涡轮叶片常见故障分析与修理技术.docx
- 文档编号:5716168
- 上传时间:2022-12-31
- 格式:DOCX
- 页数:8
- 大小:22.90KB
涡轮叶片常见故障分析与修理技术.docx
《涡轮叶片常见故障分析与修理技术.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《涡轮叶片常见故障分析与修理技术.docx(8页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
涡轮叶片常见故障分析与修理技术
涡轮叶片常见故障分析与修理技术
【摘要】
本论文主要论述了WP-5发动机涡轮叶片的常见故障及其修理技术,并适当介绍其它发动机修理技术。
涡轮叶片是航空发动机的主要部件,它的利用环境苛刻,数量多,几何形状复杂,材料化学成份和组织状态要求严格。
因此,制造工序多,工艺复杂;在利用进程中出现的故障直接影响到发动机的利用寿命和飞行安全。
是航空发动机检查和维修的工作重点。
关键词:
涡轮叶片,常见故障,修理技术,利用寿命,飞行安全
Abstract:
ThispapermainlyexpoundsthecommonfaultofWP-5turbinebladesandrepairtechnology,andappropriatetointroduceotherenginerepairtechnology.Turbinebladesarethemaincomponentofaviationengine,itsuseinharshenvironment,quantity,complexgeometry,materialchemicalcompositionandmicrostructureofstrict.Therefore,manufacturingprocess,complexprocess;faultappearingintheuseprocessdirectlyaffecttheservicelifeoftheengineandflightsafety.Theaircraftengineisthefocusoftheworkofinspectionandrepair.
Keywords:
Turbineblade,commonfailure,repairtechnology,theservicelife,flightsafety
1涡轮概述
涡轮的功用
涡轮的功用是使高温燃气膨胀做功,把燃气中的部份热能转换为机械能,输出无论功带动压气机和其他附件工作。
涡轮的工作原理
涡轮是利用燃气膨胀做功原理来工作的。
从涡轮导向器流出来的气流冲击动叶叶栅时,就会在动叶叶栅上产生专门大的气动作用。
叶盆上的静压比叶背上的大得多。
于是,叶盆和叶背的压差形成了庞大的推动力,其方向指向叶背,推动涡轮动叶(工作叶轮)做功。
涡轮的结构
涡轮的单级由1个导向器和1个工作叶轮组成。
2涡轮转子
涡轮转子的组成
涡轮转子由叶片、涡轮盘和涡轮轴组成。
涡轮叶片
涡轮叶片包括叶身和叶根(榫头)两个部份。
叶身是叶片工作的部份,其外形是按燃气的流动规律进行制造;叶根用以连接涡轮盘和叶片,目前多采用枞树形状,其上还有榫齿。
在工作时叶根是受力最大的部份,因此,不仅要求它具有足够的强度,而且应有尽可能小的重量。
此刻大多数工作叶片是实心的,如此构造简单且制造容易。
工作叶片在庞大离心力(10吨左右)与高温条件下工作,所以才用优质高温合金制造。
目前用的最多的是GH437(镍基合金),可在800~850℃工作,温度更高时可采用GH437A。
叶片均由模锻毛坯经机械加工制造。
