균열 파손의 관점에서 압축기 로터 블레이드 테스트 실행 중 터보팬 엔진, 이 논문은 블레이드의 강도 및 진동 특성을 분석하고 블레이드가 작동 중 공진 위험이 있다는 결론을 내렸습니다. 블레이드의 진동은 비접촉 측정 방법으로 측정되었으며 부식 피트가 없는 로터 블레이드의 진동 응력이 얻어졌습니다. 부식되지 않은 상태에서 블레이드의 작동 신뢰성은 블레이드의 고주기 피로 시험을 수행하여 검증되었습니다. 부식 상태에서 블레이드의 균열 확장 임계값은 Pairs 공식에 의해 역전되었으며 블레이드 균열의 원인을 분석했습니다. 파손의 주요 원인은 블레이드가 먼저 부식 피트를 형성한 다음 고주기 교대 하중의 작용으로 부식 피로로 인해 파손되기 때문입니다. 이 논문은 공정 관점에서 개선에 초점을 맞추고 재료 템퍼링 온도 범위를 제어하고 블레이드 표면에 알루미늄 침투 공정을 추가하여 블레이드의 파손 고장을 효과적으로 방지하고 블레이드의 작동 신뢰성을 향상시킵니다.

블레이드는 엔진의 중요한 부분 중 하나이며, 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 중요한 작업을 수행합니다. 고속, 큰 하중 및 복잡한 작업 조건으로 인해 작동 중에 고장이 발생하기 쉽습니다. 항공 스테인리스강은 강도가 높고, 가소성, 인성 및 피로 저항성이 우수하며 가격이 저렴합니다. 항공 산업에서 엔진 블레이드를 제조하는 데 널리 사용됩니다. 해양 항공기 및 선박에 사용되는 증기 터빈은 고온, 고습, 고염도 및 안개가 많은 지역과 같은 해양 대기의 기상 요인으로 인해 강철 합금 재료의 부식 거동에 직접 영향을 미칩니다. 엔진 블레이드는 응력 부식 및 피로 부식에 매우 취약하여 엔진의 효율성을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 유지 관리 시간과 비용도 증가합니다.

응력 부식 균열은 종종 명백한 거시적 변형 없이 발생하는 취성 파괴입니다. 일단 형성되면 응력 부식 균열은 다른 유형의 국부 부식보다 더 빨리 확장되며 지금까지 알려진 가장 파괴적인 부식 유형입니다. 통계 결과에 따르면 스테인리스 강의 응력 부식 균열은 파괴 실패 중 50위를 차지하며 38% 이상을 차지합니다. 수십 년 동안 전 세계 관련 분야의 학자들은 고강도 합금강 구조물의 부식 피로 연구에 전념하여 이러한 구조물의 부식 피로에 대한 실험적 개발 및 메커니즘 탐색을 위한 견고한 기반을 마련했습니다. 예를 들어, Liu 등은 690CrMoAl 고강도 강의 부식 피로 특성을 연구하여 부식 손상이 시편의 국부 소성 구역에 먼저 나타나 피로 균열의 시작을 가속화한다는 것을 발견했습니다. Guo Hongchao는 부식 환경에서 Q30.15 고강도 강의 피로 성능을 연구했고, 부식 주기가 38.89일과 60일일 때 피로 한계가 각각 100%와 XNUMX% 감소한다는 것을 발견했습니다. Jing Yongzhi는 해양 환경에서 사용되는 엔진 블레이드 보호 코팅에 대한 관련 연구를 요약하고 블레이드 보호 코팅의 설계 개념을 요약했습니다.

