航空发动机涡轮叶片

摘 要

摘 要

本论文着重论述了涡轮叶片的故障分析。首先引见了涡轮叶片的一些根本常

识；对涡轮叶片的结构特点和工作特点进行了详尽的论述，为进一步分析涡轮叶片故障做铺垫。接着对涡轮叶片的系统故障与故障形式作了阐明，涡轮叶片的故障形式主要分为裂纹故障和折断两大类，通过图表的形式来阐述观点和得出结论；然后罗列出了一些实例（某型发动机和涡轮工作叶片裂纹故障、涡轮工作叶片折断故障）对叶片的故障作了详细剖析。最后通过分析和研究，举出了一些对故障的预防措施和排除故障的方法。

关键词：涡轮叶片论述，涡轮叶片故障及其故障类型，故障现象，故障原因，排除方法

ABSTRACT

ABSTRACT

This paper emphatically discusses the failure analysis of turbine blade.First introduced some basic knowledge of turbine blades;The structure characteristics and working characteristics of turbine blade were described in she wants,for the further analysis of turbine blade failure Then the failure and failure mode of turbine blades;Turbine blade failure form mainly divided into two major categories of crack fault and broken,Through the graph form to illustrate ideas and draw conclusions ;Then lists some examples(WJ5 swine and turbine engine blade crack fault,turbine blade folding section)has made the detailed analysis of the blade.Through the analysis and research,finally give the preventive measures for faults and troubleshooting methods.

Key words: The turbine blades is discussed，turbine blade fault and failure type，The fault phenomenon，fault caus，Elimination method

目 录

目 录

第1章 涡轮叶片及其故障模式 ........................................ 1

1.1涡轮叶片的简述 ..................................................................................................... 1

1.1.1涡轮的工作叶片 ................................................ 1

1.1.2导向叶片 ...................................................... 2

1.2涡轮叶片的故障类型 ............................................................................................. 3

1.2.1涡轮叶片常见故障 .............................................. 3

第2章 某型发动机以及涡轮工作叶片折断故障 .......................... 5

2.1故障现象 ................................................................................................................. 5

2.2故障原因分析 ......................................................................................................... 5

2.2.1发动机分解检查 ................................................ 5

2.2.2理化分析 ...................................................... 6

2.2.3台架动应力测试 ................................................ 8

2.2.4结构应力计算分析 .............................................. 8

2.3故障分析结论 ......................................................................................................... 9

2.4防止涡轮叶片断裂的措施 ..................................................................................... 9

2.4.1发动机设计制造方面防止涡轮叶片折断的措施 ..................... 10

2.4.2飞行使用中防止涡轮叶片断裂的措施 ............................. 10

第3章 涡轮工作叶片裂纹故障 ....................................... 13

3.1故障现象 ............................................................................................................... 13

3.2故障原因分析 ....................................................................................................... 13

3.2.1叶片叶尖裂纹状态 ............................................. 14

ABSTRACT

3.2.2裂纹形成及发展特征 ........................................... 17

3.3故障分析结论 ....................................................................................................... 20

3.4叶片纵向裂纹故障的修理方法 ........................................................................... 20

3.5排故措施与效果 ................................................................................................... 26

第4章 结束语 ..................................................... 28

参考文献 .......................................................... 29

谢 辞 ............................................................. 30

附 录 ............................................................. 31

外文文献 .......................................................... 33

第1章 涡轮叶片及其故障模式

第1章 涡轮叶片及其故障模式

1.1涡轮叶片的简述

一般将转子叶片称作工作叶片，将静子叶片称作导向叶片。导向叶片位于工

作叶片前方，在燃烧室中爆发的高温高压燃气流经导向器叶片时会被整流且在收敛管道中将局部压力能转换为动能，而后加速,最终产生一个角度而更加有效地撞击下一列转子叶片。转子叶片转动带动压气机部件工作，提供压气机进一步对气体做功的能量。

