叶尖定时在压气机转子叶片裂纹故障排除中的应用

介绍了基于叶尖定时的转子叶片振动非接触测试系统的基本原理。将叶尖定时技术成功应用在涡扇发动机压气机第6级转子叶片振动测试中,获取了全转速范围的叶片振动关键信息。测试结果表明,第6级转子叶片在转速10 557 r/min时发生共振,通过单自由度和周向傅里叶算法获取叶片振动信息,包括振动频率和幅值。利用叶片有限元模型建立叶尖位移与叶片关键点应力的位移-应力换算系数,实现叶片关键位置动应力重构。结合古德曼曲线完成极限应力转换,明确共振不是导致叶片出现裂纹的原因。通过压气机逼喘试验,确定所有叶片异步振动迅速增加,幅值增长倍数高达233.33倍。综合压气机前期试验情况,认定喘振试验次数过多和喘振时异步振动急剧增加导致动应力过大是叶片产生裂纹的主要原因。     

某空心风扇叶尖进气道封焊疲劳失效研究

针对某空心风扇叶片叶尖在高循环疲劳试验中异常失效的现象,应力分布测试和振动仿真分析表明应力集中部位与失效位置不符,断口分析结果表明裂纹萌生于叶尖的通气孔封焊部位,磨除进气道封焊层的叶片试验验证表明失效源于叶尖进气道焊接缺陷。基于失效机理分析及验证,确定失效源于加工环节焊接工艺选择不当且焊接控制不良,因此制定了更换封焊工艺为电子束焊和CT检测环节的改进措施。     

某型发动机高压压气机第6级静子叶片掉角故障分析

针对某型发动机高压压气机第6级静子叶片掉角故障,分别进行了断口分析、强度计算、振动模态试验和整机动应力测试,综合分析结果表明:第6级静子叶片掉角断口均属于高周疲劳;实测第9阶振型的最大相对振动应力区与故障叶片的裂纹起始位置吻合;第9阶自振频率对叶尖附近的弦长、厚度及尾缘R的尺寸微小变化很敏感。采取了增加频率限制、对涂"W"漆前的吹砂工艺进行细化以保护叶片的措施,使得该故障得以排除。     

离心叶轮高速旋转叶片振动测量与特性分析

为了解离心叶轮高速旋转叶片的振动特性,对其进行振动应力测量与叶尖振幅测量,并将两种方法的测量结果进行对比分析。在介绍振动应力测量与叶尖振幅测量基本原理及数据处理方法的基础上,对离心叶轮高速旋转叶片进行了振动测量与分析。分析结果表明,两种方法均能有效识别叶片的5个共振转速区以及相应的激励源(转速的4,8和17倍频)。振动应力测量与叶尖振幅测量识别的叶片最大共振转速差异为0.56%,识别的叶片最大共振频率差异为1.78%。以振动应力测量结果为参考,验证了叶尖振幅测量结果的准确性和有效性。     

旋转状态下叶片振动应力的断口反推法

 提出了一种确定航空发动机叶片振动应力的新方法——断口反推法。该方法依据断裂力学的基本原理,从叶片实际断口测得裂纹疲劳扩展速率 da/d N值,并利用材料的裂纹扩展速率 da/d N同裂纹应力强度因子幅值 ΔK之间的关系,确定出叶片在振动应力作用下的振动应力强度因子;然后采用有限元数值计算方法对叶片进行静力分析、模态分析及裂纹应力强度因子计算,最后反推出叶片在旋转状态下振动应力值的大小。该方法根据叶片的实际断口情况计算出叶片在断裂之前的振动应力值,对于叶片的故障分析及故障排除将具有重要的意义。     

航空发动机风扇静子叶片裂纹失效分析

针对某型航空发动机风扇静子叶片前缘靠近上缘板部位在振动疲劳试验结束后发现的裂纹故障,运用荧光探伤检测、 断口宏微观分析、叶片表面划痕来历分析、源区表面检查、材质分析及有限元应力模拟分析等技术手段,对该裂纹的性质及萌生原 因进行细致分析。分析结果表明：故障风扇静子叶片裂纹的性质为高周疲劳,裂纹断口疲劳起源于叶片叶盆侧前缘靠近上缘板基 体表面划痕处,呈多源线性起始特征。疲劳源区距前缘距离约为2.3 mm,疲劳源区表面未见明显冶金缺陷,疲劳裂纹的萌生与叶 片表面划痕有关。建议严格控制振动光饰机中磨粒棱边的圆滑度,不应存有锋利棱角,避免在振动光饰时磨粒划伤叶片表面,降 低叶片表面完整性,在叶片划伤部位出现应力集中现象。     

