都說航空發(fā)動機是飛機的心臟，除去說發(fā)動機為飛機提供動力之外，其重要性也是不言而喻。對于飛機身上這么重要的一個器官，它最嬌貴的部分在哪呢？答案是發(fā)動機葉片。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國空軍現(xiàn)役飛行的發(fā)動機事故中，80%都跟發(fā)動機葉片斷裂失效有關(guān)。而這么嬌貴的部分一旦發(fā)生斷裂失效，對發(fā)動機乃至整個飛機的損害往往是致命性的。
嬌貴的發(fā)動機葉片
發(fā)動機渦輪葉片斷裂失效
德爾塔1288航班遭遇葉片斷裂導(dǎo)致飛行事故
可見，發(fā)動機葉片斷裂不容小覷，那么今天小編就帶領(lǐng)大家全方位認識一下發(fā)動機葉片的斷裂，看看它為啥有這么驚人的破壞力。
1葉片的構(gòu)造與薄弱環(huán)節(jié)
要講葉片的斷裂，那我們首先得從它的構(gòu)造入手。壓氣機、渦輪的葉片一般由葉身與榫頭組成，葉身較長的葉片常設(shè)有凸肩或葉冠，另外葉片形狀和安裝結(jié)構(gòu)種類也不一而足。一般來說，大發(fā)動機的葉片均是通過榫頭與輪盤連接，葉身不與任何東西接觸，若是有凸肩或葉冠，則相互接觸支撐以減振。
發(fā)動機葉片的葉身與榫頭結(jié)構(gòu)
葉片與輪盤的安裝結(jié)構(gòu)
對于發(fā)動機葉片來說，任何一種結(jié)構(gòu)及安裝形式，均有其局限性，擁有自身的弱點和薄弱環(huán)節(jié)?？傮w上來說，失效常見的部位分別是葉身穩(wěn)態(tài)應(yīng)力最大點和溫度最高點、振動節(jié)線部位、易受腐蝕部位以及連接與接觸部位。
對于葉片截面，其穩(wěn)態(tài)應(yīng)力最大點有三個部位，及下圖中的A、B、C三個點，這些點是葉片裂紋易于萌生的危險點。
葉片截面穩(wěn)態(tài)應(yīng)力最大點分布
其次，高速轉(zhuǎn)動的葉片必然承受一定的振動。當外來振動頻率與葉片某種振型頻率相吻合時會發(fā)生共振，而一旦發(fā)生共振，在振動節(jié)線部位會產(chǎn)生較大的附加振動應(yīng)力。
發(fā)動機葉片的兩種振型
除此之外，包括葉冠或凸肩的接觸、榫頭上的接觸面、榫頭與輪盤的接觸等部位，由于設(shè)計或加工裝配等原因，往往造成部分接觸不均勻，會引起局部應(yīng)力急劇增加，從而成為裂紋萌生部位。
發(fā)動機葉片葉根部局部應(yīng)力集中
另外，渦輪葉片上高溫區(qū)容易發(fā)生熱腐蝕并降低葉片的表面完整性，成為疲勞的萌生點；另外壓氣機前幾級葉片也容易受到空氣中塵埃、沙粒甚至腐蝕介質(zhì)的沖刷或撞擊，導(dǎo)致葉片表面出現(xiàn)微坑或腐蝕斑點，成為裂紋的萌生地。
渦輪發(fā)動機葉片上的一種溫度分布
2葉片的故障機理
從理論上看，渦輪葉片斷裂的故障機理有疲勞、超應(yīng)力、蠕變、腐蝕、磨損等。
疲勞
發(fā)動機工作時，由于經(jīng)常起動、加速、減速、停車以及其他條件的影響，會使渦輪各部件承受復(fù)雜的循環(huán)載荷作用，使得葉片經(jīng)受大量彈性應(yīng)力循環(huán)，最終引起高周疲勞、低周疲勞或熱疲勞，使得渦輪葉片斷裂。
渦輪發(fā)動機葉片根部疲勞裂紋擴展
超應(yīng)力
渦輪葉片由于其形狀的不規(guī)則，葉片中存在應(yīng)力集中部位。盡管在設(shè)計中往往會采取一系列措施加以避免，但實際上，超應(yīng)力仍然是造成渦輪葉片斷裂的一個原因。
發(fā)動機葉片中應(yīng)力分布建模
蠕變
高溫環(huán)境下，蠕變斷裂是渦輪葉片主要的失效形式之一。隨著渦輪后燃氣溫度從20世紀50年代的1150K增加到現(xiàn)在的2000K，蠕變將導(dǎo)致葉片的塑性變形過大甚至產(chǎn)生蠕變斷裂。
發(fā)動機葉片的蠕變斷裂
腐蝕
腐蝕來自于葉片所受的高溫燃氣。高溫燃氣對葉片的腐蝕既包括沖刷造成的腐蝕，也包括高溫燃氣對金屬葉片的氧化腐蝕。腐蝕會降低葉片的性能，當腐蝕達到一定程度，葉片材料性能不能滿足要求時，就會發(fā)生斷裂。
壓氣機葉片的嚴重腐蝕