1.1.1涡轮的工作叶片

叶身与榫头属于工作叶片的两大部分。

(1)工作叶片的叶身

气动力较大是由于涡轮级中的转换能量较大，即折转较大，气流速度较大，

故涡轮叶片叶型剖面曲率大，叶身厚，并且沿着叶高的截面变化也相对明显。在

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叶尖部分（包括叶身顶端与上部）常常有一些特殊构造，如叶顶戴冠能提高刚性并建立阻尼，起减振作用，叶片叶尖有“切角”来达到修频效果等。

(2)榫头

涡轮工作叶片的榫头一般都是枞形的。因为这种榫头具有材料利用率高、重

量轻、强度高、对热应力不敏感等优点，更适合于高温高负荷的工作条件。但它的缺点是：对加工精度要求高，成本高，榫槽内热应力大。

为了改善应力分布，在叶身和榫头之间设一段伸根，伸根上有冷却空气的进口。

由于涡轮工作温度高，所以材料选用耐高温的镍基合金，重量比较重。由于

同样的原因，在涡轮叶片还要采取冷却措施，特别是第一级高压涡轮叶片通常是中空的，叶身内部是迷宫式的冷却空气通道，采用对流、气膜、冲击等冷却技术降低工作叶片温度。

1.1.2导向叶片

涡轮部件中温度最高和承受热冲击最猛烈的零件当属导向叶片，它对材料的

要求为：

（1

）在高温下有高的抗氧化和抗热腐蚀的能力，由于它工作温度很高，这一

第1章 涡轮叶片及其故障模式

要求尤为突出。

（2）具有良好的抗热疲劳与抗热冲击的性能，以及足够的耐热强度。

（3）具有良好的铸造工艺性，特别是铸造的流动性能好。

目前，为了进一步提高涡轮转子与导向叶片的高温能力，发展涂层技术已成

为重要举措之一，它既能防止基本的氧化腐蚀，又能很好的隔热。

1.2涡轮叶片的故障类型

1.2.1涡轮叶片常见故障

叶片的故障和故障类型因工作环境的不同而有所不同，常见的故障有：裂纹

断裂，强度不足和高低疲劳损伤，相对前三种故障，高低疲劳损伤发生得最多。

(1)强度不足及其故障模式

叶片的强度不足故障是指叶片工作时某一部位或断面的应力超过材料的断裂

应力而造成损伤。这种故障大部分是由于叶片设计时裕度不够，受叶片截面内部留有残缺隐患或瞬态冲击载荷所造成。比如工艺缺陷，叶片材质不好和环境影响等因素。强度不足的故障模式有：挠曲，形变，裂纹以及断裂等等。

(2)高周期疲劳损伤及其故障模式

叶片高周疲劳损伤即通常说的高循环应力疲劳损伤，其疲劳一方面取决于叶

片的疲劳应力水平，叶片的应力循环次数。另一方面取决于叶片振动应力水平的高低，应力越高，循环次数越低。

叶片的高周疲劳断裂部位常位于叶片的最大应力截面，叶片的最大应力截面

和振型相关。对于一阶弯曲振动，最大应力截面沿着叶尖向上移，其断口轨迹一般为一条直线。对于复合振型和扭曲振型，其最大应力截面亦因振型不同而不同。对于高阶振型，最大应力截面亦随阶次的增高沿着叶尖向上移，其断口轨迹是先平后翘。故研究叶片的断裂部位与断口轨迹，均能够判断叶片属于哪种振型的振动故障。 叶片的高周疲劳大部分属于共振疲劳损伤，其排除方法通常是避开共振，即一是改变叶片的固有频率；二是改变激振频率。

高周疲劳故障模式一般表现为裂纹和断裂。

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(3)低周疲劳损伤及故障模式

叶片低周疲劳损伤又称作大应变疲劳损伤。因应力水平较高，其损伤的疲劳

循环次数较低，通常循环次数N＜103。低周疲劳损伤大都由于叶片颤振现象或叶片气弹失稳现象所造成，因此也称作颤振故障，它主要在特定条件下由叶片弹性耦合与气动力特性所确定。