본 논문은 특정 유형의 엔진의 시험 운전 중 압축기의 1단계 로터 블레이드의 응력 부식 파괴 현상을 목표로 블레이드의 작동 범위 내에서 정상 상태 응력 및 진동 특성을 분석하고 블레이드가 저속 이하에서 공진 위험이 있다는 결론을 내렸습니다. 비접촉 변형률 측정을 기반으로 블레이드 진동 모니터링 테스트를 수행하여 부식 피트가 없는 로터 블레이드의 진동 응력을 얻었습니다. 블레이드 고주기 피로 시험의 측정 결과와 결합하여 부식되지 않은 상태에서 블레이드의 작동 신뢰성을 검증했습니다. 페어 공식을 사용하여 부식 상태에서 블레이드의 균열 확장 임계값을 역전시키고 블레이드 균열의 원인을 분석했습니다. 분석 결과는 파괴 분석의 결론과 일치하여 분석의 효과를 검증했습니다. 해당 보호 조치를 취했으며 조치를 실험을 통해 검증했습니다.

1 오류 개요
터보팬 엔진 압축기의 1단계 블레이드 디스크와 전면 저널은 12Cr2Ni177WMoVNb 내열강 다이 포징과 통합 CNC 가공을 사용하여 통합되었습니다. 약 8.3시간의 테스트 실행 후 모든 블레이드에 루트에서 블레이드 끝까지 다양한 크기의 고르지 않은 피트가 있었고 한 블레이드에 균열이 있는 것으로 나타났습니다. 균열 길이는 약 4.8mm이고 입구 가장자리 근처에 위치하며 가장자리 플레이트에서 약 1mm 떨어져 있으며 균열이 있는 블레이드의 모양은 그림 XNUMX에 나와 있습니다.
파괴 소스 영역의 거시적 형태는 그림 2에 나와 있으며, 전형적인 피로 아크와 방사형 융기가 보입니다. 소스 영역은 약 0.2mm 이내에서 검은색이며, 소스 영역에 부식 생성물이 있음을 나타냅니다. 확장된 영역은 회흑색과 밝은 노란색이며, 많은 수의 피로 아크가 보입니다.

2 원인 분석
고장의 원인과 메커니즘을 더욱 명확히 하기 위해 압축기 1단 로터 블레이드에 대한 정적강도 해석, 진동 해석, 균열 확장 해석, 파괴 해석을 실시하였습니다.

2.1 정적 강도 분석
압축기 1단 블레이드의 순환 대칭 구조적 특성에 따라 31/3 디스크 바디와 완전한 블레이드를 계산 모델로 취하고 ANSYS 소프트웨어 플랫폼을 사용하여 정적 강도 해석을 수행했습니다. 웹의 볼트 구멍 노드의 축 방향 및 원주 방향 자유도를 제한하고 하중은 온도, 속도 및 공기 역학적 힘을 고려했습니다. 순환 대칭 경계 조건은 순환 대칭 표면에 적용되었습니다. 유한 요소 모델은 그림 4에 나와 있으며 최대 작동 상태에서 블레이드 바디의 응력 분포는 그림 XNUMX에 나와 있습니다. 계산 결과에 따르면 블레이드 백루트 중간 영역의 응력이 가장 크고 블레이드의 균열 시작 응력이 비교적 낮아 강도 설계 요구 사항을 충족합니다.

2.2 진동 해석
압축기의 5단계 로터 블레이드에 대한 모달 해석을 수행했습니다. 블레이드의 5차 진동 모드와 상대 진동 응력 분포는 그림 6에 나와 있습니다. 그림 XNUMX에서 XNUMX차 최대 진동 응력의 위치가 블레이드 균열의 위치와 일치함을 알 수 있습니다. 블레이드의 공진 속도 다이어그램은 그림 XNUMX에 나와 있습니다.

그 중 분석이 필요한 여기 차수는 K = 1, 2, 3, 4로, 엔진의 입구 공기 흐름 왜곡 및 저차 여기와 상응한다. 전단 가이드 블레이드의 수는 38개, 후단 가이드 블레이드의 수는 52개이다. 그림 6과 같이 엔진 작동 속도 범위 내에서 K = 3배 여기선과 블레이드의 5.4차 고유 진동수선 사이에 공진점이 있다. 해당 엔진 작동 속도는 저속이고, 공진점은 저속 아래에 있으며, 공진 마진은 XNUMX%이다.

