1 4 4航空发动机叶片故障及预防研讨会论文集国产涡喷发动机叶片断裂排故实践赵福星李伟据统计，1 9 9 9 年空一所失效分析总数为7 0 项，其中有关发动机的共4 7 项，占总数的6 7 。在4 7 项有关发动机的失效分析项目中，叶片断裂故障为2 0 项( 占4 3 ) 。其他年份的情况也基本如此。由此可见叶片断裂对飞机发动机可靠性影响是很大的。在国产发动机大批装备部队以来的几十年中，叶片断裂失效分析及排故工作几乎从未停止过。在故障分析工作中，既有成功的经验，也有失败的教训，值得很好地反思和总结。本文重点就几个典型事例，谈谈近年来参加叶片失效分析工作的一些体会。1典型事例1 1W P a 发动机三级压气机转子叶片断裂从1 9 6 5 年开始一直到2 0 世纪9 0 年代，对故障机理和排故措施的研究基本未停止过。 虽然早已明确叶片在发动机慢车状态下发生一阶扭转共振是断裂的主要原因，但采用的通过调频( 上调和下调) 以使慢车状态避开叶片一阶扭转共振的排故措施，效果却一直不佳。为排除修理因素，对大修发动机每次都换新片，故障也不能杜绝。究其原因，可能有以下几条：( 1 ) 调频幅度有限，且批生产中叶片频率散度较大。( 2 ) 发动机慢车转速范围较大，特别是冷机和暖机开车差异更大。对外场规定的慢车转速范围，按照定义是热态即暖机开车数值，冷机开车较低。( 3 ) 在起动中，转速接近慢车转速时，转速上升较慢，在经过一阶扭转共振转速时( 如果一阶扭转共振转速在慢车转速以下不远) 叶片仍有较大振幅。1 2W P 6 甲发动机四级压气机转子叶片断裂为排除三级压气机叶片断裂，W P 6 甲发动机将慢车转速提高2 0 0 r m i n 后，导致了四级压气机叶片在慢车转速附近发生一阶扭转共振，外场断裂数量呈显著上升趋势。分析认为主要是慢车转速变化后对其他级工作叶片的影响研究不够所致。1 3W P 6 发动机三齿二级涡轮工作叶片断裂为排除w P 6 发动机涡轮盘榫齿裂纹，4 2 0 厂把盘片五对榫齿结构改为了三对榫齿。虽本文作者为空军第一研究所高级工程师。国产涡喷发动机叶片断裂排故实践1 4 5然较好地解决了盘榫齿裂纹问题，但叶片却因根部阻尼的减弱和固有频率的变化，致使大转速下振动应力增大，导致叶片出现断裂。虽数次调频，由于无法改善根部的阻尼，外场叶片断裂故障仍有增无减，最终只能再改回五齿结构。该故障是对发动机设计未吃透而作较大设计更改所带来的，教训深刻。1 4W P 6 甲发动机二级涡轮工作叶片榫齿断裂同样是为解决w P 6 发动机涡轮盘榫齿裂纹故障，4 1 0 厂采取的是调整轮盘齿距( 保证 五对榫齿受力均匀) 和更换材料等措施。由于未充分考虑新材料盘G H 3 3 A 与叶片G H 3 7 材料在线膨胀系数上的差异，齿距调整后叶片第一榫齿承载过大，1 9 9 7 1 9 9 8 年在外场使用中出现多起叶片第一榫齿断裂故障。通过进一步的调整齿距，降低第一对榫齿的工作应力，目前看该故障已被有效排除。1 5W P 7 乙发动机二级压气机转子叶片断裂w P 7 乙发动机二级压气机薄叶片曾发生过两起s 形掉角断裂，研究认为是在0 8 额定转速附近发生第1 0 阶( 5 7 7 0 H z ) 共振所致。导致断裂的共振频率之高，实为罕见。1 6W I y 7 乙发动机一级涡轮工作叶片伸根段断裂多方面的研究表明，铸造缺陷和叶冠间隙大是导致伸根段断裂的两个主要因素。4 1 0 厂和4 6 0 厂分别采取了伸根段开卸荷槽和严格控制平行冠安装间隙为主的排故措施。通过在修理中增加小焦距探伤工序，筛选出一批存在铸造缺陷的叶片后，故障得到了有效抑制。值得注意的是，综合排故措施是在故障机理不太清楚的情况下采取的，一举成功，实非偶然。