CN102507432A - 航空涡轮发动机涡轮盘无损探伤方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空涡轮发动机涡轮盘无损探伤方法，是通过常温超转试验模拟等效发动机工作状态下的涡轮盘应力状态，使涡轮盘材料内部的缺陷充分暴露，从而实现对涡轮盘材料内外缺陷的检查，为了消除超转带来的与工作状态不同所致的变形，试验时的装配状态应与发动机工作状态尽量保持一致，并将试验安排在轮盘加工工艺过程中，且涡轮盘留有适当的加工余量，在试验后通过补充加工消除变形影响。本发明公开的无损探伤方法，主要内容包括试验目标转速确定，试验数据实测，试验数据分析和试验后检查，可同时对涡轮盘材料表面和内部缺陷进行检查，克服现了现有检查方法不能检查涡轮盘材料内部缺陷的不足，为涡轮盘材料的检查提供了一个有效方法。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机涡轮盘材料可靠性检查技术，更为具体地说，涉及航空涡轮发动机涡轮盘材料无损探伤的一种方法。
背景技术
航空涡轮发动机涡轮盘工作在高温、高转速的恶劣环境下，承受极高的机械、热负荷，是对发动机安全性影响极大的关键零件，因此在设计、制造中对于其质量的检查至关重要。
涡轮发动机涡轮盘材料可靠性无损探伤的方法，目前主要有渗透检查、磁粉检查和涡流检查，渗透检查是通过先在零件表面涂饰渗透液，待渗透液渗入之后再涂饰显像剂，以显示涡轮盘材料表面的缺陷；磁粉检查是利用铁磁性材料或工件磁化后，在表面和近表面的缺陷处磁力线发生变形的方法检查铁磁性材料表面或浅表面缺陷；涡流检查是利用电磁感应原理测定检验线圈阻抗的变化检查导电材料表面或近表面缺陷等。现有技术的涡轮盘材料可靠性无损探伤的检查手段，检查范围主要集中于轮盘表层厚度范围，不能有效反映表层一定厚度以内的材料内部缺陷，而航空涡轮发动机涡轮盘在高温、高转速的载荷状态下运行，其表层下一定深度的内部缺陷可能在高载荷张力状态下扩展形成危险源，或者甚至扩展至表层导致表面开口破坏，严重威胁飞机的安全。
鉴于涡轮盘是影响涡轮发动机运行安全极为关键的零件，现有检查涡轮盘材料可靠性的方法只能检查涡轮盘表层厚度一定范围内的缺陷，而涡轮盘材料内部缺陷在高载荷张力状态下很可能扩展形成危险源，以及航空涡轮发动机使用环境的特殊性，涡轮发动机的生产实践急需提供一种使涡轮盘内部缺陷得到提前暴露的一种检查方法，以进一步保证涡轮盘的使用可靠性，避免航空安全事故发生。
发明内容
针对现有技术的涡轮盘材料可靠性检查方法存在的不足，本发明的目的旨在提供一种新的航空发动机涡轮盘无损探伤的方法，以克服现有技术无损探伤方法存在的只能检查涡轮盘表层厚度一定范围内材料存在的缺陷，不能检查涡轮盘材料内部存在的缺陷问题。
本发明的基本思想是通过常温超转试验模拟等效发动机工作状态下涡轮盘中的应力状态，即在常温下通过超转(即在超过发动机最大工作转速的合适转速下)模拟涡轮盘在发动机最大工作载荷状态下，由于高速旋转离心力和高温共同影响在盘身产生的应力分布和应力水平，且通过在试验转速下驻留适当的时间使涡轮盘材料内的缺陷充分暴露，从而达到检查涡轮盘材料内部是否存在安全缺陷的目的。同时为了消除超转时带来的与工作状态不同所致的变形问题，在试验时使试验装配状态与发动机工作状态尽量保持一致，并考虑将试验安排在涡轮盘加工工艺过程中来进行(轮盘留有适当余量，不加工榫槽等)，在试验后通过补充加工消除变形影响。
