王天一 梁偉 余毅 麻麗春 喬志

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，遼寧沈陽 110015）

鈑金件具有成型快、成本低的優(yōu)勢。當前的技術(shù)條件下，鈑金操作中已經(jīng)基本實現(xiàn)了全數(shù)控化的操作升級，在展開應(yīng)用過程中，逐漸開發(fā)出了應(yīng)用激光切割或是數(shù)控沖床等技術(shù)下的加工手段，在效率水平上使原有技術(shù)手段得到了全面的提升[1]。航空發(fā)動機的很多重要承力部件都工作在高溫高壓環(huán)境中，為了滿足這些承力部件材料對溫度的要求，往往在承力部件上包被鈑金件以保護承力部件免受高溫侵襲[2]。某型發(fā)動機外流道組件為薄壁鈑金焊接組合件，在發(fā)動機中是典型的鈑金、焊接、機械加工組合件。該件在試驗過程中出現(xiàn)了變形的故障，本文主要以故障原因分析為例，為提升鈑金件設(shè)計、制造質(zhì)量提供借鑒。

1 故障現(xiàn)象描述

某型航空發(fā)動機試驗時，在運轉(zhuǎn)到相對換算轉(zhuǎn)速93%時，發(fā)生了整機喘振問題。緊急拉停后對發(fā)動機機進行現(xiàn)場檢查，從尾噴口部位向前觀察，發(fā)現(xiàn)渦輪后承力機匣外流道組件已發(fā)生彎扭變形，部分外流道組件已經(jīng)堵塞了流路，因此造成了發(fā)動機喘振。故障現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 外流道板變形情況

2 故障件結(jié)構(gòu)形式介紹

外流道組件為扇段結(jié)構(gòu)，周向共16 件，中間主體為鈑材切割成型，如圖2 所示。其裝配于渦輪后機匣組件之上，位于高壓渦輪出口后方，屬于熱端部件，主要承受溫度載荷和流道氣動力載荷。每件外流道組件前端通過止口掛裝在測試段外機匣上，后端通過3 個螺栓固定在承接段上。外流道組件與內(nèi)流道組件共同形成渦輪出口燃氣的流通通道，同時又起到對渦輪后承力框架進行隔熱保護的作用。為了全面查找故障原因，開展了故障樹分析，逐項排查后認為主要應(yīng)從零件選材及工藝復(fù)查、結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸、金相對比分析、零件變形分析等幾個方面開展工作。

圖2 外流道組件結(jié)構(gòu)及裝配示意圖

3 零件選材及加工工藝復(fù)查

為了全面分析，選取了其它幾個發(fā)動機型號的相似結(jié)構(gòu)部位的外流道組件進行了對比。通過對比可以看出，幾個型號的外流道組件均具有相似的結(jié)構(gòu)形式和加工工藝，均采用前、中、后三段鈑金與鍛件焊接組合的形式，如圖3 所示。只是在選材上有所不同，本型號選材為高溫合金GH188，而其他幾個型號的選材有GH536、GH3128 和GH3230。雖然選材不同，但根據(jù)根據(jù)表1[3]中的各種材料數(shù)據(jù)對比可以看出，在900～1000℃的溫度區(qū)間里本型號選材最優(yōu)。所以選材和加工工藝不是導(dǎo)致本次故障的主要原因。

表1 多種材料性能對比

圖3 選材及加工工藝對比

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸復(fù)查

通過故障件的變形情況可以看出，外流道組件前端止口已經(jīng)完全脫開。如果發(fā)生脫開的情況，則外流道組件會在高溫燃氣的氣動力作用下產(chǎn)生更大的彎曲變形。為分析脫開原因?qū)ν饬鞯狼岸酥箍诖罱恿窟M行了尺寸鏈復(fù)查計算，并分別與其他型號進行對比分析。尺寸鏈計算過程中，選取了裝配關(guān)系中所有的零件尺寸。計算結(jié)果如圖4 所示，止口徑向間隙為10.20mm，止口軸向上搭接量2±0.35mm，下搭接量為2.5±0.35mm。

圖4 尺寸鏈選取及計算結(jié)果

通過尺寸鏈計算后的對比分析可以看出，本型外流道組件前端的止口軸向搭接量比其他型號要小一些，且止口徑向間隙要稍大一些，在試車的過渡態(tài)中更容易出現(xiàn)脫開的情況。通過對比還可以發(fā)現(xiàn)，本型號的外流道組件軸向跨度尺寸要大于其它幾個型號，板材壁厚設(shè)計尺寸也相對較薄，所以會導(dǎo)致因壁厚較薄而影響零件整體剛性的問題，后續(xù)應(yīng)該針對此問題作出改進。

