黄超伟 HUANG Chao-wei 马乐 MA Le

摘要：发动机被称为飞机的心脏，而涡轮叶片是航空发动机最重要的部件，因此涡轮叶片的可靠性对飞机来说至关重要。但它也因工作环境恶劣的原因成为发动机最容易出现故障的地方。因此，航空发动机涡轮叶片的故障检测、故障分析对飞机安全飞行意义重大。本文通过对不同状况下飞机涡轮叶片所采取不同检测方法对涡轮叶片上的缺陷进行故障检测与分析，研究叶片失效原因，确保飞机安全飞行。

Abstract： The engine is called the heart of the aircraft， and the turbine blades are the most important component of the aircraft engine， so the reliability of the turbine blades is critical to the aircraft. But it is also the most prone to engine failure due to poor working conditions. Therefore， the fault detection and fault analysis of turbine blades of aero engines is of great significance to the safe flight of aircraft. In this paper， the fault detection and analysis of defects on turbine blades are carried out by different detection methods taken in different conditions， the causes of blade failure are studied， and the safe flight of aircraft is ensured.

關键词：涡轮叶片;故障检测;故障分析;安全飞行

Key words： turbine blades;fault detection;fault analysis;failure

中图分类号：V263.1                文献标识码：A                文章编号：1674-957X（2021）22-0125-02

0  引言

1963-1978年美空军发生约3800起飞行事故，发动机结构故障占43.47%，失效原因有：风扇叶片断裂，压气机叶片产生疲劳裂纹、涡轮叶片断裂等[1]。1998-2003年，我国飞行事故中发动机故障占50.5%，其中叶片断裂约45%[2]。

对于涡轮叶片来说，其科技含量高，我国的航空工业起步较晚，航空科技领域具有一定的短板。而在先进的欧美发达国家，涡轮发动机从生产到维修，都具有先进的技术保障。比如欧美国家的涡轮发动机涡轮前的燃烧的温度可以经达到了1700K以上温度而不因热应力和巨大离心力产生失效。不说生产研发和制造技术，就单从维修技术上看，仍有不小差距[3]。从目前我国的涡轮叶片维修现实情况看，想要提高维修能力，必须要重视对涡轮叶片失效分析的基本研究。资料显示，近年来航空发动机发生的重大事故中，绝大部分原因都是涡轮叶片失效[4]，如图1所示。

1  涡轮叶片故障检测与分析

在航空发动机中，对任何一处缺陷的疏忽，可能就会引发安全事故。维修人员必须采用有效的检测技术，及时发现发动机缺陷使其更加直观地显示出来，从而对缺陷的相关特征信息进行有效的自动提取和识别。维修人员可根据发动机工作时长、发动机工作状况、发动机故障现象等采用不同的检查方法对发动机涡轮叶片进行故障检查分析。

1.1 涡轮叶片检测方法

1.1.1 孔探检测  在发动机没有完全拆解前，我们可以借助孔探仪对涡轮叶片进行检测。首先在直杆镜上连接适当长度的加长直角观察高压涡轮转子叶片镜或者使用侧视镜进行观察。涡轮风扇发动机可以站在风扇整流罩的后面，将直杆镜及直角观察镜插人风扇内机匣前缘或者需要检查的孔探口进行发动机的例行检查。操作过程中，维修人员要将设备调整到合适的视角，并由另一个工作人员协助缓慢、匀速地后两个孔探口分别对高压涡轮叶片的前缘、后缘进行检查[5]，如图2所示。

1.1.2 渗透检测  涡轮叶片的渗透检测是利用毛细管作用，把融有荧光材料或者着色剂的渗透液涂抹到叶片表面，渗透液由于毛细作用渗入涡轮叶片的表面缺陷中，清理干净未渗透入缺陷而遗留在表面的渗透液，经干燥后再用显像剂，利用毛细作用把缺陷中的渗透液重新吸附到叶片表面上，就可以放大呈现出叶片缺陷的形状和分布。这种方法可以同时检测多个叶片，在发动机大修或检修时一般都使用荧光材料来检测其表面损伤;而在外场条件下，通常使用着色法进行检测。

