V2500发动机高压压气机叶片损伤检查

Abstract: Compressor vanes are the important parts of the aero-engine. Erosion, fatigue cracking and even fracture might be found on compressor vanes frequently. If cannot be detected adequately, the damage could lead to in-flight shut down and affect the flight safety of the aircraft. The ultrasonic inspection of HPC stage 4 blade roots was introduced. It is an effective method for preventive safety events.
Keywords: Ultrasonic testing; Blades; Cracks; Defect analysis ; GE USN52
V2500发动机是IAE公司研制的轴流式、双转子、高涵道比涡轮风扇发动机，它有A5/D5两大系列，该发动机被广泛应用于A321、A320、A319和MD90等中型民用飞机上。由于设计原因，其4级高压压气机叶片在服役过程中出现了一些问题，根据IAE资料,在故障叶片后缘根部的榫头区域发现裂纹，在交变负荷作用下,裂纹会迅速扩展,造成叶片断裂并引起发动机中断起飞或空中停车。2005年，国内某航空公司一架A320飞机，就发生了一起由该故障引起的发动机空中停车。
为预防此故障的发生，IAE发布服务通告SB72-0295，要求运营商对该型号发动机4级HPC叶片进行在役无损检测。

 
1  检测系统
执行SB72-0295,需要借助孔探仪来观察叶片位置，通过IAE提供的专用超声波工具包进行检查。如下图所示，该工具包有三部分组成:
 (1)超声波探伤仪:  GE USN52
 (2)超声波探头驱动凸轮
 (3)校验平台

   声波探头驱动凸轮                              GE USN52 超声波探伤仪

 
        如下图2所示超声波探头被固定在操纵臂上，探头导线和耦合剂导管均安装在臂管内，操做凸轮手柄，操纵臂可弯曲伸展，下图2为凸轮非工作位。
        如下图1所示校验平台工作图，探头驱动凸轮固定在校验平台并处于工作位。收缩后的操纵臂在钢制活动结的作用下，弯成特殊形状和角度，此时探头刚好贴覆于4级HPC叶片叶盆一侧平台。校验平台上，分别装有无缺陷和缺陷叶片，在凸轮非工作位下(操纵臂伸展)，松开黑色手柄，可调整叶片位置，用以校验仪器。

2  工作应用
2.1 GE USN52探伤仪器校验   
(1)安装超声探头凸轮装置到校验平台、连接GE超声仪，确保耦合管路通畅。
(2)推动无缺陷叶片至工作位并锁紧，转动凸轮手柄到工作位，轻轻向前推动手柄，此时探头将贴紧叶片平台。调整仪器相关参数如：RANGE（声程）、DELAY(延迟) 、GAIN（增益）等，使叶片根部回波信号位于80%水平位置并不低于100%波高。(图4)
(3)转动凸轮手柄到非工作位，将缺陷叶片推至工作位并锁紧。重复步骤(2)将缺陷回波调至65%水平位置 、100%波高，在61～70%间设置报警闸门,门限40%高。(图3)

     
2.2 检查程序 
工作准备   依据发动机相关手册，通过接近孔安装孔探探头。如图5所示，孔探头通过接近口进入3级VSV叶片间，注意此时VSV应在全开位，否则会损伤孔探头。VSV全开位会使VSV叶片后缘处于合适的观察位置，这一点是非常重要的。将超声探头操纵臂缓慢放入接近口并锁紧安装座螺钉，超声探头凸轮装置通过安装座固定在发动机上，在凸轮非工作位时，操纵臂位于VSV与4级HPC叶片之间。

 
 检查   压气机叶片转动方式，这里采用人工转动。需要强调的是:转动叶片前，凸轮装置一定要在非工作位，否则会损伤超声探头。缓慢转动叶片，如图6示,当VSV后缘与4级HPC叶片平台边缘重合时，此位置为最佳检查位。转动凸轮手柄使超声探头伸至叶片平台表面，仔细观察超声仪，如果叶片回波没有出现，可缓慢沿箭头方向转动叶片1～2mm，直至出现与校验一致的回波信号,仔细观察波形变化。重复以上步骤，检查下一叶片。

 
3  缺陷评估
超声波检测信号的评判对于检查结果的正确性很关键，正常叶片根部回波应出现在80%水平位置且幅度不小于100%，在报警门附近无信号波，这种情况，我们可判定该叶片合格。如果回波信号小于100%波高，首先要通过孔探仪确认叶片的旋转位置是否最佳，耦合剂的施加是否到位，超声仪参数有无变动，排除以上因素后，再次对叶片检查。假使回波信号幅度仍低于100%，应从发动机上拆下超声波探头驱动装置，在校验平台上重新校验系统。如果信号仍小于100%FSH，超声波探头可能存有故障，应更换探头。若校验结果满足手册要求，而在发动机上检测时，叶片回波信号还是小于100%波高，那么该叶片存在缺陷，其裂纹走向可能偏离于超声波主声束垂直方向，超声探头没有接收到最大的反射回波。
另外，如果回波信号在61～70%水平范围间且幅度大于40%波高，此信号为缺陷指示，该叶片不满足使用要求,对于发现的缺陷叶片做好定位和记录。
4  影响因素
      实际检测中，应注意以下几个方面，否则会对检测结果造成干扰：
(1) 不能使用常规耦合剂，它会堵塞耦合剂导管，必须使用非矿物质水作为耦合介质；
(2) 耦合剂瓶应置于高出探头的位置，以便水耦合剂顺畅的流动；
(3) 检测过程中，注意观察水平基线上有否草状杂波出现，如果没有，可能耦合有问题。反复按压凸轮几次，确保水耦合剂充分润湿检查面；
(4) 转动叶片时，凸轮操纵臂应处于非工作位，否则会损伤超声探头；
(5) 4级叶片的转动位置很关键，一定要使其平台边缘与VSV后缘重合时，再进行检测；
5 小结
这项工作的难点在于检测时机的把握和对超声回波信号的分析判断上。这就要求操作人员具有丰富的工作经验，充分理解IAE 服务通告的内容，严格按工作单操作，对检查结果做出客观、准确的评判。

  参考文献：
［1］ IAE SERVICE BULLETIN 72-0295  NOV.26.2007
［2］ 民航无损检测人员资格鉴定与认证委员会．航空器超声检测．中国民航出版社．2009