叶片低周疲劳损伤的断口特征通常也有三个区域，裂纹的形成区和扩展区交

集在一块，疲劳弧线较粗糙，疲劳条带间距较大，表面粗糙。这与高周疲劳断口有显著的不同。

低周疲劳故障模式一般也表现为裂纹和断裂。

总而言之，叶片振动故障在航空发动机中被归类为具有极大危险程度且多发

性的故障，其发作机理有时是较复杂的，排故方法亦是多样化的，是从事于发动机研究、设计、生产和维护者们必须注意的问题。

第2章 WJ5甲型发动机以及涡轮工作叶片折断故障

第2章 WJ5甲型发动机以及涡轮工作叶片折断故障

2.1故障现象

1991年5月30日，东方航空一架某型号飞机从厦门返回南昌。飞机滑入跑道

请求起飞，这时右发转速102﹪，排气温度430-450℃，发动机参数无异常，收到起飞命令后，推油门过程中猛听一声闷响，右发转速急速下降，当即停车。

1991年11月24日，太原航空一架某型号发动机于太原空域油门由12°向22°

推进时发出“咚”闷响，扭矩压力减为0，振动极其大，驾驶人员马上将油门由22°推向30°，扭矩压力恒定，温度屑信号灯变亮。立即使用人工顺桨停车，单发成功着陆。

1991年12月10日，吉林局某型号飞机在合肥正准备起飞。机械师将油门推

到20°，这时右发的T4温度为260°，振动值0.6g，发动机的工作参数无异常。随即在把油门推到26°的一瞬间，右发突然发出“砰”的一声响，紧接着飞机振动剧烈。机组火速取消螺旋桨限动，关掉停车电门。这时排气温度640℃，飞机单发滑回停机坪。

1992年1月17日，在南京机场起飞滑行过程中的东方航空某型号飞机，左发

某型号发动机忽然猛烈颤动，当即停车。

故障出现后，为确保飞机和人员安全，在没有查清故障原因以及落实排故措

施的情形下，该型号飞机全部停飞。

2.2故障原因分析

2.2.1发动机分解检查

以上四台故障发动机在返会大修厂解剖检查时发现，某型号一级发动机涡轮

工作叶片统统断开，其余三台各有1片一级涡轮工作叶片断开（见图2-1），四台发动机的第二和第三级涡轮工作叶片、各级导向叶片和他关联零件全都受到不同

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程度地损伤。从故障现象大致可以断定四台发动机故障全是由一级涡轮工作叶片这一段造成的。

图2-1 折断叶片

2.2.2理化分析

(1)断口分析

为了确定首断件，排除受害零件，对故障发动机所有断裂件展开断口分析。

经分析确认，四台发动机中各有1片一级涡轮工作叶片是疲劳断裂，剩下断

裂件都是瞬间被动破坏。仔细观察这4片一级涡轮工作叶片的折断面，能够看到两个形貌不同的区域组成了断口（图2-2、3、4），即疲劳区和瞬断区，严重缺陷存在于每个疲劳区，每个叶片缺陷具体情况及工作时间见表2-1。

第2章 WJ5甲型发动机以及涡轮工作叶片折断故障

图2-2 断口低倍放大全貌 图2-3 主疲劳扩散区形貌

需要阐明的是，在工艺过程中运用Sn-Bi合金定位后，叶片表面残留Sn、Bi

元素是导致Sn-Bi12WJ5AI910311号发动机叶片缺陷的形成的因素之一。合金于叶片的工作温度下呈液态，对叶片的材料—K405合金能产生致脆效果，因而其折断叶片的断口属于脆断；另外的全是冶金缺陷，这和铸造过程中的偶然因素息息相关，因在X光的检验盲区没有发现缺陷。同时疲劳条带在断口上清晰可见，这些疲劳条带全都起始于缺陷处。

经过断口分析能够确定，带有缺陷的一级涡轮工作叶片是四起故障的罪魁祸

首。

（2）材质分析

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一级涡轮工作叶片通过K405合金在真空条件下精铸而成，每熔批全都进行了

