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涡轮叶片
航空发动机涡轮叶片失效分析
(2011-01-19 21:28:15)
苓｝标 分类：机械寿命
V I
签・
•
热应力
转子
疲劳断裂
离心力
目录
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2•叶片截面上的总弯矩应等于 作用在该截面上的气体力弯矩和离心力弯矩的代数和
(3-2)
对于涡轮叶片转子，不仅工作温度高，而且叶型厚度变化大。在燃气的冲击 下,会产生很大的热应力。此外。发动机工作状态的变化，使叶片的温度也随之变化， 尤其在启动停车时温度变化更为剧烈。在发动机使用过程中，每启动和停车一次，涡 轮叶片上就会出现一次交变的热应力。一般可用下列公式进行简单的计算
(3-3)
式中一一零件指定部位热应力；
E 材料的弹性模量；
材料的热膨胀系数；
——受热部件指定部位的温度变化梯度。
热应力对涡轮转子叶片强度的影响是不可忽视的。一方面材料的力学性能随温 度升高而降低，另一方面叶片上的某些部位总应力将增大，这就使叶片的安全裕度明 显下降。为了提高涡轮叶片的安全裕度应采取措施减小热应力，其中包括：
。在满足气动性能的前提下，尽量减小叶片的厚度差，特别是排气边缘不可过 薄。有时可将叶片设计成空心的，以使壁厚尽可能均匀。
。采取适当的冷却方法，使叶片的温度下降，温差减小，以降低热应力。
3。选用导热性能好的叶片材料，使叶片上的温度分布尽快趋向均匀，以减少热 应力。
由于气流的扰动等原因会激起叶片振动，使叶片产生交变的弯曲应力和扭转应 力。大量失效分析结果表明，涡轮叶片的断裂失效，大多数是由于在离心应力的基 础上叠加了振动应力所致。下一部分将单独讨论
转子叶片的振动类型及其特征
转子叶片在工作状态下要承受大的离心应力载荷，如果再叠加上非正常工作情 况下引起的振动交变载荷则极有可能导致叶片早起疲劳断裂失效。大部分转子叶片 的疲劳断裂失效均与各种类型的振动有关。
涡轮叶片在实际工作中出现振动，按振动的表现形式分，主要有强迫振动、颤 振、旋转失速和随机振动四种；按照叶片振动里的来源分，有强迫振动和自激振 动；按作用在叶片上的应力分有振动弯曲应力和扭转应力。
对于实际叶片振动分析，主要是自振频率、振型、振动应力和激振力的来源四个 因素。在一般清快下，频率越高，振幅越小，危险性也就越小，大幅低频振动最为危 险。
振型是指叶片以某阶自振频率振动时，叶片各部分的相对振动关系。典型的 振型有一弯、二弯、三弯和一扭、二扭等。对于涡轮转子来说，主要是一弯和一扭振 型。
在发动机环形气流通道中存在障碍物，当叶片转子经过这些障碍物时，叶片 所受的气动力将有所改变，会引起激振力。火焰筒出口流场分布是不均匀的，对 于涡轮转子会产生类似于均布障碍物的影响也会引起激振力。
颤振
颤振属于自激振动，叶片的振型与频率都与尾流激振大致相同，它与强迫振 动不同之处在于它不伴有任何带频率的激振力。颤振的频率基本上由叶片本身的几 何尺寸和材料性质所决定，因而称为“自激振动”。
颤振有亚音速失速、亚音速非失速、超音速失速、超音速非失速及堵塞颤振 等。叶片自激振动时必然要从气流中吸取能量，以补偿震动的阻尼场。发生颤振的 必要条件是气流攻角大于临界攻角，叶背气流分离引起升力变化，导致颤振。颤振 多发生在压气机转子叶片，而涡轮转子叶片很少见到颤振。颤振的危害性很大，
可在极短时间内使叶片发生断裂失效，而且往往使一个扇形面内的多个叶片断裂。
随机振动在各个频率下都有激振力，这些激振力作用在叶片上，会引起叶片 普遍的强迫振动，而在某几个频率下引起共振，这几个频率就是叶片的自振频率。 随机振动的激振源是强大的噪声，故又将此引起的叶片疲劳成为噪声疲劳，噪声源 是叶片对气流的干扰和气流燃烧。噪声越大，激振力越强，叶片受损可能性越大。
叶片的失效模式
分析叶片产生失效的主要原因，归纳起来主要包括：热疲劳在内的低循环疲 劳。振动引起的高循环疲劳，高温长时间载荷作用下的蠕变变形和蠕变应力断裂， 高温燃气冲刷腐蚀和氧化、以及外物损伤等。转子叶片的失效模式随工作条件的不 同而有所不同，主要是外物损伤、变形伸长和断裂三种失效形式。
叶片的外物损伤失效主要表现为凹坑、掉块、表层剥落、弯曲变形、裂纹和折 断等。其中凹坑、裂纹等损伤往往会成为腐蚀和疲劳断裂的初因。
转子叶片变形伸长失效的直接后果是叶身与机匣相磨，降低发动机的使用可靠 性。其主要原因有：材料选用不当或热处理工艺不当使叶片的屈服强度偏低；叶片工 作温度过高，是叶片强度降低；或者发动机超转，造成离心力过高。叶片变形失效在 实际使用中出现