某烟机叶片断裂故障分析

烟气膨胀机的核心部件两级涡轮转子叶片发生了大量裂纹折断事故。本文从外观检查、无损探伤、金相检查、化学成分与机械性能测定、有限元应力分析、振动特性分析与实测等技术环节对故障原因进行了较全面的分析。确定材料热处理制度、烟气粉尘在导叶中的局部堵塞、叶片被冲蚀减薄后的应力增大、以及激振力等因素共同促成第2级叶片一弯疲劳断裂;前三因素导致一片第1级叶片产生机械一蠕变裂纹。并对以往第1级叶片大量在叶尖开裂的原因进行了讨论。为工厂解决了技术关键,提出了排故建议。所采用的分析方法与手段可供工程应用参考。     

压气机转子叶片掉块失效机理分析

针对航空发动机压气机转子叶片在工作中发生的掉块故障,通过对故障叶片进行宏观检查、断口分析、叶尖端面检查、 材质及有限元分析等工作,确定了压气机转子叶片掉块的性质和原因。结果表明：叶片掉块性质源于叶尖与加强筋之间前缘区域 叶盆侧表面的疲劳裂纹,裂纹扩展并产生瞬时断裂,最终形成掉块。排除了叶片由外来物打伤及材质和冶金缺陷等异常因素造成 掉块的可能性。掉块原因为故障叶片叶尖与机匣封严涂层之间存在较重的非均匀碰摩,在叶片进气边叶尖与加强筋之间区域产 生应力集中,在振动应力和离心载荷的共同作用下,导致叶片萌生疲劳裂纹并扩展,进而形成掉块。为避免类似故障再次发生,建 议适当加大转子叶片与机匣的径向间隙,并严格控制装配质量和机匣封严涂层尺寸。     

高温合金涡轮转子叶片裂纹形成机理

高温合金涡轮转子在经历过多次发动机试车后荧光检查发现叶片根部存在裂纹,对涡轮转子叶片裂纹进行分析。结果表明,涡轮转子叶片裂纹位于叶片根部进出口薄壁区,裂纹的开裂模式为高温疲劳开裂,属于低周疲劳,为寿命型失效。试车过程中转子叶片根部应力集中部位在高温及交变应力的交互作用下,叶尖根部应力集中区域发生蠕变和晶界择优氧化,高温蠕变和沿晶氧化相互促进,导致叶片根部的晶界弱化开裂,形成了疲劳源区,进而在后续工作过程中发生高温疲劳扩展。     

含裂纹叶片的轴流式压气机整体叶盘振动特性分析

某型轴流式压气机性能试验过程中出现转子叶片裂纹故障.结合该型压气机结构特点,分析了振动响应的时域信号、频域信号以及高频成分出现的频率波动现象,总结了含裂纹叶片的轴流式压气机整体叶盘振动特性.分析结果显示:含裂纹叶片的整体叶盘使得轴流压气机振动响应呈现非线性特性;振动频谱中出现共振峰分离现象,表明叶片裂纹引起轴流压气机1级转子叶盘出现结构失谐;随转速升高,两个共振峰对应频率均出现波动现象(波动周期分别约为8s和9.2s),叶片裂纹不断扩展且数量增加,整体叶盘失谐程度不断加深,整体叶盘系统出现低阶模态局部化现象.      