力学性能以及化学成分检测，然后记录存档。通过检查故障件熔批的理化分析记录，其力学性能和化学成分符合验收技术标准，因而可以排出材料力学性能不达标造成故障的因素。

（3）过热分析

通过四台发动机故障叶片金相检测，没有发现γ′相聚集、长大、回溶现象，

因此排出了金属过热造成故障的因素。

2.2.3台架动应力测试

为查明在发动机全转速范围内一级涡轮工作叶片是否有危险共振产生，展开

了台架动应力测试，该试验运用电测法进行，试验结果显示：没有发现一级涡轮工作叶片在发动机全转速范围内存在危险的共振。

2.2.4结构应力计算分析

一级涡轮工作叶片为伸根结构、对分大圆弧齿带冠、叶身带7个径向冷却孔。

为了避开冷却孔进气口，伸根设计成和中心线成32º50＇的夹角，设一加强筋在叶身重心下方。

针对四起折断故障的断裂部位全都是伸根段，为查明强度设计的薄弱区域是

否存在于申根段，运用大型的结构应力分析计算程序对伸根段展开了三维的有限元弹性应力分析。

计算状态：取最大载荷状态-起飞Ⅱ状态。

伸根段的工作温度：660℃。

660℃时材料的屈服极限：σ0.2 =754MPa。

临界条件：依据叶片实际工作情况设计三种临界条件，三种临界条件在工作

时均可能出现。

计算结果显示，三个大应力区存在于叶片申根段：

1区—第一隼齿齿底；

2区—伸根与下缘板转接段下部；

第2章 WJ5甲型发动机以及涡轮工作叶片折断故障

3区—伸根的加强筋上部。

三个大应力区于各种临界条件下的最大主应力见表2-2。

为检验计算的准确性，还进行了光弹实验。光弹试验结果与应力计算结果大

体一致，因而验证了以上结果。

能够看出，于三种临界条件下，除开Ⅱ区在屈服极限附近外，Ⅰ、Ⅲ区局部

应力均已高于屈服极限，Ⅰ区的弹性应力最大，然依据计算结果，Ⅰ区的应力梯度相对较大，因此，尽管在此区产生了疲劳裂纹，其扩展速度也相当缓慢，厂内的各种试车已验证了这一点，而Ⅱ区虽然应力水平低于Ⅰ区，然其应力梯度较小，故一旦产生裂纹便会迅速扩展，造成叶片折断，四起故障均属这种模式。

2.3故障分析结论

经过以上分析可得出下面的结论：

（1）一级涡轮工作叶片从伸根处疲劳断裂，断裂的叶片飞出后打坏后面的涡

轮工作叶片和导向叶片，导致发动机失效。

（2）一级涡轮工作叶片疲劳断裂的根源是伸根处存在大应力区，并且在大应

力区存在不应有的冶金铸造缺陷和工艺污染。正是这些在大应力区内的缺陷和污染成为疲劳源，并萌生裂纹，裂纹迅速扩展导致叶片折断。

2.4防止涡轮叶片断裂的措施

实况飞行中，引起涡轮叶片断裂的因素很多，从根本上讲是当作用在涡轮叶

片的内部应力超过其材料强度极限时，就会破坏材料内部分子的结构，使涡轮叶片产生裂纹，进而断裂。为了防止涡轮叶片断裂，确保涡轮的安全工作，在发动

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机设计制造、使用、维护等方面都有相应的措施，下面逐项分析。

2.4.1发动机设计制造方面防止涡轮叶片折断的措施

在发动机设计制造方面，主要是通过改进材料、工艺和冷却等措施尽可能提

高涡轮叶片的强度，来防止涡轮叶片的断裂，主要措施有：

（1）采用高强度的耐热材料

目前，燃气涡轮发动机涡轮叶片通常采用镍基合金材料，因为镍基合金材料

具有优越的耐热冲击和耐疲劳性能。今后，随着涡轮前温度进一步升高，已接近金属材料的极限，人们正在探索采用其他非金属材料制造涡轮叶片。

（2）改进叶片制造工艺

改进叶片的制造工艺，可用改变金属材料的晶格结构，从而提高叶片的强度，

大大提高叶片的使用寿命。

此外，在涡轮叶片上进行涂层处理，通过热屏障涂层保护可使涡轮局部金属

温度降低近150K。

（3）加强涡轮叶片的冷却

涡轮叶片冷却是通过来自压气机出口增压空气对涡轮叶片实施冷却。对涡轮

叶片进行良好的冷却可以大大提高涡轮叶片所能承受的燃气温度。目前，经过特殊冷却的涡轮叶片可提高300摄氏度。但对涡轮叶片进行冷却必须是在确保涡轮叶片结构强度基础上进行的，所以技术难度很大。

