航空发动机涡轮叶片故障分析与修理毕业设计

航空发动机涡轮叶片故障分析与修理毕业设计航空发动机涡轮叶片故障分析与修理毕业设计南京航空航天大学毕业设计航空发动机涡轮叶片故障分析与修理学生姓名学号021270160学院航空宇航学院专业飞行器设计与工程班级12指导教师二〇一四年六月-2-南京航空航天大学本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：航空发动机涡轮叶片故障分析与修理）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名：2014年06月10日（学号）：021270160航空发动机涡轮叶片故障分析与修理摘要燃气涡轮是航空燃气涡轮发动机的重要部件之一。涡轮叶片分为涡轮转子叶片和导向叶片。涡轮转子叶片是把高温燃气的能量转变为转子的机械功的重要零件。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、气体力和震动符合，可见涡轮转子叶片的工作条件十分恶劣。导向叶片使燃气在通过其的过程中速度增加，压力及温度下降，气流方向改变。虽然导向叶片是静止件，但是工作条件十分恶劣，除了受较大的气动力与不稳定的脉动符合外还处于高温燃气的包围之中，温度高，冷热变化大，温度不均匀严重。它们的工作环境都十分恶劣，但是它们都是燃气涡轮发动机的重要组成，涡轮转子叶片还是发动机寿命的主要零件之一。因此，对涡轮叶片的故障的研究是十分必要的，对涡轮叶片的维护是必不可少的。关键词：燃气涡轮，叶片维护AnalysisandrepairthefaultofaeroengineturbinebladeAbstractGasturbineisoneoftheimportantcomponentsofaerogasturbineengine.Turbinebladeforturbinerotorbladesandguidevanes.Turbinerotorbladeistheimportantpartofhightemperaturegasenergyintomechanicalworkoftherotor.Whenworking,surroundedbyhightemperaturegasnotonlyisconstantlychanging,anditalsobearhugecentrifugalforce,thehigh-speedrotationofthegasforceandvibrationwithvisibleturbinerotorblades,thepoorworkingconditions.Guidevanegasincreasedfasterintheprocess,thepressureandthetemperaturedrop,changeofflowdirection.Althoughtheguidevaneisstationary,buttheworkconditionisverybad,inadditiontotheaerodynamicforcelargeandunstablepulsationmeetisinhightemperaturegassurrounded,hightemperature,hotandcoldchanges,uneventemperatureseriously.Theirworkingconditionsareverybad,buttheyareanimportantcomponentofgasturbineengine,oneofthemainpartsofturbinerotorbladesorenginelife.Therefore,researchonfaultofturbinebladesisverynecessary,maintenanceofturbinebladeisessential.KeyWords：Gasturbine，Blademaintenance目录摘要3第一章涡轮叶片的故障分析61.1转子叶片的振动类型及其特征61.1.1转子叶片的震动分类与基本振型61.2涡轮叶片的常见裂纹71.3涡轮叶片的常见裂纹71.3.1蠕变断裂71.3.2热疲劳断裂81.3.3疲劳断裂9第二章飞机发动机叶片的维修技术112.1修理前的处理与检测112.1.1清洗112.1.2无损检测112.1.3叶型的精确检测122.3叶片修理技术122.2.1焊接修理122.2.2热喷涂技术132.2.3喷丸强化142.2.4涂层修复15结束语16参考文献17致谢18第一章涡轮叶片的故障分析涡轮叶片是航空发动机最主要的部件之一，是高温、高负荷、结构复杂的典型热端构件，它的设计制造性能和可靠性直接关系到整台发动机的性能水平耐久性和寿命。为了提高发动机的推重比，叶片设计时常采用比强度高的新材料；采用先进复杂的冷却结构及工艺等措施来实现。