K=3배의 여기 하에서 블레이드의 XNUMX차 공진 위험을 검증하기 위해 비접촉 블레이드 진동 측정 시스템을 사용하여 압축기의 XNUMX단계 로터 블레이드의 진동을 측정했습니다. 압축기의 XNUMX단계 로터 블레이드는 시험 전에 검사되었으며 부식 구멍은 발견되지 않았습니다.
봉투 범위 내에서 블레이드에서 발생할 수 있는 최대 진동 응력을 측정하기 위해 테스트 실행은 다양한 가이드 베인 개방 각도와 입구 온도 조건의 조합을 고려했으며 총 6개의 조합 상태 테스트가 수행되었습니다. 속도 테스트 스펙트럼은 그림 7에 나와 있습니다.

비접촉 변형률 시험의 기본 원리는 두 단계로 나뉜다. 첫 번째 단계는 블레이드의 실제 작동 조건에서 공진 조건에서 블레이드의 팁 진폭 값을 시험하는 것이다. 두 번째 단계는 블레이드 변형률과 팁 진폭의 변환 관계에 따라 공진에서 필요한 변형률 측정 지점의 변형률 결과를 계산하는 것이다. 상태 1에서 첫 번째 사이클 가속 프로세스에서 블레이드의 진동 변위, 공진 속도 및 주파수 결과는 그림 8에 나와 있다. 그림의 수평축은 블레이드 번호이고 수직축은 위에서 아래로의 변위, 공진 속도 및 공진 주파수이다. 변환 후 얻은 블레이드의 1차 진동 응력은 표 XNUMX에 나와 있다.

HB 5277-84를 참조하여, 블레이드의 고주기 진동 피로 한계는 리프팅 방법으로 측정되었고, 15개의 유효 데이터가 얻어졌다. 오차 한계가 107%인 블레이드의 3-사이클 피로 한계-5σ 값(즉, 95% 신뢰 수준, 99.73% 생존율)은 485MPa였다. 블레이드의 피로 한계-3σ 값을 이용한 고주기 피로 예비율 분석은 그림 9에 도시되어 있으며, 여기서 세로축은 진동 응력이고 가로축은 정상 상태 응력이다. 그림 9에서 볼 수 있듯이, 블레이드의 균열에서의 진동 응력은 피로 예비율이 1.7인 굿맨 곡선 아래에 분포하고 있으며, 최대 진동 응력을 이용하여 계산한 고주기 피로 예비율은 5.2이므로 블레이드는 고주기 피로 손상을 입지 않을 것이다.