2.4.2飞行使用中防止涡轮叶片断裂的措施

在飞行使用中，主要是严格遵守发动机的使用规定，防止涡轮叶片承受的负

荷极限，主要应注意以下几点：

（1）注意监控EGT温度，防止发动机超温

实际飞行中，EGT温度是影响涡轮安全工作的最主要参数。所以，对EGT的重

要性怎样强调都不过分，尤其在发动机启动、加速过程中或在高温、高原机场工作时应特别注意监控EGT温度，不允许EGT温度超过个发动机状态下的极限值。

（2）防止发动机超转

第2章 WJ5甲型发动机以及涡轮工作叶片折断故障

发动机超转时，一方面涡轮叶片离心力过大，涡轮叶片容易失效；同时，发

动机处于超压状态，超出了发动机的强度，直接威胁发动机的安全工作。所以，发动机一般都有较完善的防超装置。

（3）发动机最大状态连续使用时间不超过规定

发动机在最大状态下工作时，由于涡轮叶片承受的负荷很大，叶片将发生一

种叫“蠕变”的变形，叶片将逐渐伸长。所以应限制发动机最大状态连续使用时间不超过规定。

（4）发动机引气量不要过多

目前，大、中型民航机，发动机引气的主要目的是为空调、飞机发动机防冰

等系统提供气源，其中主要是空调系统。所以，飞行中应防止空调引气量不要过大，否则将会引起EGT温度升高，使涡轮叶片的工作负荷加大。

（5）防止外来物进入发动机

外来物一旦进入发动机，由于发动机转动部件高速旋转，相对动能很大，一

旦碰到叶片上将会产生极大的撞击力，足以损伤叶片。

总之，涡轮叶片断裂是涡轮最主要的故障，它不但会引起发动机振动加剧，

更严重的是会打坏发动机部件，导致发动机着火等后果，进一步发展还将严重威胁飞行安全。所以，我们必须进一步分析涡轮的工作条件，防止涡轮叶片断裂的办法，确保涡轮的安全工作。以下是涡轮的工作条件。

首先，涡轮叶片承受很高的热负荷。为了提高发动机推力，需要尽可能提高

涡轮前温度，炽热的燃气直接与涡轮叶片接触，涡轮叶片需要承受很高的热负荷。由于金属材料的强度随温度的升高而降低，所以，涡轮叶片在高温条件下工作，其材料强度显著降低。

其次，涡轮叶片承受巨大的离心力。要提高发动机推力，需要提高空气流量，

所以必须确保较高的发动机转速。涡轮叶片在较高转速下旋转，叶片要承受巨大的离心力。对发动机而言，涡轮叶片承受的离心力与转速的平方成正比，转速越高，离心力越大。由于叶片承受巨大的离心力，其内部会产生很大的应力，叶片将被拉长。

最后，涡轮叶片承受燃气的交变力。发动机实际工作中，由于受到燃烧室各

燃油喷嘴的喷油量不可能绝对均匀等情形的影响，涡轮前燃气温度和压力的分布

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是不均匀的，进而造成燃气作用在涡轮叶片上的力各不相同。随着涡轮旋转，涡轮叶片将受到燃气周期性变化的交变力作用，这种交变力会使涡轮叶片发生振动，引起叶片内部产生附加应力，容易是叶片发生疲劳而失效。