1 7W P l 3 F 、W P l 3 Al I 发动机一级压气机转子叶片断裂自1 9 9 9 年开始出现的W P l 3 系列发动机一级压气机转子叶片榫头断裂故障，目前在外场总共已发现3 0 多片故障叶片。经大量的分析和测试，已确认故障性质为在最大转速附近产生的二弯共振而导致叶片榫头发生高周疲劳断裂。叶背侧榫头R 槽中部既是高的静应力区，又是高的振动应力区，说明该叶片在设计上的先天不足。只有从根本上解决叶背大应力和振动问题，才能有效排除该故障。目前新叶片的设计工作正在开展中。1 8W P l 3 F 发动机二级涡轮工作叶片断裂在最近十几年来的叶片排故活动中，W P l 3 F 发动机二级涡轮工作叶片进、排气边的断裂机理研究是最难的。由于该叶片为我国自行设计的锯齿形结构，同时又采用了D Z 4 定向结晶材料，材料制造和结构设计的双重因素导致故障性质至今未有明确定论。目前最薪的研究进展认为叶片断裂与其在制造过程中进、排气边产生“月牙形”等轴晶缺陷和叶冠啮合面在工作中因变形不协调而产生附加力的作用有关，其中等轴晶对D Z 4 材料疲劳和持久寿命的影响程度还有待进一步的试验研究。该故障研究之所以困难，与对定向晶材料失效模式研究太少和D Z 4 材料相关性能数据奇缺有关。1 4 6航空发动机叶片故障及预防研讨会论文集2典型事例的启示2 1叶片的可靠性要求要比发动机其他零件高两个数量级以上常常会发生这样的情况：一方面叶片故障断断续续发生，故障统计表明叶片故障是影响发动机可靠性的首要因素，严重威胁飞行安全；另一方面按实际使用计算的某一级叶片失效率却不高，被认为在允许范围内。之所以发生这种情况，是因为涡轮发动机叶片特别多，每一级叶片都有几十片，一台发动机有上百片，而任何一个叶片失效都可能引起发动机整机故障。对任一级叶片而言，其失效率P 可表示为P = P i Jk 1J = 1 式中，m 为失效模式数；n 为单级叶片数，m 为单个叶片的失效率。按一般情况，m = 2 ，n = 5 0 计算，有P = l O O p u ，从而有P u = p 1 0 0 。 因此，要使某级叶片失效率P 不低于发动机其他部件的水平，其单个叶片单个模式的失效率P “就要低两个数量级以上。考虑到发动机压气机涡轮加在一起l o 级左右，如果要整台发动机叶片失效率不低于发动机其他系统的水平，则单个叶片单个模式的失效率还应该低一个数量级。当叶片失效率设计指标达不到上述要求时，必然成为困扰发动机可靠使用的重要因素。对达不到上述设计要求的叶片，通过在使用维护和修理中及时发现和更换故障( 裂纹) 叶片，是保证发动机可靠使用的最重要手段。为了进行外场裂纹检测，就要求发动机和飞机的结构要保证可靠性较低的叶片在飞机上有良好的裂纹可测性。如果叶片可靠性和外场裂纹可测性都难以保证，就只能缩短发动机翻修间隔，在修理中进行裂纹检测，发动机才能获得一定的使用可靠性。2 2 在排除叶片振动故障时，调频措施效果一般不大在以往的叶片排故活动中，经常采用调频方法，将叶片共振频率从常用工作转速调开，以求避免叶片疲劳破坏，实际效果却往往不能如愿。如W P 6 发动机的三级压气机叶片和三齿二级涡轮叶片的排故就是如此。其主要原因是：叶片的设计状态决定了叶片的频率范围。在保证叶片型面基本尺寸的前提下，其频率调整空间是有限的。动频和静频的差异。在制造和修理中能够控制的是叶片的静频，实际工作中叶片对振动的响应是由动频所决定的，而叶片动频除取决于工作转速外，叶片与轮盘的接触好坏也是一个重要的影响因素。即使通过调频能够完全将叶片共振转速调开，但如果叶片共振应力很大的话，对于过渡转速，高频振动疲劳累积也是比较快的。