本发明提供的航空涡轮发动机涡轮盘无损探伤方法，主要步骤包括试验转速确定、试验数据实测、转速修正、判断是否进行补充试验、试验后检查，其具体技术方案如下：
(1)试验转速确定：根据涡轮盘在涡轮机最大工作载荷状态下的应力分布和最大应力水平确定涡轮盘的试验检查区，计算出涡轮盘在常温试验装配状态下试验检查区达到最大工作载荷状态下的最大应力水平的试验目标转速。
(2)试验数据实测：在试验涡轮盘的实验检查区布设应变片，将涡轮盘安装在轮盘旋转试验器上启动试验，试验过程在目标转速驻留至少5秒，利用涡轮盘上的应变片实时监控试验的进行，记录应力应变测量结果。试验过程在目标转速驻留的时间也不宜过长，一般在目标转速驻留10～20秒即可达到使涡轮盘内部缺陷充分暴露的目的。
(3)试验数据分析：对试验实测应力水平数据和计算应力水平数据进行对比分析，判断试验实测应力水平和计算应力水平的一致性。通常当试验实测应力水平与计算应力水平不一致，特别是当低于计算应力水平时，需修正试验目标转速进行再一次试验。
(4)试验后检查：检查涡轮盘材料情况，排除材料有缺陷的涡轮盘。
在上述技术方案中，涡轮盘在涡轮机最大工作载荷状态下的应力分布和最大应力水平可采用有限元方法通过有限元程序来分析确定。当然也可以采用其他的方法与手段来确定。任何可以确定涡轮盘在高旋转离心力和高温共同作用下的应力分布和最大应力水平的方法和手段都可以。
在上述技术方案中，试验目标转速的确定，可采取通过调整计算转速，计算常温、试验装配状态下涡轮盘检查区的应力，即计算涡轮盘在试验状态下于不同转速产生的应力，直至应力水平与最大工作载荷状态下的计算值一致，该计算转速即为试验目标转速。
试验目标转速通常要大于涡轮发动机在最大工作载荷下的转速。这是因为涡轮发动机在最大工作载荷下产生的应力水平，是由涡轮盘高速旋转离心力和高温共同影响在盘身产生的，而试验是涡轮盘在轮盘旋转试验器上于常温下进行的，不存在由高温产生的应力，需由高速旋转离心力来补偿，因此试验目标转速通常大于涡轮发动机在最大工作载荷下的转速。
在上述技术方案中，涡轮盘试验前后最好测量轮盘的特征尺寸，如涡轮盘的外径和装配孔内径，以考察其变形情况，确定留有加工余量大小。由于涡轮盘测量试验会带来变形，因此涡轮盘试验最好在加工工艺过程中进行，使涡轮盘保留有一定的加工余量，即涡轮盘为精加工之前的初加工后的涡轮盘。
本发明揭示的航空涡轮发动机涡轮盘无损探伤方法，属于涡轮盘材料可靠性的试验检查技术，主要是通过在涡轮盘的制造过程中增加高转速试验，以暴露涡轮盘材料本身存在的、由初加工所致的在一般检查中不易发现的缺陷，用于在新型号航空发动研制中提高涡轮盘的材料、制造工艺质量，排除制造缺陷，确保涡轮盘在工作转速、抑或在超负荷状态下的工作安全。
本发明揭示的航空涡轮发动机涡轮盘无损探伤方法，适用于所有涡轮盘常用材料，对涡轮盘易产生失效部位的高应力区可同时进行表面和内部缺陷检查，克服了现有技术检查方法只能检查涡轮盘表层厚度一定范围内材料存在的缺陷，不能检查涡轮盘材料内部存在的安全缺陷问题，为航空涡轮发动机涡轮盘材料的检查提供了一个有效方法。本发明的试验流程控制手段成熟、试验设备可靠、测试精度高，在旋转试验器上于常温装配状态下，只需进行一次适当时间长度的、超转速试验即可有效暴露涡轮盘材料表面与内部的缺陷，试验完成后通过进一步加工，消除涡轮盘塑性区、残余变形带来的尺寸变化影响，保证涡轮盘使用前后的装配结构尺寸。
具体实施方式
