涡轮叶片服役环境特点

涡轮叶片服役环境特点

发动机是航空装备的“心脏”，发动机的性能决定了飞机的飞行速度、机动性、航程、有效载重等一系列性能[1]。图1-1为Leap-1C航空发动机的基本构造图，发动机主要包括风扇、压缩系统、燃烧系统、涡轮系统和喷管系统等[7]。高温燃气经过燃烧室充分燃烧后，由燃烧室排出并流经涡轮系统。一部分燃气的内能转化为机械能，推动涡轮转动，同时带动压气机继续吸入大量空气；另一部分燃气直接从尾喷管喷出，巨大反作用力推动飞机向前飞行。在燃气涡轮发动机中，涡轮是极其关键的部件。涡轮的设计、制造与用材水平关乎到整个发动机的性能水平和使用可靠性[8]。       

图1-1 C919选用的Leap-1C发动机

涡轮转子叶片是将发动机的热能转变为机械能的重要部件，其工作环境最为苛刻。在工作过程中，转子叶片需要承受高温高压、离心载荷、振动载荷、热应力、燃气腐蚀及高温氧化的综合作用[34]。严苛的服役环境，导致转子叶片失效的概率最高。统计表明发动机零部件失效事件中，转子叶片占70%以上[1]。涡轮叶片的服役环境主要分为三类：工作温度高、工作应力复杂和工作环境腐蚀性高[1, 3]。

（1）工作温度高且分布不均匀。随着涡轮发动机的发展，其推重比不断增加，航空发动机的推重比每提高10%，涡轮进气口温度需提高100 °C左右。为了不断提高发动机的推重比，涡轮前进气口温度也不断增加，目前已知的第四代军用发动机涡轮前温度已达到1850-2000 K[9]。不仅如此，叶片不同部位的温度分布还极不均匀，图1-2为某涡轮叶片服役过程中温度分布模拟结果图[6, 10]。叶片纵向方向上榫头和叶根的温度最低，中间段至叶尖处于高温区（图1-2（a））。叶片横截面方向上进气边和排气边均属高温区，但排气边温度更高（图1-2（b））。

图1-2 某涡轮叶片服役过程中温度分布模拟结果[10, 36]

(a) 叶身纵向温度分布；(b) 横截面温度分布

（2）转速高，应力大。涡轮转子叶片工作时的转速通常在12000 r/ min左右。高速旋转的情况下，涡轮叶片由于自身质量的作用，会产生很大的离心力。服役过程中叶身部分可能承受大约140 MPa的离心拉应力，而叶根部分承受的平均离心拉应力达到280~560 MPa[5]：同时，服役叶片应力分布不均匀。图1-3为某涡轮叶片服役过程中应力分布模拟结果图[6, 10]。叶片在服役过程中无论沿着叶尖到叶根的纵向方向还是叶片的横截面方向，应力分布均存在较大梯度（图1-3（a））。在叶片横截面方向上，叶片的进气边、排气边及叶背处所受综合应力最大（图1-3（b））。

（3）工作环境腐蚀性强。涡轮叶片要经受高温燃气引起的氧化以及热腐蚀[4, 1, 12]。航空发动机即使使用高品质航空煤油，燃油中依然含有微量硫。当飞机在沿海或海洋上空飞行，发动机吸入含NaCl的空气，会形成Na2SO4并沉积在涡轮叶片表面。熔化状态的盐膜导致涡轮叶片遭受热腐蚀，其腐蚀程度要比纯氧化严重得多，促使叶片过早失效。

除了环境因素外，涡轮叶片本身的复杂结构也增加了叶片失效的几率。目前涡轮叶片普遍空心结构，内部存在很多细小的管道。高压冷空气通过这些管道流经叶片，起到强制冷却的作用。为了提高冷却效率，涡轮叶片的内腔结构越来越复杂，壁厚变得越来越薄。相较于实心叶片，空心叶片复杂的结构及较薄的壁厚，使得服役叶片中温度和应力的分布更不均匀。空心结构也减少了有效承载面积，从而增加了叶片失效的风险。

图1-3 某涡轮叶片服役过程中应力分布模拟结果[10, 36]

(a) 叶身纵向温度分布；(b) 横截面温度分布

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