在航空发动机强度设计试验指南B Z l 8 3 9 4 中，就明确规定了叶片在发动机过渡态的疲劳强度允许储备值为1 7 2 0 ，由此可见过渡态振动应力也是要受到限制的，只是其储备值比其他状态要求的2 1 4 0 偏低而已。2 3 对提出的排故措施要全面验证，力求避免引起新故障在以往的叶片排故活动中，经常引起一些副作用。如为减少W P 6 甲发动机的三级压气国产涡喷发动机叶片断裂排故实践1 4 7机叶片断裂，采用提高发动机慢车转速以避开共振转速的措施后，却引起了四级压气机叶片断裂故障的出现；为解决W P 6 发动机的二级涡轮盘榫齿裂纹，把榫齿的齿数由五齿改为三齿结构，但新结构的涡轮叶片却又大面积发生断裂故障等。副作用的产生，除与我国设计水较低、技术积累少这一因素有关外，更重要的是由于急于求成思想的作用。在试验和测试很不充分的条件下就匆匆上马新方案，出现负面问题是一 点也不奇怪的。2 4 新材料的使用要预先经过充分的工程试验W P l 3 F 发动机二级涡轮工作叶片断裂与使用新材料D Z 4 有关，断裂故障长期找不到原因，更与D Z 4 失效模式不清、材料基本性能数据不足有关。由于材料不能提供与失效分析相关的基本数据，导致对故障性质不能及时定性，并使排故工作找不到切人点。在航空发动机上应用高新材料是发展的需要，问题是在引入新材料前，需预先经过充分的工程试验，务必搞清其失效模式和工艺适应性，并给出足够的使用性能。从试验室的研制到工程上的大批量生产，最好能有一个领先使用的阶段，以预防新材料用于批生产时出现大的问题。2 5 要重视阻尼结构和阻尼材料的应用发动机叶片是一种模态丰富且容易起振的结构。在发动机的整个转速范围内，分布着各种自激和强迫振动。对出现故障的叶片，仅仅依靠小的设计更改，是不可能完全消除这些振动的。为了保证叶片工作的可靠性，应尽可能的采用阻尼结构和阻尼材料抑制振动应力水平。w P 6 发动机三齿二级涡轮叶片断裂，主要就是忽视三齿结构和五齿结构在阻尼上的差异，在设计更改中没有关注叶片阻尼而引发的。2 6 需要建立完善的叶片振动应力评定规范在各种叶片失效模式中，振动疲劳是最常见的失效模式。在发动机全工况范围内，完全不发生振动是不可能的，只能要求不出现危险振动。这就要求对振动应力要定量评定。为了了解叶片的适用性，尽可能减少批生产后的排故活动，有必要在现有设计和试验的基础上建立完善的叶片振动应力评定规范，使叶片的设计、改型、失效分析和排故有所依据，从而解决叶片振动测试和振动考核不充分的问题。叶片振动应力评定规范，应包括以下基本要素：工况：发动机工作状态( 转速、飞行高度、马赫数) ；用法：发动机的装载飞机、部队使用习惯特点如：最大转速调整、慢车调整、地面滑行特点、起飞着陆习惯、地面开车检查习惯等；材质：由于材料工艺和叶片制造工艺变动可能引起的叶片疲劳强度的散度变化；方法：测试方法的可靠性和精度要求，振动应力评定法则( 各种情况的疲劳强度储备要求) 、管理法规( 评定时机、评定管理等) ；环境：包括环境对叶片的各种损伤( 腐蚀、打伤、老化、组织变化) ，环境对叶片振动的影响( 高原使用慢车转速变化对振动的影响、高温低温对振动的影响等) ，修理对叶片的振动和疲劳强度的影响。1 4 8航空发动机叶片故障及预防研讨会论文集2 7 建立完善的叶片振动疲劳强度抽检制度批生产叶片和大修叶片的振动疲劳强度是叶片可靠性的内在保证，国外发动机已有抽检实例( 如A B 一3 l 发动机) ，国内在W P 7 和W P l 3 发动机定寿中也已开展了较系统的研究。从A I 一3l 发动机叶片备件试制经验看，振动疲劳强度抽检非常必要。备件工艺的变化在疲劳强度上有很灵敏的反映。因此应尽快建立并逐步推广这一行之有效的制度。