某型号航空涡轮发动机，设计最大工作载荷下的转速为11300转，温度为800℃。发动机的高压涡轮盘采用了在中间工序进行常温超转试验检查方法，以检查涡轮盘材料、铸造、加工的质量水平。详细如下：
1、涡轮盘加工状态：涡轮盘常温超转试验前的加工状态为初步加工，主要特征部位，涡轮盘的外径、装配孔内径等部位留有加工余量，榫槽不加工，待试验后再进行加工，消除超转速对这些部位带来的变形。
2、确定试验目标转速：采用有限元方法通过有限元程序分析涡轮盘在发动机最大工作载荷下由离心力和高温共同作用下的应力分布和最大应力水平。分析结果是涡轮盘安装孔处的应力水平最大。以涡轮盘的安装孔作为试验检查区，以其平均应力作为目标应力状态。然后对轮盘进行常温状态超转应力计算分析，调整转速计算常温下的安装孔应力值，直至轮心平均应力水平与最大工作载荷状态下的应力水平一致，以该转速作为试验目标转速，最终确定超转转速为在该转速下可以实现等应力检查的效果。
3、试验数据实测：在涡轮盘安装孔的周向、轴向粘贴应变片，将涡轮盘安装在轮盘旋转试验器上进行试验，利用应变片和应变仪实时监控试验的进行，实验过程中在试验转速下驻留15秒，试验后测量涡轮盘安装孔内径、涡轮盘外径尺寸变化。
4、试验数据分析：对试验测试数据与计算数据进行对比分析，常温超转试验应力水平在涡轮盘材料的弹性范围内，与发动机最大工作载荷状态下的应力水平基本一致，涡轮盘材料内外无缺陷，质量合格。
5、通过检查的涡轮盘，送至精加工工段，加工去除涡轮盘外径、装配孔内径等部位留有的加工余量，精加工至设计尺寸。
Claims (7)
1.一种航空涡轮发动机涡轮盘无损探伤方法，其特征在于：
(1)试验转速确定：根据涡轮盘在涡轮机最大工作载荷状态下的应力分布和最大应力水平确定涡轮盘的试验检查区，计算确定涡轮盘在常温试验装配状态下试验检查区达到最大工作载荷状态下的最大应力水平的试验目标转速；
(2)试验数据实测：在试验涡轮盘的试验检查区布设应变片，将涡轮盘安装在轮盘旋转试验器上启动试验，试验过程在目标转速驻留至少5秒，利用涡轮盘上的应变片实时监控试验的进行，记录应力应变测量结果；
(3)试验数据分析：对试验实测应力水平数据和计算应力水平数据进行对比分析，判断试验实测应力水平和计算应力水平的一致性；
(4)试验后检查：检查涡轮盘材料质量情况，排除材料有缺陷的涡轮盘。
2.根据权利要求1所述的航空涡轮发动机涡轮盘无损探伤方法，其特征在于：当试验实测应力水平与计算应力水平不一致，修正试验目标转速进行再一次试验。
3.根据权利要求1或2所述的航空涡轮发动机涡轮盘无损探伤方法，其特征在于：涡轮盘在涡轮机最大工作载荷状态下的应力分布和最大应力水平采用有限元方法通过有限元程序来分析确定。
4.根据权利要求1或2所述的航空涡轮发动机涡轮盘无损探伤方法，其特征在于：试验目标转速是通过调整计算转速，计算常温、试验装配状态下涡轮盘检查区的应力，直至应力水平与最大工作载荷状态下的计算值一致，该计算转速即为试验目标转速。
5.根据权利要求1或2所述的航空涡轮发动机涡轮盘无损探伤方法，其特征在于：试验过程在目标转速驻留10～20秒。
6.根据权利要求1或2所述的航空涡轮发动机涡轮盘无损探伤方法，其特征在于：涡轮盘试验前后测量轮盘的特征尺寸，考察其变形情况。
7.根据权利要求1或2所述的航空涡轮发动机涡轮盘无损探伤方法，其特征在于：所述涡轮盘为留有加工余量的涡轮盘。
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