3涡轮叶片的常见故障分析及修理技术
涡轮叶片常见故障分为三类:
裂纹、表面缺点、叶身细颈和过热(烧伤)。
涡轮的常见故障及概率
裂纹涡轮叶片常见的有榫槽裂纹、叶身裂纹、固定锁键裂纹等。
从200~600h寿命的发动机统计,故障率(按台计)如下:
其一,第一榫槽裂纹
WP-5(~)%;
WP-5(~15)%;
WP-5(~)%(200~400h),
PД-4(~7206)%,(100~700h)。
其二,叶身排气边裂纹(0~)%
其三,固定键裂纹(~)%。
以上统计可见,第一榫槽裂纹故障最为突出,它与叶片寿命有明显的规律;各类机种的故障率也有不同。
表面的缺点叶片表面的缺点有六种,即晶界显示、龟裂、掉晶、发纹、燃气侵蚀和表面打伤。
叶身和榫槽表面缺点比较普遍,寿命在200h以上的叶片,约有60%都程度不同的存在这种故障。
因故障界限不明确,所以难以统计准确。
只对燃气侵蚀做过粗略统计,故障率(按台计)约在(11~15)%之间。
制造、翻修和利用都发觉这种故障最多,研究者争辩也最多,到目前为止,仍未有一致的结论。
叶身细颈和过烧细颈大多发生在叶身高三分之二的排气边。
200~600h寿命期间,故障率(按台计)为(~)%。
可见它与寿命无明显关系。
叶身的过热比细颈要少得多,而且与寿命无关。
叶片榫槽与榫头裂纹
叶片第一榫槽裂纹
(1)叶片第一榫槽裂纹的宏观形态这种裂纹都出此刻第一榫槽底的圆弧R部位。
在叶片背面(凸面)裂纹常在槽底中央;在叶片凹面则在榫槽靠近排气边双侧的槽底上。
(2)叶片第一榫槽裂纹的微观形态①沿晶裂纹这种裂纹在榫槽便面有严峻的晶界显示缺点,裂纹从显示晶界开始扩展,逐渐连成裂纹。
②穿晶裂纹这种裂纹在榫槽表面没有缺点,却有穿晶裂纹生成并扩展。
(3)叶片第一榫槽裂纹检查和修理①去层电解抛光在第一榫槽底部圆角处,用机械加工的办法磨掉硬化层,然后用电解抛光的方式,将磨削加工产生的硬化层除去。
磨削的深度为~(单面),电解抛光层为(单面)。
经磨削和电抛光后,维持槽底的间距(K)很多于。
②喷丸强化高速弹丸撞击金属零件表面,使之产生残余压应力并影城亚晶冷作硬化层,从而提高零件疲劳强度和抗应力侵蚀的能力。
叶片第二榫槽裂纹及其修理技术
叶片第一齿工作面细碎裂纹
叶片的叶身和锁键裂纹及修理
叶身排气边裂纹叶身排气边裂纹一经出现,扩展速度专门快,而后造成叶片断裂,并打坏涡轮外环而飞出;还可能打坏机身中的电缆、导管、邮箱;加上还会引发涡轮转子的不平衡度增大,使得飞机激烈振动,致使燃油管断裂、轴承损坏;造成发动机空中停车或发动机起火。
(1)排气边裂纹的形态
这种裂纹大多出此刻叶身排气边叶身高度的2/3处,但也有些裂纹出此刻叶片高度1/3处和叶高的中部。
大多数排气边裂纹萌生的部位无表面缺点;少数裂纹萌生于叶盆面,并向叶背扩展,它的扩展方向与叶片高度方向垂直。
断口金相观察发觉,这种裂纹全数为穿晶裂纹,断口上的疲劳特征明显;金相组织观察可见裂纹部位为粗大晶粒,而且晶粒大小不均匀。
(2)排气边裂纹产生的原因
①传统观点叶片排气边裂纹是高温、大应力和燃气侵蚀等综合因素的作用下,萌生于表面的微裂纹扩展后形成的疲劳裂纹;这种微裂纹起源于叶片表面的氧化晶界、表面缺点等处。
②涡轮叶片延寿研究中形成的新观点通过一些实验、长期试车和金属性能的分析,发觉叶片排气边裂纹和下列因素有关:
a.出现排气边裂纹的叶片大多数都在利用400h以前,而且叶片表面的缺点都很轻微。
b.排气边裂纹都是穿晶裂纹。
虽然有些裂纹起始于叶片表面的龟裂或掉晶,可是裂纹扩展与这些缺点无关,而且排气边裂纹都是从叶盆向叶背扩展。
c.机械振动,尤其是复合共振是引发叶身裂纹的主要原因。
