸，控制叶冠之间的间隙，减少叶片伸根段部位的应力集中是十分重要的，通过控制转子组装后叶冠间间隙，控制单个叶片的叶冠，缘板侧面对榫头中心线的偏移量，和叶片切线活动量，并且严格控制叶片伸根段的光度和孔边的倒圆质量，在50h特种试车的发动机上，叶片都顺利地经受了考验。

从故障再现实验得知，叶片一阶弯曲共振是产生故障的主要原因。

因此应采取叶冠限幅减振措施，同时也为了加工和装配方便起见，将一级涡轮叶冠设计成平行四边形。

此种形式为叶冠中最简单的形式。

由图4－5可见叶片裂纹时数随叶冠振幅的减小而显著增加。

故设法减小和控制叶冠振幅十分必要。

图4-5 裂纹与振幅图
1、叶冠间的间隙变化分析。

根据理论分析影响叶冠间隙的主要原因有：
涡轮叶片所处温度还可达800摄氏度～900摄氏度。

其中平均温度按800度计，叶片热膨胀径向伸长可使间隙增大10%。

叶片因在旋转离心力场作用下，叶身产生扭转，于是平行四边行叶冠的间隙增大。

其增大量约为11%。

～750度，热膨胀后沿周向伸长，叶冠间隙便减小其25%。

，会使叶冠间隙增大。

其增大量约为11%。

2、轮盘与叶片榫槽间的间隙变化
，加之后必然出现偏差，，,使得叶冠侧面与其位移反方向的叶冠间的间隙增大，其增大值约为12%。

，当榫槽与轮盘轴线有偏角r=13度时，榫槽对称面上有一条固定线应该通过轴线，%。

，必然出现错齿，,同时加工榫头时以工艺基准定位，而榫头夹紧后检查叶冠相对榫头的偏移可达±，，使间隙增大，其增大量约为20%。

根据上述分析和计算，可得出：
，。

，经分析计算，综合各种加工因素，在极限状态下，。

，，，这也是叶冠出现间隙的因素。

综上述因素，。

（4）预防叶片共振断裂的措施
1 、减少叶间间隙的改进措施，由上述分析可知，减少叶冠必然出现的间隙措施有：
，只有提高材料的抗变形能力和降低盘片的温度。

前者是不可能的。

只有b 项值较大，是影响叶冠间隙的主要因素。

，。

，，。

，，,。

经上述改进以后叶片间的间隙大为减少，,,叶冠间隙降低42%。

2．按照规定操作发动机
引起振动的另一个重要原因是燃油喷嘴喷出的燃油量的不均匀，如在发动机试车或飞行过程中猛推油门杆，或在做过载机动动作时出现的富油和贫油等情况。

因此在飞行员飞行过程中，试车员试车过程中，掌握好推油门杆的速度，不要过猛，不要频繁的长时间变换发动机的工作状态。

在飞机飞行中不要在空气密度不均的气流层中飞行，这容易导致发动机的富油和贫油的发生。

外来物打伤叶片
实践证明，外来物如砂石、金属杂物等进入发动机后，能够打伤叶片。

为什么小小的砂石竟能把特种刚制成的叶片打伤呢？这是因为，涡轮是以高速旋转的，砂石进入工作轮的相对速度很大，因而砂石虽小，具有的动能却却很大，碰到叶片上，具有的很大的撞击力，足以打伤叶片。

从下面的计算中就可以清楚地看出这个问题。

（1）实例分析
米公斤动-=⨯⨯==04.28.92200001.0223''g Gw E g Gw PS 2"3=公斤040,22"3==g Gw PS 假设砂石重量G=，砂石进入涡轮的相对速度200"3=w 米／秒（某发动机燃
气进入涡轮叶片的相对速度为315米/秒），叶片上凹坑的深度S=1毫米=，根据
这些数据，就可求得沙石撞击在叶片上的作用力（P ）。

已知沙石的动能为：
如果砂石的动能全部消毫于撞击叶片，则可列出下列关系式： 由此
求的：
叶片在高
温条件下工作，强度减小，在这样大的力量作用下，是能够被砂石打伤的。