2.3 균열 전파 분석
블레이드가 고주기 교대 하중의 작용으로 피로 전파를 겪을 수 있는지 확인하기 위해 이제 블레이드의 균열 전파 분석을 수행합니다.
피로균열 성장 법칙은 그림 10에 나와 있습니다. 그림 10에서 볼 수 있듯이 피로균열 성장 속도 da/dN과 응력 강도 계수 ΔK 사이에는 세 개의 영역이 있습니다.
a) 첫 번째 영역은 느린 피로 균열 성장 단계입니다. 피로 균열 성장 임계값 ΔKth가 있습니다. ΔK가 ΔKth보다 낮으면 피로 균열이 성장하지 않거나 매우 느리게 성장합니다.
b) 2번째 영역의 피로균열 성장은 거듭제곱 함수 법칙을 따른다. 피로균열 성장 속도 da/dN은 응력 강도 인자 진폭 ΔK의 거듭제곱 함수로 표현할 수 있다. 이를 표현하기 위해 파리 공식이 널리 사용된다.
c) 세 번째 영역은 급속 성장 단계입니다. 균열이 KIC(1 – R)에 천천히 가까워지거나 도달하면 균열이 급속하게 성장합니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 블레이드 균열은 부식 피트에서 시작되고 피로 균열 성장은 부식 피트 끝 근처의 국소 영역에서 발생합니다. 진동 해석 결과 블레이드 균열의 1차 진동 응력은 흡기 가장자리를 따라 인장 응력이고 초기 균열은 I형 균열에 속합니다. I형 균열 끝 근처의 응력장과 변위장은 다음과 같이 단순화할 수 있습니다. 그림의 공식 (2) 및 (XNUMX)를 참조하십시오.
여기서: KI는 I형 균열 끝단의 응력 강도 계수이고, r은 극좌표에서 균열 끝단의 극 반경이며, fij(I) (θ)와 g(ijI) (θ)는 각각 응력 함수와 변위 함수입니다.
선형 탄성 파괴 역학에 따르면 응력 강도 계수의 표현은 공식 (3)과 같습니다. 여기서 Δσ는 응력 진폭입니다. a는 균열 크기입니다. Y는 형상 계수입니다. 부식 피트의 모양은 대략 타원형 표면 균열이므로 형상 계수 Y는 1.12로 취합니다. 공식 (3)을 변환하여 (4)를 얻습니다.
여기서: a0는 피로 균열에 대한 임계 균열 크기입니다. 균열 크기가 a0보다 작으면 블레이드에서 피로 균열이 발생하지 않습니다.
마르텐사이트 강의 경우, Barsom은 다음의 경험적 관계식(5)을 얻었다. 여기서: R은 응력 비율이다. 즉, 응력 비율이 증가함에 따라 마르텐사이트 강의 응력 강도 계수의 임계값은 감소할 것이다.

측정된 진동응력의 샘플 데이터를 통계적으로 분석하고, 블레이드 진동응력의 주파수 분포를 분석한다. 진동응력 주파수 분포의 히스토그램은 그림 11에 나와 있다. 그림 11에서 보듯이 진동응력 분포는 정규분포를 따르고, 피팅 곡선은 X~N(36.86, 323.336) 분포를 따른다. 진동응력 +3σ 값(즉, 95% 신뢰수준, 0.13% 생존율)은 88MPa로 계산된다.

진동 응력 +3σ 값과 블레이드의 공진 속도에서의 정상 상태 응력을 기준으로 블레이드의 균열 시작 시 응력 비율 R은 0.2로 계산됩니다. 공식 (5)로부터 응력 비율 R 0.2에 해당하는 응력 강도 계수 ΔKth의 임계값은 5.31 MPa·m1/2임을 계산할 수 있습니다. 공식 (4)로부터 피로 균열의 임계 균열 크기 a0는 0.23mm임을 계산할 수 있습니다. 종합적으로 측정한 부식 피트의 깊이는 0.25mm입니다. 위의 계산에서 진동 응력이 +3σ 값을 취할 때 부식 피트의 깊이가 임계 균열 크기에 도달하고 균열이 확장될 수 있음을 알 수 있습니다. 진동 응력 분포는 정규 분포를 따르기 때문에 +3σ 값보다 작은 진동 응력 부분은 균열 확장 조건을 충족할 수 없습니다. 이는 블레이드가 부식된 후 재료 특성이 감소하는 것과 관련이 있음을 분석에서 알 수 있습니다.

