【摘要】本文针对实际使用中航空发动机涡轮叶片断裂的故障，从理论上分析造成断裂的机理，分析实际中引起涡轮叶片断裂的原因，并提出预防措施，对飞行安全起到一定的参考价值。

【关键词】航空发动机；涡轮叶片；断裂分析

0 引言

涡轮叶片是航空发动机最主要的结构件之一，由于其长期工作在高温燃气包围下，承受转子高速旋转时叶片自身的离心力、气动力、热应力以及振动负荷，是发动机中工作条件最为恶劣的零件。

在实际的使用过程中，由于各种原因，涡轮叶片可能发生断裂。当涡轮叶片断裂时，不仅会出现发动机振动进而引起飞机振动，还会打坏其他机件、甚至导致飞机着火等现象，这将严重影响到飞行安全。长期以来，由于涡轮叶片断裂引发的飞行事故在飞行中屡见不鲜。

本文从涡轮叶片的工作条件出发，分析了引起涡轮叶片断裂故障的原因，并举例分析，在此基础上指出预防措施。

1 涡轮叶片故障机理

从理论上看，涡轮叶片断裂的故障机理有疲劳、超应力、蠕变、腐蚀、磨损等。

1.1 疲劳

发动机工作时，由于经常起动、加速、减速、停车以及其他条件的影响，发动机内流扰动、自激振动、流动畸变、转子不平衡、燃气温度分布不均等激励因素的作用，会使涡轮各部件承受复杂的循环载荷作用，使得叶片经受大量弹性应力循环，最终引起高周疲劳、低周疲劳或热疲劳，使得涡轮叶片断裂。其中，高周疲劳是指失效循环数范围在105—107周次的疲劳。低周疲劳是指失效循环数低于104—105周次的疲劳。高周疲劳和低周疲劳都能够引起涡轮叶片断裂，实际使用中，断裂还会来自于高低周复合疲劳[1-3]。热疲劳是来自于涡轮叶片温度的循环变化。涡轮叶片的温度的循环变化来自于燃气温度的变化。

1.2 超应力

涡轮叶片的组成包括叶根、叶身和叶冠。由于其形状的不规则，叶片中存在应力集中部位。尽管在设计中已经采取了一些措施，实际上，超应力仍然是造成涡轮叶片断裂的一个原因。

1.3 蠕变

高温环境下，蠕变断裂是涡轮叶片主要的失效形式之一。随着涡轮后燃气温度从20世纪50年代的1150K增加到现在的2000K，蠕变将导致叶片的塑性变形过大甚至产生蠕变断裂。高温时，温度仅增加15℃，其蠕变断裂寿命就会缩短一半[4]。对于设计好的涡轮叶片来说，使用中一旦发动机进入超温状态，如果不进行维修换件，必将危及飞行安全。

1.4 腐蚀

腐蚀来自于叶片所受的高温燃气。高温燃气对叶片的腐蚀既包括冲刷造成的腐蚀，也包括高温燃气对金属叶片的氧化腐蚀。腐蚀会降低叶片的性能，当腐蚀达到一定程度，叶片材料性能不能满足要求时，就会发生断裂。

2 影响涡轮叶片寿命的原因

涡轮叶片使用寿命终结的特征有：叶片出现影响发动机使用功能的超出设计允许的变化，或者叶片损伤积累到所允许的极限。在实际的应用中，叶片从生产到应用的过程复杂，涉及到的因素多，往往会由于各种原因引起叶片发生断裂。

2.1 制造和材料缺陷

受发动机高性能、工作安全性、可靠性以及寿命的要求，涡轮叶片必须具有精确的尺寸、准确的形状和严格的表面完整性。但由于叶片型面的复杂性，呈叶身扭曲弯度，叶片内有冷却通道等特点，叶片复杂曲面的加工困难，加工精度不易保证。目前存在叶片加工变形、精度低、表面质量低等问题。具体体现在：叶片的波纹度和截面形状精度难以控制；叶片之间一致性差；叶片内残余应力、装夹因素引起的变形；表面完整性难以保证等。

