某型发动机二级压气机叶片断裂故障分析研究

某型发动机二级压气机叶片属于事故多发性零部件。最近又发生了叶身断裂故障,该故障是一种新型故障,与二扭共振引起的叶尖掉角故障不同:疲劳源位于叶盆中上部,靠近叶尖断裂飞出,断裂飞出部分约为叶片的1/3,故障件断口部分呈“S”型。本文从叶片断口金相、扫描电镜分析、振动特性计算分析、叶片静频和振型测量、疲劳破坏试验、第10阶相对振动应力测量和叶片疲劳寿命评估等研究工作,分析得出造成叶片疲劳破坏的故障机理是叶片第10阶振型在发动机0.8额定转速发生共振和叶盆表面损伤。      

某发动机高压压气机Ⅳ级工作叶片裂纹故障相关计算分析

为了分析某发动机高压压气机Ⅳ级工作叶片叶尖掉角故障,采用ANSYS有限元软件对该级叶片进行了相对振动应力及振动特性计算分析。根据裂纹的起源部位,对比出现在该部位的最大振动应力值及共振裕度的大小,确定出可能导致叶尖出现裂纹的各阶频率。     

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。     

叶顶间隙对非定常激振力及下游静子振动影响

压气机叶片叶顶间隙会产生泄漏流,对非定常流动及下游静子会产生一定影响。为研究不同叶顶间隙下非定常气流激振力以及静子叶片振动响应,对不同叶顶间隙下单级压气机的非定常流动进行计算。随后分析非定常结果的流动特性。再利用快速傅里叶变换对静子表面的非定常激振力进行频谱分析,并将按不同频率分阶的载荷加载到静叶上以求解振动响应。非定常结果表明随叶顶间隙增大,效率和压比与之呈线性递减关系,叶片表面时间平均的压力也随之降低。而激振力的频域结果表明,激振力主要频率与叶片通过频率接近,且一阶激振力效应最大。振动响应结果显示随叶顶间隙增加,振动幅值有所降低,但在20%~40%叶高处有非线性现象,位移波谷有轻微下降。且前三阶响应结果接近静叶第3阶,第8阶和第17阶模态振型,频率相差为10%左右。     

基于叶尖定时原理的整体叶盘振动测试与分析

针对某发动机整体叶盘风扇部件第1级转子叶片振动故障,应用基于叶尖定时原理的多通道非接触叶片振动测试系统 对不同气动状态、不同运行转速下叶片振动参数进行测量,采用整级叶片行波分析方法分析得到了整体叶盘转子叶片的振动形式 以及叶片振动随风扇气动状态和运行转速的变化规律。测试分析结果表明：该整体叶盘转子叶片在多个转速下存在非同步振动, 同时静子参考系可观察到前行波,叶片振动频率、激振因素及振动节径均随转速变化,叶片振动Campbell图存在2条明显的激振 线,与叶片2弯和1扭振型频率线基本一致。通过测试分析可知振动激励源为宽频激励,且与试验件静子结构激振因素无关。可 通过提高叶片自身刚度、强化阻尼效果、降低弯扭耦合来改善叶片振动特性。     

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...     

小型短寿命涡扇发动机涡轮叶片疲劳失效分析

针对某小型短寿命涡扇发动机台架试车中涡轮叶片断裂故障,进行了叶片断口分析、振动监测信号对比和结构动力学特性分析.讨论了叶片的固有振动特性与激振因素,阐明了该叶片故障主要是由叶片机匣严重碰摩激起的叶片以第一阶、第二阶及其耦合模态自由振动,导致的叶片根部高周疲劳破坏.提出合理控制转静子初始间隙和提高叶片根部阻尼,能有效防止该类型故障发生.      

弯曲静子叶片对叶尖射流扩稳效果的影响

为了研究压气机弯曲静子叶片对叶尖射流扩稳效果的影响,在一台低速轴流压气机上,采用实验方法,对比分析了第1级静子叶片分别为弯曲叶片和直叶片时叶尖射流的扩稳效果以及压气机内部流场信息.结果表明:第1级静子叶片由直叶片改为弯曲叶片后,在压气机失速过程中,模态波主要集中在叶尖区域,而叶尖射流恰好是通过改善叶尖区域的流场来拓宽压气机的稳定工作范围的,所以第1级弯曲静子叶片使得叶尖射流的扩稳效果更加显著.      