打伤的部位，涡轮
叶片一般都在背面的前缘，而导向器叶片则在背面的后缘，砂石在导向器通道中
只能依靠燃气的推动而获速度，由于砂石出导器的速度小的多，因而砂石进入工
作轮的相对速度与燃气进入工作轮的相对速度有很大的偏离，正好撞击涡轮叶片
的前缘（见图4-6）。

砂石撞击涡轮叶片后，反弹回来，又撞击在导向叶片背面的
后缘。

来回反复撞击，直到最后流出涡轮为止。

因此，外来物往往能打伤很多叶
片。

涡轮叶片被打伤后，强度减弱，在很大的离心力和交变力的作用下，伤口进
一步发展，直至断裂。

图4-6 外物打伤叶片示意图
(2) 预防外物打伤措施
，往往是由于维护和使用人员在工作不慎以及违反条例规定所致。

例如，工作时将螺帽垫片等掉入发动机；停机坪、滑行道上有砂石杂物；飞机滑行时，间隔距离太近等等。

因此，维护和使用人员必须严格按照条例规定细心的进行工作，以杜绝外来物进入发动机。

，及时驱逐那些飞鸟、老鼠、兔子等动物以防飞机在起飞时吸入发动机。

在飞机起飞前对飞机做仔细全面的检查，不能留任何死角，以防这些外来物进入发动机。

，发现有鸟群的时候及时躲开，以防发生撞击事故。

尽量不要在山地或沙漠地带做低空飞行，以防砂石吸入发动机。

疲劳断裂是发动机叶片断裂的最主要的断裂故障模式，航空发动机由于造价很高，和平年代许多飞机和发动机本身已经到了寿命期，但还是仍然使用，这就使疲劳断裂的概率大大上升。

根据疲劳断裂的特征可分：。

故障叶片出现的裂纹基本上可以分为三种类别：
（1）叶尖掉角和网状龟裂：我认为网状龟裂是由于腐蚀引起的，由于叶尖部位存在着酸腐蚀的残余（因抛光不干净）使晶界呈现，在高温应力作用下，加速沿晶界高温应力作用，加速沿晶界高温氧化腐蚀。

并在冷热疲劳应力、离心应力和振动应力的叠加作用下加速其发展以致产生掉晶现象。

叶尖掉角又是掉晶发展的必然结果。

（2）叶片超温氧化：高压涡轮叶片工作过程中出现超高温起动的情况，燃烧室内喷油嘴严重积碳导致燃油雾化不良。

燃烧组织恶化，可能会使高温带后
移，引起温度场的严重不均匀现象。

这些都是加速叶片产生热疲劳开裂的基本因素。

（3）叶顶边缘的纵向裂纹：这种裂纹的位向与主应力（叶片运转时的离心力）的方向平行，其底部特点也与横向裂纹一样大部分是沿晶界发展的，个别有穿晶现象。

发动机的工作循环和飞行任务要求决定了涡轮叶片所承受的载荷谱。

涡轮叶片所承受的载荷谱主要有三种：
（1）低循环疲劳载荷谱：低循环疲劳问题更多的出现在涡轮转子叶片，这是由于叶片上承受着较高的离心载荷和热载荷。

在叶片上导致裂纹萌生和叶片损伤的应力应变是机械载荷和热载荷共同作用的结果。

涡轮转子叶片上应力应变范围大，应此损伤也更为重要。

导致涡轮转子叶片上的低循环疲劳问题更为突出。

如图4-7示随着时间的变化涡轮叶片它所承受的循环载荷在不停变化。

第一级涡轮转子叶片，由于较多采用了气膜冷却，在飞行工作循环中，温差引起的应力是很复杂的应特别注意叶片的前缘和尾缘，因为此处的状态不是温度最高就是应力最高，是行成限制低循环疲劳寿命的主要区域。

发动机在起动或停车瞬时产生的温度变化对应变范围的影响是很大的。

另外温度本身也对低循环疲劳寿命产生影响。

高温下，材料趋于软化，因此，对于涡轮转子叶片，热疲劳是影响耐久性的一个关键因素。

当叶片材料的温度超过1200℃时，由旋转和温度梯度产生的应力开始随时间的增加而逐渐松驰。

这就导致了每个循环产生附加的应力变形，从而减少了低循环疲劳寿命。