(3)排气边裂纹的修理技术
在发动机保护和修理中,必需高度重视对排气边的检查,一经发觉必需改换。
研究发觉,采用喷丸强化的叶片,通过254h长期试车,叶片中寿命达到1420h,未发觉排气边裂纹。
这证明喷丸强化技术是预防排气边裂纹的有效方式。
叶背裂纹
叶背裂纹只发生在叶身背部凸面的排气边、叶尖和叶根榫槽处,在叶片凹面未发觉过;它的长度在3~5mm,深度约为,老是同时出现几条;裂纹扩展方向与叶身轴向一致,并沿晶界扩展;这种裂纹的原因目前尚不清楚。
叶背裂纹的故障率要比叶身裂纹少得多,在发动机保护和修理中,这种裂纹一经发觉就必需改换叶片。
锁键裂纹与修理技术
(1)固定锁键裂纹固定锁键裂纹的部位,在固定锁键的转角处。
由于该处圆角很小,裂纹产生在转角的最尖的地方。
裂纹长度在左右。
优势与龟裂同时产生。
这种裂纹虽然出现较多,可是从未发生过固定锁键断裂事件。
故障原因可能是构造上的缺点,因为固定锁键转角处圆角很小。
同时,在装配活动锁键时,对固定锁键也有一个预紧力,若是预紧力过大,就会引发裂纹。
经长期的试车证明,可将已产生裂纹的固定锁键改成活动锁键,用1Cr18Ni9Ti材料制造,在叶片上开槽,把活动锁键压上,这就从根本上排除此类故障。
(2)活动锁键裂纹
该裂纹多数出此案在拐弯部位的圆角上,有单条和成片的龟裂两种。
单条贯穿整个锁键,属于过渡性故障,可能引发断裂;成片的龟裂不贯穿整个锁键,属于稳固性故障,不具有危险性,仍可利用。
活动锁键裂纹的原因与制造工艺及热处置有关,与发动机工作条件、零件的手里状态关系不大。
叶片表面故障及修理技术
叶片常见的表面故障
叶片的表面故障,依照其形态可分为六类,即晶界显示、龟裂、掉晶、发纹、侵蚀和表面打伤。
(1)晶界显示晶界显示又名晶界侵蚀,在放大镜下能清楚地看出晶粒的界限,比较严峻时,镜下可见晶界限变宽、发黑。
晶界显示是叶片表面缺点中最轻的一种。
该故障发生多发生在叶身和榫头,叶片工作200h后就开始出现,属于稳固性故障。
(2)龟裂龟裂是晶界显示的进一步进展,在放大镜下可见晶界有局部的开裂。
龟裂会成片出现,但又不持续;龟裂大多伴随着晶界显示而出现。
(3)掉晶掉晶是晶界显示进一步进展后出现的缺点。
在放大镜下可见一个或数个晶粒掉出,形成坑点,并成片散布。
掉晶出现后,叶片表面凹凸不平。
掉晶常与晶界显示、龟裂同时存在。
(4)发纹发纹是一种冶金缺点,它是在金属冶炼进程中存在的非金属夹杂造成的;一般存在于叶身表面,呈细长条纹,深度在一下,宽度有的较宽~之间。
发纹沿叶片的纤维方向散布,多为数条同时出现。
(5)燃气侵蚀该缺点表现为叶片表面有许多坑点(或称麻点、麻坑)。
严峻时麻点密集,表面呈黑色氧化状,无金属光泽。
坑点比掉晶要大得多,有时很深。
放大镜下所见的坑点多数沿晶界开始,有时与晶界显示同时存在。
(6)叶片打伤叶片打伤是外因故障。
由于喷气发动机吸入的空气不清洁,有少量沙粒、杂物,会将叶身打伤。
预防叶片表面故障的办法
(1)在叶身表面镀铬镍此工艺对叶片的疲劳和持久性能没有利处,增大了翻修叶片故障的检查难度。
因此,为投产利用。
(2)在叶身表面低温渗铝此工艺已投产利用,但这种工艺给故障检查带来了困难。
在利用中观察,也叶片通过较长的利用,铝层有局部氧化现象,防护作用也随之而减弱。
因此,防护效果也有限度。
叶片表面故障的修理方式
(1)毡轮抛光用抛光去除叶片表面必然厚度的金属层,就可以将表面缺点一并除去。
不过这种办法致使积累性去材过量,影响叶片寿命,不宜长久利用。
(2)喷丸强化喷丸处置后的叶片表面缺点产生缓慢,对已有缺点的进展亦有明显的抑制作用,而且大大增加了叶片的利用寿命。