5 零件金相對比分析

進行解剖金相分析主要是為了判斷零件是否存在內(nèi)部組織缺陷和超溫的問題。如圖5 所示，針對故障件本體進行了解剖取樣，并與GH188 軋制板材新件取樣進行了對比熱模擬試驗。對本體取樣發(fā)現(xiàn)板材存在一定的壁厚不均問題，可能對零件整體剛性產(chǎn)生一定影響。試驗加溫溫度分別采用 900℃、950℃、1000℃、1050℃以及1100℃，保溫時間為1h，然后進行隨爐冷卻，通過試驗獲取了不同溫度的GH188 板材組織形貌。經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，在950℃條件下，故障件本體取樣與新件取樣的組織形貌相近，如圖6 所示。因此根據(jù)金相分析結(jié)果，外流道組件工作時經(jīng)歷的最高溫度應(yīng)在900℃以下，筒體變形量最大處經(jīng)歷的最高溫度應(yīng)在950℃到1000℃之間，尚未超過材料的最大使用溫度。所以零件不存在超溫導(dǎo)致的變形問題。

圖5 取樣位置示意圖

圖6 950℃下組織形貌對比

6 零件變形分析

為了進一步分析外流道組件的彎折變形問題，開展了考慮溫度載荷、壓差載荷的變形計算分析。溫度場計算過程中考慮了90%和93%試車換算轉(zhuǎn)速下的多個工作狀態(tài)點進行計算，其中兩個工況較為惡劣的溫度場。

加溫后零件變形趨勢如圖7 所示。冷態(tài)下外流道前止口的下搭接量為2.5±0.35mm，但經(jīng)加載溫度場后的變形計算分析發(fā)現(xiàn)，由熱不協(xié)調(diào)引起的剩余搭接量的變化范圍在1.010mm～2.234mm 之間，各工況計算結(jié)果如表2 所示?？紤]內(nèi)外腔壓載荷和尺寸公差的影響后，剩余搭接量會更小。即在熱態(tài)下，外流道前止口有脫開的趨勢。

圖7 加溫后零件變形分析

表2 各工況下剩余搭接量計算

在溫度載荷的基礎(chǔ)上，繼續(xù)施加壓力載荷，分析壓力載荷與剩余搭接量的關(guān)系。計算后的變形位移分布見圖8，壓力載荷與剩余搭接量的關(guān)系見表3。根據(jù)計算結(jié)果可知，外流道板搭接位置軸向變形不均勻。由于其軸向跨度較大，且中間部位較薄，所以中間部位的變形趨勢會向上鼓起，有可能導(dǎo)致外流道板前段搭接的止口先脫開。壓力載荷（內(nèi)外壓差）超過0.03MPa 后，剩余搭接量急劇減小，更容易脫開。

表3 壓力載荷與剩余搭接量關(guān)系

圖8 加壓后零件變形分析

7 故障分析結(jié)論

綜合故障樹及各方面的分析情況，可以總結(jié)出故障的原因主要是外流道的壁厚過薄、板材壁厚不均、止口搭接量過小、剛性弱，在工作過程中溫度載荷與壓力載荷的共同作用下產(chǎn)生脫開變形。后續(xù)的改進方案中，應(yīng)根據(jù)故障原因作出針對性的改進。

8 改進措施

根據(jù)故障原因，對外流道制定了改進措施。

8.1 為了增加零件的整體剛性，將板材基體壁厚由0.8mm 更改為2mm。

8.2 增加止口上、下的搭接量，上搭接量增加到4mm，下搭接量增加到8mm，保證止口搭接在工作過程中不脫開。

8.3 流道表面噴涂耐高溫?zé)嵴贤繉?，進一步降低工作時零件表面的溫度，從而減小熱零件變形量。

目前，改進后的零件在發(fā)動機后續(xù)試驗中表現(xiàn)良好，改進措施得到了驗證。

9 結(jié)論

鈑金件具有成型快、成本低的優(yōu)勢，在航空發(fā)動機上具有大量的應(yīng)用。而航空發(fā)動機的高溫高負荷工作特性，也給鈑金件的設(shè)計、制造帶來一定難度。設(shè)計、制造過程只有不斷進行試驗和變形仿真分析，總結(jié)經(jīng)驗與數(shù)據(jù)，才能進一步提升零件的整體質(zhì)量。