航空发动机压气机叶片的断裂失效分析

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作为航空发动机的“心脏”,叶片在工况下除承受离心载荷、气动载荷和振动负荷作用,还受到热应力的影响。因其工作环境较为恶劣,叶片断裂失效故障发生概率较高,且发生时导致发动机性能衰减,影响发动机正常工作,甚至造成严重飞行事故。因此,研究航空发动机压气机叶片断裂故障,是预防断裂故障发生,保证航空发动机叶片工作稳定性及可靠性的有效手段。本文主要从以下几个方面进行了研究:(1)对叶片断口采用宏观检查、微观检查,结合金相分析、化学成分检查、力学性能检查等方法发现:压气机转子叶片断裂失效性质为高周疲劳断裂;断裂起始位置位于叶尖与叶盆转接R处;断裂失效主要原因为发动机在工作过程中,叶尖产生沿晶微裂纹,导致局部疲劳强度降低,同时由于叶尖与叶盆转接R较小,造成局部应力集中,最终在离心力、气动力、振动应力的共同作用下叶片断裂。(2)通过ANSYS有限元软件计算叶片在工作转速范围内离心力作用下的应力分布及位移,同时应运CFX对叶片进行气动力计算,分析叶片在受气动力作用下应力变化情况。经计算,气流对叶片的作用力主要集中在排气边,最大应力位置位于叶片排气边附近区域,且在该位置容易发生高周疲劳裂纹。(3)模态分析:计算叶片在不同转速下的各阶固有频率及绘制各阶振型图,确定叶片在共振情况下的最大位移及最大受力位置,并与叶片实际失效位置及断口形貌进行比较,最终发现三、六阶主振型的最大位移位置与叶片失效断裂位置相吻合。(4)通过对叶片进行裂纹扩展分析,确定叶片的裂纹扩展方向。通过计算比较,模拟的裂纹扩展路径与实际裂纹扩展路径基本一致。
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