부식성 환경은 금속 재료의 응력 강도 계수를 감소시켜 블레이드가 균열되기 쉽기 때문에 이 응력 강도 계수 진폭을 부식 피로 응력 강도 계수 진폭 임계값이라고 하며 ΔKthCF로 표현됩니다. 이제 부식성 환경에서 블레이드의 응력 강도 계수 임계값이 역전되었습니다. 블레이드의 임계 균열 크기가 0.25mm이고 진동 응력의 평균 값이 36.86MPa라고 가정하고 공식(3)을 사용하여 부식성 환경에서 블레이드의 응력 강도 계수 임계값을 2.31MPa·m1/2로 계산합니다. 분석 결과 부식성 환경은 블레이드의 응력 강도 계수 임계값을 감소시킵니다. 블레이드의 균열 시작 지점에서 응력 강도 계수가 부식성 환경에서 균열 확장의 임계값에 도달하면 부식 피로 균열이 시작되고 피로 확장이 발생합니다.

2.4 골절 분석
균열이 생긴 블레이드의 파단 분석은 그림 12에서 파단 소스 영역의 미시적 형태를 보여줍니다. 소스 영역에서 전형적인 입자간 특징을 볼 수 있으며, 입자 표면에서 미세 부식 피트 형태를 볼 수 있습니다. 파단 미세 형태는 그림 13에 나와 있습니다. 균열은 배기 가장자리로 확장되고, 확장 전, 확장 중, 확장 후에 전형적인 피로 밴드 특징을 볼 수 있습니다.

균열 방향과 평행하게 균열이 생긴 블레이드에서 금속 조직 샘플을 절단했습니다. 샘플을 연삭하고 연마하여 미세 구조를 관찰했습니다. 형태는 그림 14에 나와 있습니다. 그림 14에서 볼 수 있듯이 균열이 생긴 블레이드의 흡입 가장자리에 많은 수의 입계 균열이 보입니다. 균열 깊이는 약 0.25mm로 비교적 얕고, 입계 근처에서 미세한 입계 균열 특성을 볼 수 있어 블레이드의 흡입 가장자리에 있는 구멍이 부식으로 인해 생긴 것임을 알 수 있습니다.

결정립계에서의 에너지 스펙트럼 분석 결과, 파단원소 영역은 주로 O, S, C와 같은 부식성 원소를 포함하고 있으며, 팽창 영역에도 일정량의 O 원소가 존재한다. 또한 블레이드의 다른 피트 영역과 표면에도 S, O와 같은 부식성 원소가 존재한다(표 2 참조).

파괴 해석 결과에 따르면 블레이드 입구 가장자리의 피트와 곡물을 따라 있는 파괴 소스 영역은 부식으로 인해 발생합니다. 부식 손상 정도와 균열 위치의 관점에서 균열 소스 영역은 기본적으로 블레이드 루트에 가까워 블레이드의 피로 확장이 표면 부식 손상 정도뿐만 아니라 작동 중 이 위치가 부담하는 비교적 큰 진동 응력과도 관련이 있음을 나타냅니다. 블레이드는 먼저 곡물을 따라 부식 균열을 겪고 작업 응력의 작용으로 피로 확장이 발생할 수 있습니다.

3 종합적 원인 분석

블레이드 고장 및 파손의 이유는 다음과 같습니다. 로터 블레이드는 종종 해안 및 내륙의 습하고 더운 지역에서 작동합니다. 대기에는 유황 및 염소와 같은 부식성 매체가 많이 포함되어 있으며 pH 값이 낮습니다. 환경의 영향으로 블레이드가 먼저 부식되고 공기 흡입구 가장자리에 고르지 않은 구덩이와 구멍이 형성됩니다. 부식 구덩이가 형성되면 국부 응력 집중이 발생하므로 블레이드의 부식 피로 균열은 부식 구덩이에서 시작됩니다.

부식은 재료 입자 사이의 결합력을 크게 약화시키고 재료의 응력 강도 계수의 임계값을 감소시킵니다. 고주기 진동 응력의 작용 하에서 부식 피트는 균열로 변형되기 시작합니다. 블레이드의 부식 피트에서 등가 균열의 응력 강도 계수 값이 부식 피로 균열 확장을 위한 응력 강도 계수의 임계값에 도달하면 부식 피로 균열이 시작됩니다. 그 후 부식성 환경과 고주기 교대 하중의 결합 작용 하에서 부식 피로 균열이 확장되도록 촉진되고 마침내 블레이드의 부식 피로 파괴가 발생합니다.

