高压压气机一、二级盘连接鼓封严齿裂纹故障分析(一)

学术论文陈刚 王任翔等 2018-11-09 11:08:40
    1 冶金分析
    1.1 故障件整体情况
    故障件外观颜色正常,裂纹位于一级盘的三道封严齿上,向一、二级盘两侧扩展,裂纹已穿透封严齿及连接鼓壁厚,长20mm。宏观上看,故障件封严齿齿顶为金属色,裂纹处齿顶宽度相比于其他位置明显变宽,说明磨损较重。
    1.2 断口分析
    裂纹断口呈深黄色,在第一齿和第二齿上可见明显的起始于各自齿顶的疲劳弧线,第三齿上可见由第二齿扩展而来的疲劳弧线。源区处未见冶金缺陷,但氧化严重,疲劳扩展区可见疲劳弧线和疲劳条带。裂纹性质均为疲劳裂纹。
    1.3 齿顶表面检查及能谱分析
    裂纹起源处的齿顶表面可见多条“微裂纹”,在第三齿齿顶上也可见类似的“微裂纹”,几个位置上的齿顶面上均存在微裂纹,微裂纹较浅,封严齿上残留了较多的蜂窝材质成分。
    1.4 基体组织检查
    对故障件基体组织进行检查,并与两个非故障盘进行对比,3个盘基体组织均为网篮组织,组织未见明显异常。
    1.5 非故障盘齿尖形貌检查
    为了确认非故障盘封严齿尖是否有微裂纹,选取不同使用时间的13台一二级盘组合件,对一级盘封严齿裂纹情况进行宏观检查和微观检查,宏观检查通过目视检查和放大镜检查,微观检查通过取样使用扫描电子显微镜检查,非故障盘封严齿目视和放大镜检查均未见裂纹。
    1.6 冶金分析结论
    ①故障件裂纹为疲劳裂纹,组织未见明显异常;②故障件出现疲劳起源的封严齿顶上均可见由于磨损受热导致的组织烧伤现象,裂纹附近封严齿齿顶存在蜂窝成分的金属层,封严齿顶上存在多条微裂纹,因此裂纹的产生与封严齿磨损有关。
    2 强度设计复查
    2.1 强度试验复查
    某型发动机完成了高压压气机转子超转/破裂试验、低循环疲劳试验,高压压气机转子通过了试验考核,试验结果表明高压压气机转子强度寿命储备满足规范要求。
    2.2 共振分析
    为排查裂纹故障与一、二级盘连接鼓振动的相关性,分别按照行波振动和强迫振动开展了共振分析工作。一、二级盘组合件连接鼓主要激振因素为一、二级转子叶片受到静子叶片激振后,将周期性激励通过盘榫连接传递到一、二级盘和连接鼓上,对可能激起齿尖振动的振型按照行波振动进行频率裕度分析,从频率裕度分析结果和相对振动应力分布可知,封严齿一般难以出现有害的振动。
    2.3 动应力测量
    工作转速下,封严齿尖部的振动应力水平均较低,最大振动应力值为11MPa。
    2.4 复查结论
    ①一、二级轮盘强度储备满足标准要求;②轮盘振动特性分析结果表明,一、二级盘连接鼓发生有危害性行波振动的可能性较小;③动测结果表明,一、二级盘连接鼓动应力很小,强度储备满足要求。
    3 实物复查
    3.1 故障件尺寸测量
    对故障件进行了相关尺寸测量,测量采用圆周16测点均布,裂纹位置为起始点,从测量结果可知:①裂纹处封严齿磨损比较严重,封严齿高度减小,与无裂纹处最大相差0.47,比理论值小0.46;②由于裂纹处磨损严重,齿尖宽度变宽,比无裂纹处宽约0.2;③一级盘连接鼓壁厚超差,比理论尺寸厚0.05~0.11;④二级盘后止口超差单边变大0.073。分析表明,故障件封严齿裂纹处比非裂纹处齿尖直径减小,齿顶变宽。

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