因此,取得普遍利用。
涡轮叶片常见故障产生的原因
(1)机械振动引发的疲劳断裂;
(2)高温蠕变损坏;
(3)化学损伤和热疲劳断裂。
4涡轮叶片检测与修理的先进技术
检测涡轮叶片的先进技术
(1)在发动机上用孔探仪检查叶片
(2)在修理车间叶片检测前清洗
(3)叶片完整性检测
(4)叶片的无损检测
先进发动机的涡轮叶片常见故障及排除方式
为了使叶片能在1500℃以上的高温工作,叶片表面需要涂层。
两层叶身表面都用化学气相沉积涂层PWA275(铝化合物),化合物在真空炉高温下以气体形式分解Al吸附并沉积到叶片表面上形成涂层。
此刻为使叶片内部和其他地方免受侵蚀,也应用保护涂层PWA275,并在底座的袋状部喷上PWA545(钴铝化合物)。
发动机常常由第一级叶片叶尖的烧蚀使发动机排气温度裕度达不到要求,因此用更耐侵蚀、更耐磨的立方氮化硼代替现有的耐磨剂,对叶尖进行喷涂。
这种称为TURBOTIP的技术类似真空钎焊。
那时被怀疑受高温破坏时,就要进行高温查验。
把受检叶片沿前缘、后缘、中弦线和根部切成9个样本,经镶嵌、研磨、抛光后,放在1000倍的显微镜底下观看其金相组织结构。
叶片长度若是以前被维修过,上面都会有编码,按照编码可判断维修情形。
把叶片安装在特殊的工装上,测量出叶片的长度是不是跟它以前的维修相吻合,和是不是需要进一步维修。
维修前,须先做查验。
X射线用来查验叶片内部是不是有裂纹,内腔有无不需要的材料、金属掉块和壁厚形状有否突然转变。
在去除涂层后,用超声波设备查验壁厚。
若是发觉叶片需要进行进一步维修,如顶部焊接或改换涂层,需在真空炉中先对叶片进行热应力释放。
当发觉叶片比较脏,第一是化学浸泡清洗,去掉里面的重侵蚀物;再用强力的循环清洗设备去掉残渣,再用滚水进一步清洗;最后把清洗完的叶片放在纯水中进行导电测试,肯定有无杂质,以判断叶片是不是完全清洗干净。
当发觉发动机的压气机损坏时,还需对10%的叶片做孔探检查。
用热显像的方式来判断叶片表面涂层的状况。
用吹砂使叶片表面光洁后,在580±13℃
温度中保留1h,冷却后,呈金黄色为表面涂层仍然存在,淡金黄色为扩散涂层存在,蓝色则表示没有任何涂层了。
若是涂层剥落面积小于,而且表面没有侵蚀,可用铝硅混合物PWA596或钴铝混合物PWA545进行局部修补,也可用化学气相沉积直接覆盖上涂层PWA275.不然必先去除全数涂层,要先用铝氧干吹砂的方式去掉表面涂层,再用化学溶剂浸泡出扩散进机体的涂层,共进行三次的浸泡,约4h。
然后除脂、超声波清洗并用热显像判断涂层是不是完全除去。
在叶身表面吹砂后,用化学气相沉积的方式在它上面附上一层涂层PWA275,用电炉干燥后(80℃、15分钟),再进行真空热处置使涂层进一步扩散进机体,底座涂层的热处置与叶身表面涂层的热处置可一路进行。
叶尖的涂层厚度有要求,当最小的厚度不到时,就要进行维修,继续喷上男魔材料,或用TURBOTIP的修理技术,在顶部加上立方氮化硼物质。
最后,要在气动平台上测量叶片两个通道的气流量。
若是发觉不正常时,可用探针设法使堵塞的孔恢复正常,不然就需要从头打孔,里面的残渣可用超声波清洗掉。
去除涂层后,裂纹就更易显现出来。
与夜间平行的轴向裂纹和叶尖下大于的裂纹是不允许的,而且裂纹间最小距离不能小于。
叶片前缘烧蚀或裂纹大于,或其厚度在测量的位置小于要求都是不允许的。
对于叶片受损(主如果磨损、侵蚀和硫化)的顶部,可用等离子电弧焊及钨极惰性气体保护焊来修复,即先堆焊上适合的材料PWA795,把表面打磨滑腻后,用激光堆焊以达到要求的厚度,接着进行手工研磨、抛光成形到需要的叶尖长度,再在真空炉中进行应力释放,固然不能堵住叶尖上的两个冷却孔。