转轴-轮盘-裂纹叶片耦合系统的叶尖振动特性

航空发动机叶片在极端恶劣环境中工作,容易产生裂纹进而缩短叶片寿命,严重影响航空发动机的安全运行。以转轴-轮盘-裂纹叶片耦合系统为研究对象,采用有限元、假设模态混合的建模策略,利用有限元模拟转轴,基于Kirchhoff板理论、Timoshenko梁理论模拟轮盘、旋转叶片,并根据时变的释放应变能确定呼吸裂纹导致的时变损失刚度,建立了相应的动力学模型;通过对比耦合系统的固有特性和振动响应验证了提出方法的正确性;剖析了重力载荷、转子不平衡力、气动载荷对叶尖振动特性的影响,并研究了不同无量纲裂纹深度和裂纹位置对叶尖振动特性的影响。研究结果表明：健康叶片中,重力载荷会导致叶片产生振动,转子不平衡力会导致叶片发生静变形;在旋转状态下,裂纹叶片导致叶尖弯曲位移产生偏移量;在气动载荷作用下,呼吸裂纹导致叶片发生非线性振动;常值分量与转频幅值比、常值分量与气动激励频率幅值比是评价呼吸裂纹的有效指标。本文的建模方法和分析结论可为航空发动机叶片裂纹故障诊断提供了一定的理论依据。     

某型发动机压气机转子叶片叶尖裂纹故障排除方案试验验证

针对某型发动机压气机转子叶片叶尖裂纹故障,制订了4种排故方案。进行了振动特性、应力分布测量及台架动频动应力测量对比试验,对各排故方案作出了评价,从而确定了最终的排故方案。试验表明4种排故方案均能有效降低振动应力,但方案4优于其它3种方案,能使振动应力水平降低60．6％,频率提高11．5％。     

基于统计特征的航空发动机风扇外物撞击检测

为了检测识别航空发动机工作过程中的风扇外物撞击事件,采用非接触叶尖振动测量系统对风扇叶片叶尖振动位移进行实时采集与检测。通过风扇叶片非接触叶尖振动位移数据统计分析,发现叶尖振动位移服从正态分布,并采用Epps-Pulley假设检验证明。设计了基于统计特征的风扇叶片外物撞击叶尖振动位移检测算法,采用该方法获取了风扇转子不同转速下外物撞击叶尖振动位移检测阈值。对风扇转子转速为3000r/min状态下,直径16mm、质量为2.9g的外物弹体撞击风扇叶片的振动位移数据进行分析,并采用高速摄像系统对该方法识别结果的可靠性进行验证。结果表明:基于统计特征的发动机风扇外物撞击检测方法,能够准确识别外物撞击风扇叶片事件及发生撞击的叶片编号。     

转子叶片气弹稳定性与强迫响应分析

针对由叶轮机械转子叶片流致振动引起的叶片高循环疲劳失效的突出问题,采用数值模拟方法对叶片流致振动特性进 行预测分析。常见的流致振动问题包括气弹稳定性和强迫响应,分别以压气机和高压涡轮转子叶片为例给出了气弹稳定性和强 迫振动响应的分析方法及其流程。对于压气机叶片,采用能量法和特征值法进行了气弹稳定性计算。结果表明：气弹稳定性结果 相互吻合,在高阶模态下的气动阻尼比在低阶模态下的更小,根据振型特征确定危险点位于叶尖近前缘和近尾缘部位,在该部位 可能导致叶片掉角;对于高压涡轮叶片,分析了其强迫振动响应特征。结果表明：叶片非定常气动激励主要来源于上游导叶,在设 计状态下其频率距离转子叶片第5阶模态频率较近,并对危险模态阶次的共振应力进行分析,在0.14%阻尼下振动应力最大可达 134 MPa。     

DD6 单晶合金涡轮叶片排气窗裂纹分析

针对DD6单晶合金涡轮叶片在试车一定时数后发生的排气窗裂纹故障,通过裂纹特征观察、断口形貌对比、金相组织检查、化学成分分析和微裂纹模拟试验等方法,进行裂纹性质及产生机理的研究。结果表明:叶片排气窗裂纹性质为疲劳裂纹,起源于间隔墙转接部位再结晶晶界处的微裂纹;试车时振动应力的作用使微裂纹扩展;间隔墙部位的再结晶晶粒在试车前已经存在,与过大的铸造残余应力有关,再结晶检验时腐蚀液侵蚀再结晶晶界形成微裂纹;在叶片铸造时,型芯强度对间隔墙再结晶有明显影响,型芯的强度越高,产生再结晶的几率越大。     

