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都说航空发动机是飞机的心脏，除去说发动机为飞机提供动力之外，其重要性也是不言而喻。对于飞机身上这么重要的一个器官，它最娇贵的部分在哪呢？答案是发动机叶片。据不完全统计，我国空军现役飞行的发动机事故中，80%都跟发动机叶片断裂失效有关。而这么娇贵的部分一旦发生断裂失效，对发动机乃至整个飞机的损害往往是致命性的。
1叶片的构造与薄弱环节
要讲叶片的断裂，那我们首先得从它的构造入手。压气机、涡轮的叶片一般由叶身与榫头组成，叶身较长的叶片常设有凸肩或叶冠，另外叶片形状和安装结构种类也不一而足。一般来说，大发动机的叶片均是通过榫头与轮盘连接，叶身不与任何东西接触，若是有凸肩或叶冠，则相互接触支撑以减振。
对于发动机叶片来说，任何一种结构及安装形式，均有其局限性，拥有自身的弱点和薄弱环节。总体上来说，失效常见的部位分别是叶身稳态应力最大点和温度最高点、振动节线部位、易受腐蚀部位以及连接与接触部位。
对于叶片截面，其稳态应力最大点有三个部位，及下图中的A、B、C三个点，这些点是叶片裂纹易于萌生的危险点。
其次，高速转动的叶片必然承受一定的振动。当外来振动频率与叶片某种振型频率相吻合时会发生共振，而一旦发生共振，在振动节线部位会产生较大的附加振动应力。
除此之外，包括叶冠或凸肩的接触、榫头上的接触面、榫头与轮盘的接触等部位，由于设计或加工装配等原因，往往造成部分接触不均匀，会引起局部应力急剧增加，从而成为裂纹萌生部位。
另外，涡轮叶片上高温区容易发生热腐蚀并降低叶片的表面完整性，成为疲劳的萌生点；另外压气机前几级叶片也容易受到空气中尘埃、沙粒甚至腐蚀介质的冲刷或撞击，导致叶片表面出现微坑或腐蚀斑点，成为裂纹的萌生地。
2叶片的故障机理
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。
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，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。
超应力
涡轮叶片由于其形状的不规则，叶片中存在应力集中部位。尽管在设计中往往会采取一系列措施加以避免，但实际上，超应力仍然是造成涡轮叶片断裂的一个原因。
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。
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。
3叶片寿命影响因素
以上从原理上分析了叶片断裂的原因。那么实际生活中造成这些机理的情况又有哪些呢？这就涉及到影响叶片寿命长短的因素讨论了。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。
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、叶身扭转弯度、叶片内有冷却通道等特点，叶片复杂曲面加工困难，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。
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，将不可避免地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。
外来物损伤
对于发动机来说，外来物损伤一方面是指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。
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。一般来说，超转势必引起超温。
4叶片断裂的预防
叶片断裂失效大多与设计和制造技术有关，因此，预防叶片断裂失效要首先从设计入手，充分认识和掌握发动机叶片的适用条件，总结使用条件下叶片失效的规律与特征，系统研究引起失效的确切原因和机理，研究并掌握发动机叶片振动特性与规律，加强结构设计的基础性研究，同时考虑叶片成形工艺的适应性和无损检测的可行性。
精密的航空发动机叶片
加强叶片制造工艺，特别是对叶片榫头、振动节线、进排气边等关键部位的加工精度和质量控制，杜绝加工超差等质量问题引起的叶片断裂失效。
加强对新材料、新工艺的研究，特别要加大对新材料、新工艺在型号工程上应用的深入研究，但同时也要对它们在工程上应用的边界条件深入探索，警惕和预防新材料、新工艺在叶片实际考核前就进入工厂的批生产，或者以生产代替工程应用研究。
对现役发动机，要正确认识设计问题导致的叶片断裂失效。我国现役发动机大都是测仿引进，设计上的问题基本属于深层次上的细节结构设计问题，这些问题的解决从设计上改进往往牵一发而动全身。因此，要从完善设计改进的角度出发，尽可能从材料特别是从热工艺的角度提高叶片的抗力来解决。
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发表于 2016-7-8 14:04:41