所以了解涡轮的工作特点是我们预防和排除故障的前提和关键。

第3章 涡轮工作叶片裂纹故障

第3章 涡轮工作叶片裂纹故障

3.1故障现象

叶片裂纹问题在发动机涡轮叶片毛病中属于频发和恼火的问题，在某型号发

动机大修过程中，其高压涡轮叶片裂纹统查结果中叶片裂纹过多叶片占叶片总量的5%-6%。表3-1给出了WP7和WP13两类发动机一级涡轮工作叶片裂纹统查表。

涡轮工作叶片叶身上的裂纹故障属于频发性的，这一点在统计表中清晰可见，

这在各种发动机上都发生过，是一种严重的质量恶根，故障中通常有: 叶片过热过烧裂纹和叶片冶金缺陷所诱发的裂纹。

3.2故障原因分析

初期剖析，叶片所处的恶劣工作环境和性质是涡轮叶片产生裂纹故障的主要

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决定因素：

(1)叶片处在高温、高转速的工作环境之中，承受很大的运转过程中的离心力

和气动力作用，出现拉伸应力与弯曲应力。

(2)叶片受振动力是由于高速燃气流的脉冲作用。

(3)温度分布的不同导致了叶片上的温差应力。

(4)发动机启动或停车使叶片上的温度剧烈变化，进而造成叶片的热疲劳。

(5)叶片产生腐蚀是由于燃气中有杂质的存在。

3.2.1叶片叶尖裂纹状态

（1）叶尖裂纹故障的形貌分析

叶片叶尖裂纹展开着色显示和放大镜的观察和记录后，高压涡轮叶片叶尖裂

纹的分布是叶背裂纹数量显然少于叶盆面，并且曲率半径嘴大处是叶盆裂纹的主要集中地。裂纹在通常情形下最短0.2mm，最长4.4mm。

研究对象取随机抽取的一片叶片，在扫描电镜的观察下，叶尖端面存在有明

暗相间的磨损条带是清晰可见的（见图2-1），如图3-2，通过能谱分析（见图3-3、3-4），可以看到有氯、氧、碳元素存在，证明叶尖经历了相当复杂的热腐蚀过程。

第3章 涡轮工作叶片裂纹故障

图3-1 叶尖端面磨损形态 图3-2 磨损带的明暗区

图3-3 暗区能谱分析 图3-4 明区能谱分析

（2）叶尖裂纹的形态分析

依旧研究对象取这一片叶片，将其分解后，可以看到叶尖叶盆一侧存在一条

裂纹，有三条裂纹存在于叶背一侧，用线切割将叶片按图2-5所示部位切下的目的为了确定在大裂纹周围是否还存在小裂纹制成金属试样，裂纹直线距离最长为3mm，最短为60µm，裂纹间距在250µm-1500µm范围内。有两次向上分叉发生于最长的裂纹1处，裂纹编码、布局以及直线的长度如图2-5所示。

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图3-5 叶片切片部位及裂纹分布示意图

在扫描电镜观察下发现，不管是大裂纹扩展路径均很平直而无分叉（图3-6

和图3-7），端口较光滑（图3-8），穿晶发展的特征清晰可见，裂纹在定限度，氧化以及塑性变形累计损伤很大的情况下，分叉便会出现于裂纹（图3-9）。腐蚀产物存在于裂纹内部（图3-10）

图3-6 平直无分叉大裂纹 图3-7 平直无分叉小裂纹

图3-8 主裂纹开口段平直 图3-9 有两个分叉的主裂纹

第3章 涡轮工作叶片裂纹故障

图3-10 裂纹内部腐蚀产物存在

总体说来，上述所研究裂纹有一下特点：①叶背断裂显然少于叶盆；②曲率

半径最大处是裂纹的多发区；③裂纹长短不一，大裂纹旁和小裂纹交替存在；④分叉的属于长裂纹，不分叉的属于短裂纹；⑤裂纹首端又平又直；⑥裂纹内部存在有腐蚀产物；

3.2.2裂纹形成及发展特征

首先，对图3-5所示的叶片切片试验抛光在金相显微镜下观察时发现，试样

表面在没有用任何侵蚀剂侵蚀的条件下，明显发现了晶界，这表明叶片尖部有大量的腐蚀坑存在（图3-11，）在裂纹（图3-12）的起始端有明显的腐蚀坑。经能谱分析裂纹内的腐蚀产物主要为碳化物和氧化物（见下表3-2）将小裂纹在放大镜下观察，发现在腐蚀层中央有裂纹，裂纹在腐蚀层内扩展，但裂纹尖端没有穿过腐蚀层，这表明主裂纹是先腐蚀后开裂的（图3-13、图3-14）。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tth1.html