钴基合金抗热侵蚀性能好,是一种适合的堆焊材料。
除焊修外,低压离子喷涂MCrAIY涂层,已成功地用于修复叶片的顶部了,涂层厚度为。
当用焊接方式修补叶片时,若叶片后缘或顶部的冷却孔被堵塞或在孔边产生了裂纹、能够先将孔焊死,再用高能电子束或激光钻孔。
叶身有的裂纹只要没有超过限制是允许存在的,不然要打磨掉,但所有的侵蚀必需去除,这要用一种较强的铝氧干吹砂的方式或直接打磨。
焊接完并上了涂层后,将叶片在研磨石中研磨,是涂层的主要面应达到的光洁度,以保证发动机气流流动平稳。
以后,要对叶根进行喷丸处置以提高表面压应力,提高抗疲劳、抗侵蚀能力,接着进行水流测试,以去除里面多余的杂质;再用X射线检查内部的状况;最后进行气流查验是不是达到要求。
涡轮叶片的预防性修理
为避免叶片出现过热损伤、热疲劳、高温燃气侵蚀等故障,可采用提高材料的抗热性能,抗疲劳性能和抗高温燃气侵蚀性能的方式。
在大修中,对涡轮叶片全数进行真空等离子法喷涂扩展涂层,即Ni-Cr-Al-W系涂层;四元共渗后的涡轮叶片,塑性大大提高,耐热性及其他工作性能都有所提高,耐热稳固性好。
随着使历时刻的积累,涡轮叶片金属材料的内部发生无数的微笑空洞。
这事金属材料都在高温下受交变应力而使晶粒分离的初期进程,是金属老化的现象。
为使老化的材料恢恢复有的性能,采用在高温下将流体静压力加给材料的热等静压法是有效的。
若把老化的材料进行热等静压处置,其疲劳寿命可恢复到与新材料相同的水平。
热等静压处置装置最高压力可达,温度高达1450℃。
国内外先进的叶片修理技术
表面损伤的修理
若是经查验,叶片表面的微小裂纹或烧蚀。
侵蚀所致使的缺点在允许的修理范围内,则对其进行修补,当前先进的修理方式有以下几种。
(1)活化扩散愈合法借助低熔点焊接合金把高温合金粉“注入”裂纹中。
(2)激光熔覆利用必然功率密度的激光束照射(扫描)覆于裂纹、缺点处的合金粉末,使之完全融化,而基材金属表层微熔,冷凝后在基材表面形成一个低稀释度的包覆层,从而弥合裂纹及缺点。
叶顶的修复
对于叶片受损(主如果磨损、侵蚀和硫化)的顶部,可用等离子电弧焊及钨极惰性气体保护焊来修复,即先堆焊适合的材料,再磨削到所要求的叶片高度。
热静压
热静压是将叶片维持在1000~1200℃和100~200MPa压力的热等压条件下,用于以下目的的修复:
(1)消除焊后存在于金属中的内应力;
(2)冶金成份退化修复;
(3)低循环疲劳修复;
(4)蠕变损坏的修复。
热静压可恢复叶片原有的强度极限和延伸率,延长蠕变断裂寿命。
喷丸技术
叶片喷丸强化可提高抗疲劳和抗应力侵蚀性能。
它利用高速弹丸在撞击叶片时,叶片表面迅速伸长,从而引发表层材料在必然深度范围内的塑性流动(塑性变形)。
涂层修复
许多性能先进的航空发动机涡轮叶片已应用涂层技术提高其抗氧化、抗侵蚀、耐高温性能和涡轮的气动效率,但在叶片在利用进程中涂层会不同程度的缺损,因此,在叶片修理时都要对防护层进行修复,一般都要将原涂层剥落,从头涂覆新的涂层。
(1)扩散渗金属法
(2)热喷涂工艺
(3)物理沉积工艺及化学相沉积工艺
激光强化
激光冲击强化是采用短脉冲高密度激光辐射金属表面,使金属表面的涂覆层吸收激光能量,发生爆炸性汽化蒸发,产生高等离子体冲击波,从而使材料表层产生硬化层,残留专门大的压应力,从而达到显著的提高材料的抗疲劳、耐磨损和防应力侵蚀的目的。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 涡轮 叶片 常见故障 分析 修理 技术
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)