1.1.3 射线检测  涡轮叶片射线检测是通过设备发射X射线，射线在经过物体后会产生衰减，如果涡轮叶片局部区域存在缺陷，射线在经过叶片后会产生不同程度的衰减，使得叶片不同部位穿透出的射线强度不同，以此来对叶片内部存在的缺陷进行判定。通过射线检测可以直观的显现出叶片的缺陷影像，便于对叶片缺陷进行判定，同时也可清晰判断缺陷的数量及分布。

1.1.4 超声波检测  涡轮叶片超声波检测是利用设备把超声波发射进叶片内部，由于超声波在叶片内传播时，遇到叶片缺陷与叶片产生的交界面会发生反射，通过接收反射信号并进行分析可以判定叶片的内部缺陷。同时可根据接收到的反射波信号出现的位置来对缺陷进行定位。此种监测方法可确定涡轮叶片内部缺陷的大小、位置、取向、埋深和性质等参量。

1.1.5 声发射检测  声发射检测技术，是通过声发射源发射弹性波，通过叶片内部应力造成的瞬态位移，利用声发射传感器探测叶片结构位移量并将机械振动转换为电信号处理显现出来。声发射检测主要是检测叶片内缺陷的扩展，并根据叶片的应力特点判断缺陷危险程度。

1.1.6 红外检测  红外检测是通过红外设备加热涡轮叶片，由于叶片内缺陷的原因造成热量传导不同而导致叶片表面温度的不同，同时通过红外显像设备记录并展现红外影像形成温度场，根据温度场分布就可以检测出叶片中是否有裂纹、剥离、夹层等缺陷。

1.2 涡轮叶片故障分析

1.2.1 裂纹分析  发动机完全拆解后，对叶片进行目视检查我们会发现叶片的表面没有高温氧化变色现象，但是发现叶片前缘热障涂层脱落的现象发生并伴有裂纹。观察裂纹位置，不难发现，裂纹位于叶身叶盆侧的上部，裂线不规则。裂纹较短部分，呈近似弦向扩展，如图3所示。

1.2.2 断口分析  断口的地方能够清楚的看见一些放射状的棱线、弧线特征，这些特征表明涡轮叶片断裂的原因是因为疲劳[6]，具体断口特征如图4所示。

通过用电子显微镜对断口进行扫描，我们会观察到如图5所示的现象：热障涂层有开裂现象。取一个涡轮叶片作为观察样本，经金相制备、研磨、抛光、清洗、腐蚀后，再用电子显微镜对叶片的基体组织及碳化物进行检查[7]。在经过腐蚀液进行后，叶片金相组织，如图6所示，可见叶片组织有超温现象，因为在图中可以明显看到晶界处有碳化物。

2  结论与思考

涡轮叶片失效方面有一些认识与思考，希望能够对飞机发动机维修工作起到一定的参考借鉴作用。结合研究结果和维修人员的维修经验，提出以下建议：①如果涡轮叶片有明显断裂、裂纹等现象，需要立即拆下起动机。这些损伤会起动机涡轮盘动不平衡，在恶劣的工作环境中工作使径向轴承失效。②涡轮叶片可能存在再结晶隐患，影响发动机使用安全。因此，应增加叶片内腔重点区域的再结晶检测控制。③建议改进叶片排气窗结构或改进铸造工艺，减小叶片排气窗间隔墙处的残余应力，消除再结晶。

参考文献：

[1]段红燕，王小宏，张洹榕，等.基于热力耦合计算的涡轮叶片疲劳/蠕变寿命预测[J].兰州理工大学学报，2017，43（4）：59-65.

[2]杨硕.涡扇发动机高压压气机叶片裂纹萌生及扩展寿命预测研究[D].天津：天津大学，2015：1-3.

[3]李洋，邱丰，佟文伟.发动机风扇静子叶片裂纹失效分析[J].失效分析与预防，2019，14（6）：401-405.

[4]韩帅.航空发动机转子系统可靠性分析研究[D].西安工业大学，2018.

[5]孙见忠，左洪福.使用条件对民航发动机涡轮叶片蠕变寿命的影响分析[J].中国机械工程，2014，25（11）：1511-1516.

[6]王飞.某涡轮盘低循環疲劳寿命预测及试验验证[J].机械制造与自动化，2018（6）：142-145.

[7]郑媛，孙智君，张涛，等.整体叶盘叶片裂纹分析[C].2013年全国失效分析学术会议论文集，2013：70-74.