高压涡轮叶片叶尖裂纹激光焊修复研究

在修理某发动机时,发现很多高压涡轮叶片叶尖出现超出使用技术条件规定的裂纹,导致大量叶片报废,分析认为裂纹的产生是"钉扎效应"的结果,而且是先腐蚀后开裂的。为修复这些高压涡轮叶片,缩短发动机修理周期、降低修理成本,采用高钨、锰含量的镍基超合金作为补焊材料,同时采用固体激光脉冲焊接的工艺方法对产生叶尖裂纹的高压涡轮叶片进行了修复。修复后的高压涡轮叶片经去除应力、热处理等工序步骤后,通过了热冲击试验、整机试车考核和装机使用,说明采用该种修理工艺修复的高压涡轮叶片可以满足装机使用要求。     

航空发动机第1级风扇叶片鸟撞研究

针对目前对鸟体撞击风扇部位影响分析不全的问题,计算了鸟体飞向叶片不同部位和穿过支板间隙的概率,在此基础上分析了鸟体撞击旋转状态第1级风扇叶片不同位置的概率。基于数值模拟技术,建立了鸟体撞击叶片的有限元模型,模拟鸟撞击风扇叶片叶尖、叶中、叶根部位,在分析引起叶片不同位置塑性变形的基础上,进一步确定了风扇损伤最大的位置。针对4种不同的鸟体撞击速度,对发动机第1级风扇叶片鸟体撞击部位损伤进行了分析。得到鸟体穿过叶尖部位支板间隙的概率约为50%,撞击叶尖部位概率约为16.7%,是最容易撞击的部位,受到的损伤也较大。计算结果可以为确定发动机风扇叶片鸟体撞击损伤提供参考。     

涡喷发动机叶片振动的线弹断裂力学分析

分析了涡轮喷气发动机的振动与线弹性断裂力学（ＬＥＦＭ）的关系。以叶片为例，将Ｇｒｉｆｆｉｔｈ准则和叶片的振动应力，特别是共振应力联系起来分析。接着用振动与晶体变形的关系来分析各种裂纹扩展的原因和条件以及叶片共振时各种裂纹叠加的可能性。     

多级压气机转子负荷系数对叶片非同步振动的影响

通过理论计算分析与试验研究，解释了核心机试验中调节叶片（VSV）异常偏关引起的转子叶片非同步振动（NSV）现象。首先对出现叶片振动的前1.5级压气机进行了全环非定常数值模拟研究。数值结果表明当第1级静叶安装角从偏关2°逐渐调节到偏关6°时，第1级转子叶片负荷逐渐增加，并出现明显的分离流动结构，该流动现象在转子叶片上产生非整数倍转频的压力脉动激励，这是典型的旋转失稳（RI）现象特征。为进一步研究旋转失稳诱发非同步振动与转子气动负荷之间的关联，在6级跨声压气机试验件上开展了系统性的计算与试验研究。通过二维通流计算评估了不同进口导叶/静叶（VIGV/VSV）角度下，第1级转子负荷随转速的变化规律。进而通过6级压气机试验，观察到当第1级静子叶片调整到偏关8°以及第1、第2静子叶片同时调整到偏关4°和偏关3.6°时，第1级转子叶片均出现了非同步振动现象。通过分析第1级转子叶片表面应变的频谱和机匣动态压力脉动的频谱，建立了二者的内在关联。明确了除叶尖径向间隙大外，可调导叶/静叶偏关同样会在转子叶尖形成高负荷，导致叶尖区域流动不稳定进而诱发叶尖旋转失稳现象。研究结果对于多级压气机的设计工作具有重要的...     

轴流压气机整体叶盘叶片裂纹故障研究

某型高压压气机整体叶盘在使用过程中出现叶片裂纹故障。运用ANSYS软件对该转子叶片振动特性进行详细计算分析,并结合裂纹叶片断口宏观、微观及金相组织检查结果,找出了转子叶片裂纹产生的原因;针对故障原因,采取相应改进措施,对转子叶型及结构进行优化设计,并完成试验验证考核。结果表明,针对该叶片裂纹故障的原因分析准确,改进措施有效。