因此，研究涡轮叶片故障对提高发动机工作安全及正确评估叶片的损伤形式和损伤程度有重要意义。分析叶片产生损伤的主要原因，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。叶片变形在实际使用中出现的概率较低。判断叶片是否发生变形伸长的主要依据是检查机匣有无磨损的痕迹或检查叶片是否由于使用温度过高而发生蠕变。转子叶片出现断裂的概率最高，其危害性也最大，往往是一个叶片折断而打坏其他叶片，乃至使整台发动机无法工作而危及飞行安全。除因外物撞击造成叶片瞬时过载断裂外，绝大多数是由于各种原因引起的不同类型的疲劳断裂失效。叶片疲劳断裂主要是因为离心力叠加弯曲应力引起的疲劳断裂、由振动环境引起的颤振，扭转共振、弯曲振动疲劳断裂以及由环境介质以及接触状态引起的高温疲劳、微动疲劳和腐蚀损伤导致的疲劳断裂。但由于叶片工作环境的复杂性，叶片实际的疲劳断裂往往并非上述某一模式。而是多种情况的叠加。1.1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。1.1.1转子叶片的震动分类与基本振型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。（1）尾流激振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。（2）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。（3）随机振动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。1.2涡轮叶片的常见裂纹涡轮叶片用合金钢（GH37）制作，裂纹较多。特别是一级工作叶片，沿叶片弦长方向的横向裂纹较多，沿叶高方向的纵向裂纹较少。随着发动机使用时间的增加，故障率逐渐增大。横向裂纹多产生在距叶根三分之一处的排气边，叶背与叶根的转接圆弧处，裂纹逐步扩展断裂，叶片榫齿也常发生裂纹。1.3涡轮叶片的常见裂纹1.3.1蠕变断裂金属材料在一定温度下，收持续应力的作用而引起的缓慢的塑性变形叫做金属的蠕变。引起蠕变的的应力叫蠕变应力。在蠕变应力作用下，蠕变变形逐渐增加，最终断裂，这种断裂叫蠕变断裂。导致断裂的最小应力叫做蠕变断裂应力，又称蠕变强度或蠕变断裂强度（持久强度）。蠕变可发生于低温和温室下，但只有当温度高于0.3Tm（Tm是用绝对温度表示的熔点）时才显著起来，才必须给予重视。温度愈高，蠕变现象愈显著。随着工作时间的增长，叶片的变形逐渐增大。所以，涡轮叶片在高温下承受负荷，其毁坏是逐渐产生的。当然，燃气温度越高，负荷越大，引起毁坏的期限也越短。蠕变过程中同时存在晶内滑移和晶界变形，并在一定温度和应力条件下形成空洞和裂纹，裂纹发展，导致断裂。多以解释蠕变机制的应力集中理论和空位聚集理论。（1）引力集中理论在三晶交接处及晶界与滑移线的交截处因形变而产生应力集中，形成楔形沿晶裂纹，裂纹扩展，导致晶界断裂。（2）空位聚集理论空洞肯能在下列两种情况下形成：在应力和热骚动的作用下，晶体内点缺陷选择与拉应力垂直的方向运动，停止与拉应力的方向上，空位在此界面上逐渐聚集，达到一定数量时，晶界破裂，形成空洞；另外，滑移面和滑移界的交割，具有析出物的晶界滑动，形成空洞。空洞在应力持续作用下逐步长大，连续成波浪形（R形）裂纹，发生沿晶界断裂。裂纹的宏观形态特征是：裂纹往往出现在边缘，呈短细的裂口状，并伴随有零件的外形变化。在光学显微镜下观察，蠕变裂纹的起源处的形态往往是境界空穴，裂纹沿晶界扩展，断口呈颗粒状，表面有一层很厚的氧化膜。1.3.2热疲劳断裂1）概述热疲劳断裂是由于交变热应力或热应变作用而产生的疲劳破坏。热应力是由于温度分布不均、金属自由膨胀或收缩受到限制而产生的。图14热疲劳曲线发动机涡轮导向器叶片的裂纹是热疲劳断裂的典型例子。如图14所示是叶片在发动机启动、停车过程中热气流引起的热应变特性曲线（叶片本体温度用体积平均温度Tm表示，叶片排气边温度用Tc表示）。叶片排气边较薄，加热、冷却比叶片中部快，这样，排气边和叶片中部的温差很大，热应力和热应变也很大，其最大值位于排气边。发动机启动时，使叶片排气边的热应力从O点增加到A点（c所示）。叶片上文的温度梯度达到最大值（a所示）以后温度梯度逐步减小，到达弹性拉伸区的B点。高温时，由于蠕变变形，应力松弛使机械应变为零（b所示）。停车时，叶片排气边薄，受到拉伸载荷作用（从D到E），产生塑性变形。此时温度已低可以不考虑E点时蠕变。拉应力和应变在E点达到最大值。这时叶片排气边和中部温度差也达到最大值。然后冷却，排气边的负荷减小，直到应变为零，回到回线的Oˊ点，此时达到等温状态，完成了一个热应力——应变循环。以上分析说明，发动机翻修时，为什么总是在叶片的排气边有裂纹。2）热疲劳裂纹及断口的形态特征宏观上，热疲劳裂纹一般较粗短，有时呈裂口状，由于零件表面受温度影响而具有一定色泽，所以宏观检查难以发现热疲