4 개선방안 및 검증

4.1 개선 조치
로터 블레이드는 구조적 설계 측면에서 구조적 및 공기 역학적 성능 요구 사항을 충족하므로 프로세스 관점에서 다음 두 가지 개선 사항이 고려됩니다.
a) 단조의 단조 공정 중에, 템퍼링 온도를 제어하여 재료의 내식성을 향상시킵니다.
b) 블레이드 표면에 저온 알루미늄 도금 공정을 추가하여 블레이드의 내식성을 향상시켰습니다.

4.2 조치사항의 검증
대책의 효과를 검증하기 위해 동일한 재료 시편에 대한 염분 분무 부식 시험을 수행했습니다. GJB150.11A-2009[19]의 요구 사항에 따라 시편을 설계하였고 치수는 그림 15에 나와 있습니다. 알루미늄 처리 없이 590℃에서 템퍼링한 시편 580개, 알루미늄 처리 없이 580℃에서 템퍼링한 시편 1개, 알루미늄 처리하여 12℃에서 템퍼링한 시편 2개를 염분 분무 부식 시험을 위해 채취하였고, 알루미늄 처리 공정과 템퍼링 온도가 3Cr96Ni16WMoVNb 재료의 염분 분무 부식 저항성에 미치는 영향을 살펴보았습니다. 시험 공정의 시험 매개변수는 표 XNUMX에 나와 있으며, XNUMX시간의 염분 분무 부식 후 시험편의 모습은 그림 XNUMX에 나와 있습니다.

시험 결과에 따르면 580℃ 강화 샘플의 내식성이 590℃ 강화 샘플보다 훨씬 우수합니다. 알루미늄 도금층은 기판의 부식을 현저히 지연시키고 소금 분무 부식 저항에 역할을 합니다.
상기 개선 조치를 실시한 후, 수명이 다한 엔진의 로터 블레이드를 분해하여 검사한 결과, 부식이나 균열이 발생하지 않아 조치가 효과적인 것으로 검증되었습니다.

맺음말

특정 유형의 엔진을 테스트하는 동안 블레이드의 부식 및 파손에 대한 관련 연구가 수행되었으며 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다.

시뮬레이션 분석에 따르면 블레이드는 저속 이하에서 공진이 발생하는 것을 알 수 있으며, 전체 기계의 비접촉 변형률 측정 시험과 블레이드의 고주기 피로 시험 측정 결과에 따르면 블레이드는 부식되지 않은 상태에서 안정적으로 작동함을 증명할 수 있습니다.

파손의 주된 원인은 블레이드가 먼저 부식되고 부식이 재료의 피로 균열 확장 임계값을 감소시키기 때문입니다. 블레이드의 부식 피트에서 등가 균열의 응력 강도 계수 값이 부식 피로 균열 확장의 응력 강도 계수 임계값에 도달하면 부식 피로 균열이 시작되고 고주기 교대 하중의 작용으로 피로 파괴가 발생합니다. 피로 균열 확장 임계값에 대한 부식의 영향은 부식성 매체, 재료의 조직 및 특성, 온도, 응력 비율 및 하중 형태와 관련이 있으며 비교적 복잡하고 심층적인 연구가 필요합니다.

디자인 컨셉에 주의를 기울이는 것이 필요합니다. 블레이드 보호 코팅. 예를 들어, 저온 알루미늄 도금 공정은 블레이드의 내식성과 사용 수명을 효과적으로 개선할 수 있습니다. 그러나 저온 알루미늄 도금 공정은 균열 확장 임계값과 같은 매개변수에 영향을 미칠 수 있으며, 그 영향의 범위는 관련 실험을 통한 심층적인 연구가 필요합니다.