3葉片壽命影響因素
以上從原理上分析了葉片斷裂的原因。那么實際生活中造成這些機理的情況又有哪些呢？這就涉及到影響葉片壽命長短的因素討論了。渦輪葉片使用壽命終結(jié)的特征有：葉片出現(xiàn)影響發(fā)動機使用功能的超出設(shè)計允許的變化，或者葉片損傷積累到所允許的極限。在實際的應(yīng)用中，葉片從生產(chǎn)到應(yīng)用的過程復(fù)雜，涉及到的因素多，往往會由于各種原因引起葉片發(fā)生斷裂。
制造和材料缺陷
受發(fā)動機高性能、工作安全性、可靠性以及壽命的要求，渦輪葉片必須具有精確的尺寸、準確的形狀和嚴格的表面完整性。但由于葉片型面的復(fù)雜性、葉身扭轉(zhuǎn)彎度、葉片內(nèi)有冷卻通道等特點，葉片復(fù)雜曲面加工困難，加工精度不易保證。目前存在葉片加工變形、精度低、表面質(zhì)量低等問題。
發(fā)動機葉片內(nèi)視圖
裝配和維修誤差
裝配誤差是指由于加工過程中零件內(nèi)部形成的殘余應(yīng)力因素影響，裝配面出現(xiàn)接觸不良，配合面例如葉片與渦輪盤榫槽間隙超差等。實踐表明，上述誤差累積至最終裝配誤差，將不可避免地要影響發(fā)動機的性能。維修誤差與之類似，只是產(chǎn)生的過程是在維修過程。
發(fā)動機葉片加工要求較高精度
外來物損傷
對于發(fā)動機來說，外來物損傷一方面是指飛行過程中發(fā)動機吸入異物，地面滑跑過程中進氣道內(nèi)留有異物等，也包括飛行過程中發(fā)動機內(nèi)部其他部件故障后，可能產(chǎn)生的殘片造成的損傷。
發(fā)動機葉片被長期侵蝕
超限
超限包括超溫和超轉(zhuǎn)。超溫是指渦輪后燃氣溫度超過規(guī)定值，此時，燃燒室出口溫度必定過高，溫度過高會使渦輪葉片承受的熱載荷增大。超轉(zhuǎn)是指發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過最大轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速過大會使渦輪葉片承受的離心載荷過大，當載荷超過葉片所能承受的最大載荷時，葉片就會斷裂。一般來說，超轉(zhuǎn)勢必引起超溫。
航空發(fā)動機超溫工作起火
4葉片斷裂的預(yù)防
葉片斷裂失效大多與設(shè)計和制造技術(shù)有關(guān)，因此，預(yù)防葉片斷裂失效要首先從設(shè)計入手，充分認識和掌握發(fā)動機葉片的適用條件，總結(jié)使用條件下葉片失效的規(guī)律與特征，系統(tǒng)研究引起失效的確切原因和機理，研究并掌握發(fā)動機葉片振動特性與規(guī)律，加強結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)性研究，同時考慮葉片成形工藝的適應(yīng)性和無損檢測的可行性。
精密的航空發(fā)動機葉片
加強葉片制造工藝，特別是對葉片榫頭、振動節(jié)線、進排氣邊等關(guān)鍵部位的加工精度和質(zhì)量控制，杜絕加工超差等質(zhì)量問題引起的葉片斷裂失效。
高精度發(fā)動機葉片加工
加強對新材料、新工藝的研究，特別要加大對新材料、新工藝在型號工程上應(yīng)用的深入研究，但同時也要對它們在工程上應(yīng)用的邊界條件深入探索，警惕和預(yù)防新材料、新工藝在葉片實際考核前就進入工廠的批生產(chǎn)，或者以生產(chǎn)代替工程應(yīng)用研究。
不同材料結(jié)構(gòu)的發(fā)動機葉片
對現(xiàn)役發(fā)動機，要正確認識設(shè)計問題導(dǎo)致的葉片斷裂失效。我國現(xiàn)役發(fā)動機大都是測仿引進，設(shè)計上的問題基本屬于深層次上的細節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，這些問題的解決從設(shè)計上改進往往牽一發(fā)而動全身。因此，要從完善設(shè)計改進的角度出發(fā)，盡可能從材料特別是從熱工藝的角度提高葉片的抗力來解決。
發(fā)動機葉片熱交換系統(tǒng)設(shè)計