某型发动机在外场使用570小时25分，返厂排故时进行荧光检查，发现有一片高压一级涡轮转子叶片叶身中部靠近排气边叶背面上有一横向裂纹，裂纹长约5mm。经理化检测分析，裂纹宏观微观特征呈热疲劳裂纹特征。疲劳裂纹的产生与部分陶芯变形或偏斜，叶片外型面过抛造成的叶背壁厚偏薄造成。叶背壁厚超差叶片装机的原因是由于生产公司检测错误，造成叶片生产质量不过关。

2.2 装配和维修误差

装配误差是指由于加工过程中零件内部形成的残余应力因素影响，装配面出现接触不良，配合面例如叶片与涡轮盘榫槽间隙超差等。实践表明，上述误差累积至最终装配误差，将不可避免的要影响发动机的性能。维修误差与之类似，只是产生的过程是在维修过程。

2.3 外来物损伤

对于发动机来说，外来物损伤一方面是指在飞行过程中发动机吸入异物，地面滑跑过程中进气道内留有异物等，也包括飞行过程中发动机内部其他部件故障后，可能产生的残片造成的损伤。但是，对于涡轮叶片来说，由于其距离进气道和压气机较远，其外来物损伤主要是指发动机内部其他部件故障后，例如燃烧室掉快等，产生的残片进入涡轮后打伤甚至打断叶片。

2.4 超限

超限包括超温和超转。超温是指涡轮后燃气温度超过规定值，此时，燃烧室出口温度必定过高，温度过高会使涡轮叶片承受的热载荷增大。超转是指发动机转速超过最大转速。转速过大会使涡轮叶片承受的离心载荷过大。当载荷超过叶片所能承受的最大载荷时，叶片就会断裂。一般说来，超转势必引起超温。

在叶片断裂失效案例中，由于超温造成叶片断裂失效占的比例并不最高，但其危害很大，瞬时的超温即可造成某个叶片折断从而打断其他叶片，乃至整台发动机无法工作。

某飞机在完成地面通电检查、9min地面开车、武器系统的检查和加载后飞机离地。在离地约3秒时，尾喷管出现大量油雾，随后出现火焰，紧急停车。对此发动机分解检查，发现燃气涡轮一、二级叶片全部断裂，原因是由于叶片在异常高温状态下工作出现过烧现象。

3 预防措施

为了保证飞行安全，除了严格把好生产质量关以外，平时在外场的维护和飞行中应该做好以下预防措施[5]：

（1）飞机停放时，盖好蒙布，堵好机头盖，防止雨水进入发动机内造成潮湿，锈蚀叶片。

（2）地面试车和飞机滑出时，要保证场道清洁，防止杂物、砂石进入发动机内部损伤叶片，造成疲劳源，使叶片产生裂纹或断裂。

（3）飞行前后加强对叶片的外观质量检查，按要求对叶身进行无损探伤检查。

（4）地面试车、飞行过程中操纵油门不能过猛，起动温度、慢车温度严格控制在允许范围内；严格按试车曲线进行试车，适当延长冷、暖机时间，正确调整发动机性能参数；防止发动机超温、超转和超时使用。

【参考文献】

[1]李晓甫。发动机Ⅲ级涡轮叶片高低周复合疲劳寿命研究[J].机械制造与研究，2010，39（3）：11-12，36.

[2]卢文海，刘丽玉，白明远。发动机燃气涡轮叶片断裂分析[J].失效分析与预防，2010，5（4）：252-256.

[3]刘庆瑔。某型发动机第Ⅰ级涡轮叶片延伸段断裂原因分析[J].航空发动机，2007：31-34.

[4]周勇。定向凝固涡轮叶片蠕变试验及理论分析[J].大连理工大学，2010，7.

[5]张庆民，张万秋，王立波。发动机涡轮Ⅱ级叶片断裂原因分析[J].失效分析与预防，2010，5（1）：35-18.