某型发动机第4级压气机叶片振动特性及断裂机理分析

某型发动机第 4级压气机转子叶片断裂是由榫头工作面出现裂纹造成的。为此 ,对榫头断口进行了金相分析 ,对叶片振动特性进行了计算 ,对叶片静频和振动型进行了测量 ,并对叶片进行了疲劳破坏试验 ,结果表明 ,叶片断裂故障是由在慢车状态叶片发生 1扭共振和榫头微动磨损造成的。     

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。     

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。     

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。     

整体离心叶轮叶片的振动可靠性分析

述及了整体离心叶轮的结构及其故障模式特点,在强迫振动放大系数模型的基础上提出了离心叶轮叶片的振动可靠性分析方法,结合固有频率灵敏度分析的叶片共振相干分析,通过厚度控制来调整整体叶轮叶片的固有频率,控制强迫振动放大系数使之避开危险性共振或强迫振动,给出了一实际算例,算例及试车试验表明本文方法是有效的。      

基于激光多普勒测振的叶片振动特性试验

为了实现叶片振动特性的高精度、多点、非接触测量,对激光多普勒测振原理与应用进行了研究,将激光测振技术引入到叶片振动特性测试中,搭建了1套非接触式声激励测振系统。以某型航空发动机压气机第2级叶片为研究对象,测量出叶片表面153个测点的响应、5kHz内的前5阶固有频率和振型、前3阶应力分布,并将试验结果与有限元分析以及传统振动特性试验采用共振法、模态法获得的振动特性结果进行对比。结果表明:非接触激光测振法可以同时获得叶片高阶模态和全场应力分布,弥补了传统振动特性试验的不足。测得叶片频率与采用共振法、模态法得到的结果相比误差在1%以内,相对应力分布与有限元分析结果基本一致,证明了该新型叶片振动特性试验方法的正确性与先进性。     

宽弦风扇叶片造型对碰摩振动的影响规律

基于造型叠加建立了参数化的宽弦风扇叶片模型,利用碰摩动力学研究了叶片造型对于机匣碰摩振动的影响规律。宽弦风扇叶片的复杂几何造型可能会增大碰摩的非线性程度,因此有必要研究叶片几何外型对于碰摩响应的影响。在圆柱坐标系下建立了叶片造型和几何参数间的关系,得到了风扇叶片的参数化模型。利用三次样条拟合简化了叶顶间隙的计算,研究了偏心碰摩工况下基准叶片的振动问题,分析了振动响应、涂层磨损、叶片应力三者间的关联性。基于涂层磨损程度判断不同造型叶片的碰摩特性,实现了针对碰摩-造型相关性的快速分析。计算结果表明:叶根通流角可以显著影响叶身长度,进而改变了叶片固有频率调整碰摩共振的中心频率;叶顶扭转角通过改变最小抗弯刚度方向,可有效减小碰摩共振转速区间;相较于前倾叶片,后倾叶片有着更好的碰摩稳定性。      

压气机叶片复合疲劳试验系统的设计及疲劳寿命分析

为了模拟航空发动机工作典型状况,研究高低周复合疲劳对某型一级压气机叶片疲劳性能的影响,设计了高低周复合疲劳试验系统,进行了复合疲劳试验,振动试验及仿真分析；确定了叶片一阶振动频率为1530Hz,得出复合疲劳试验较纯低周加载缩短叶片寿命的作用高达586%。通过分析中值S N曲线和P S N曲线, S N曲线拟合系数高达099。通过对复合疲劳试验后的叶片断口进行分析,叶片断口的宏观和微观性状均出现了明显的疲劳源、高周扩展区、低周扩展区以及瞬断区,找到了叶片的断裂经历了高低周复合疲劳作用形成的明显特征区,最后说明了复合疲劳试验系统设计的合理性和可行性。      

Ⅰ级涡轮叶片振动特性研究

对某型发动机Ⅰ级涡轮转子叶片的振动特性进行了较深入的研究，并分析了它在发动机常用工作转速下发生共振的可能性，对该机原型叶片的振动特性和激振力特性进行了理论分析，计算中考虑了温度场和离心力的影响，使计算结果更接近实际情况；同时还做了叶片静频和振动应力分布试验。通过理论计算和试验测试结果分析表明：所用的分析方法可行有效，试验和计算结果具有一定程度的可信性。     

某型发动机新件涡轮叶片叶冠掉块故障分析

为排除某型发动机新件涡轮叶片叶冠掉块故障,对故障件进行尺寸检测、加工制造工艺复查、断口分析、结构和强度分析等,认为:引发故障的主要原因是叶冠转接R不圆滑、存在尖角,造成应力集中;而相邻原机件叶片弦宽尺寸超差,锯齿形工作接触面积小,以及非工作面局部碰磨,是引发故障的次要因素。采取并验证了有针对性的排故措施。     

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。