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航空发动机涡轮叶片失效分析

???涡轮叶片是航空发动机最主要的部件之一，高温1600-1800度长期工作、要承受300米/秒左右的风速、高负荷（根据作用力的大小确定）、结构复杂的典型热端机械构件，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；降低工作裕度等措施来实现。因此，研究涡轮叶片失效分析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。

1.涡轮转子叶片结构特点

???现代航空发动机多处采用多级轴流式涡轮。涡轮叶片具有气动力翼型型面，为了使燃气系统排出的燃气流竜在整个叶片长度上做等量得功，并保证燃气流以均匀的轴向速度进入排气系统从叶根到叶尖有一个扭角，叶尖处的扭角比叶根处要大。

???涡轮转子叶片在涡轮盘上的固定方法十分重要，现代大多数燃气涡轮发动机转子都采用“枞树形”榫齿。这种榫齿精确加工和设计，以保证所有榫齿都能按比例承受载荷。当涡轮静止时，叶片在榫槽内有一定的切向活动量；而当涡轮转动时，离心力将叶根拉紧在盘上。

???涡轮叶片材料是保证涡轮性能和可靠性的基础，涡轮叶片早期是用变形高温合金，采用锻造的方法制造。由于发动机设计与精铸技术的发展，发动机涡轮叶片从变形合金发展为铸造合金从实心发展为空心，从多晶发展为单晶，从而大大提高了叶片的耐热性能。由于镍基单晶超合金具有卓越的高温蠕变性能已成为制造航空发动机热端部件的重要材料。

涡轮叶片的工作条件和受力分析

2.叶片的工作条件

???涡轮叶片时直接利用高温高速燃气做功的关键部件，温度高负荷大应力状态复杂工作环境非常恶劣。涡轮叶片在高温燃气的工作条件下，高温氧化和燃气腐蚀则是其主要的表面损伤形式。氧和硫是影响镍基合金高温合金氧化抗力最有害的两种元素。氧化晶界扩散与晶界上的Cr。Al..。和Ti等元素发生化学反应形成氧化物，然后氧化物开裂，使疲劳裂纹萌生与扩展。硫以引起晶界脆化的方式加速疲劳裂纹的萌生与扩展。

???涡轮转子叶片在工作中一直处于高温工作状态，因此热疲劳和高温蠕变性能也是涡轮转子叶片的重要失效抗力指标。

涡轮转子叶片主要是共振，在一般情况下很少出现颤振。

3.涡轮转子叶片受力分析

???发动机在工作时，作用在涡轮转子叶片上的力主要有以下几种：叶片自身质量产生的离心力；作用在叶片上的弯曲应力；热应力；振动应力。

3.1叶片自身质量产生的离心力

???涡轮叶片任一垂直于叶片轴线横截面上的离心拉应力，等于该截面上的离心力沿叶片轴线方向的分量与截面面积之比。常用数值积分法求不同截面上的离心拉伸应力，将叶片分成n段，从叶尖到叶根有0，1，2，……，n，共n+1个截面，该叶片第i个截面面积为Ai则该截面上的离心拉伸应力为??

???（3-1）

叶片分段愈小，计算结果就越精确。离心拉伸应力在叶尖截面处为零。向叶根方向逐渐增大，根部截面的离心拉伸应力最大。

3.2作用在叶片上的弯曲应力

???燃气驱动涡轮转子叶片，有很大的横向其体力作用在叶片上，从而产生弯曲应力，还会引起扭转应力。若转子叶片各截面重心的连线不与z轴重合，则叶片旋转时产生的离心力还将引起离心力弯矩。作用在转子叶片某一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

3.3热应力

???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——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；

???转子叶片出现断裂失效的概率最高，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。

???叶片疲劳断裂失效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。

5.1叶片的低周疲劳断裂失效

???转子叶片在实际运行过程中，一般情况下不容易出现低周疲劳断裂失效，但在以下三种情况下，会出现低周疲劳断裂失效：

???1.叶片危险截面上所受的正常工作应力虽低于材料的屈服强度，但当危险截面附近存在范