某渦輪盤低循環(huán)疲勞壽命預(yù)測及試驗驗證

王飛

(中國航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213022)

0 引言

渦輪盤是航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零件，工作時渦輪盤承受熱應(yīng)力、離心力以及振動應(yīng)力等作用，一旦發(fā)生破壞性故障會導(dǎo)致嚴(yán)重后果[1]。渦輪盤在交變載荷的作用下，即使在滿足靜強(qiáng)度的條件下，也可能會發(fā)生疲勞失效。低循環(huán)疲勞壽命是影響渦輪盤使用壽命的重要因素，根據(jù)某型號發(fā)動機(jī)研制要求，在0-最大 -0狀態(tài)下，該渦輪盤低循環(huán)疲勞壽命為5 200次。按照《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》的要求，需要對渦輪盤進(jìn)行低循環(huán)疲勞試驗，驗證該渦輪盤滿足給定的循環(huán)壽命。

1 某渦輪盤低循環(huán)疲勞壽命預(yù)測

1.1 渦輪盤強(qiáng)度分析

某渦輪盤為整體式結(jié)構(gòu)，盤中心有4個螺栓孔、前后端面有圓弧端齒用于與其他部件聯(lián)接。為了計算及網(wǎng)格劃分方便，去除非應(yīng)力集中區(qū)處小的臺階、倒角，并且簡化圓弧端齒。

渦輪盤材料為GH710，密度為8.08g/cm3，其余材料性能參數(shù)見表1。計算時，考慮渦輪盤的溫度載荷和離心載荷。其中，溫度載荷按照傳熱計算結(jié)果，在100%設(shè)計點

表1 GH710材料性能參數(shù)

轉(zhuǎn)速下，渦輪盤盤心處溫度為760 ℃，葉片溫度為790 ℃～810 ℃。離心載荷以轉(zhuǎn)速的形式施加到模型上，為100%設(shè)計點轉(zhuǎn)速，約束中心端面的軸向位移和周向位移。

圖1為渦輪盤應(yīng)力分布圖，等效應(yīng)力最大處為螺栓孔處，最大為685MPa。從計算結(jié)果來看，該渦輪盤的輪緣與幅板連接處、葉片葉根處應(yīng)力也較高。螺栓孔處的溫度約為760℃，該溫度下GH710材料的屈服強(qiáng)度σb=785MPa；輪緣與幅板連接處、葉片葉根處溫度約為760℃～800℃，此時材料屈服強(qiáng)度σ0.2在665MPa～785MPa。

對于渦輪盤，評判標(biāo)準(zhǔn)之一為安全系數(shù)和儲備系數(shù)[2]，定義如下：

屈服安全系數(shù)為1，屈服儲備系數(shù)=

極限安全系數(shù)為1.5，極限儲備系數(shù)=

圖1標(biāo)出了渦輪盤的3處危險點，表2為螺栓孔處、輪緣與幅板連接處、葉片葉根處安全系數(shù)和儲備系數(shù)計算值，3處危險點的儲備系數(shù)都>1，可以滿足強(qiáng)度要求。其中，螺栓孔處的應(yīng)力值最大，計算出的極限儲備系數(shù)最低，后續(xù)進(jìn)行渦輪盤的疲勞壽命預(yù)測以及渦輪盤低循環(huán)疲勞試驗時，都把螺栓孔作為考核點，選取此處的應(yīng)力值、應(yīng)變值及此處溫度下相應(yīng)的材料參數(shù)進(jìn)行計算和分析。

表2 安全系數(shù)和儲備系數(shù)

圖1 某渦輪盤應(yīng)力分布

1.2 渦輪盤低循環(huán)疲勞壽命預(yù)測

低循環(huán)疲勞是渦輪盤失效的主要失效模式和限制壽命因素，在發(fā)動機(jī)研制階段需要對渦輪盤進(jìn)行壽命預(yù)測。目前對渦輪盤進(jìn)行疲勞壽命分析的方法一般有：名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法等。名義應(yīng)力法用于渦輪盤彈性狀態(tài)下，使用考核點處的名義應(yīng)力進(jìn)行計算分析。而實際上在某些工況下，渦輪盤的銷子孔、中心孔、榫槽等部位可能會進(jìn)入塑性狀態(tài)，并且進(jìn)行壽命預(yù)測時的考核點處應(yīng)力集中，此時使用局部應(yīng)力應(yīng)變法進(jìn)行壽命預(yù)測會更合理。工程上使用局部應(yīng)力應(yīng)變法傾向于近似計算方法。

通用斜率法在工程上具有重要的使用價值[3]，在Manson-Coffin方程的基礎(chǔ)上，Manson等人對29種材料的平均應(yīng)變疲勞性能進(jìn)行研究，使用材料的拉伸數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測公式如下：

(1)

其中：Δε為應(yīng)變范圍，σb為材料的極限拉伸強(qiáng)度，E為彈性模量，Ψ為材料的斷面收縮率，Nf為低循環(huán)疲勞壽命次數(shù)。

式(1)的壽命預(yù)測方程精度較低，Manson等人又對50多種材料的平均疲勞性能進(jìn)行研究，提出了修正的通用斜率方程：

(2)

其中：Δε為應(yīng)變范圍，σb為材料的極限拉伸強(qiáng)度，E為彈性模量，Ψ為材料的斷面收縮率，Nf為低循環(huán)疲勞壽命次數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[3] 中的研究結(jié)果，對于變形高溫合金，在400℃～500℃溫度范圍，壽命<105h，式(2)預(yù)測的應(yīng)變壽命曲線與實際應(yīng)變壽命曲線吻合度好。當(dāng)溫度高于650℃時，式(2)預(yù)測的壽命結(jié)果比式(1)要好。

在強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，考慮渦輪盤多軸應(yīng)力狀態(tài)和平均應(yīng)力，采用修正的Manson-McKnight法來進(jìn)行多軸應(yīng)力應(yīng)變處理，并使用Goodman曲線進(jìn)行平均應(yīng)力修正。

考慮平均應(yīng)力后的修正的通用斜率方程為：

(3)

式中:Δεeq為等效平均應(yīng)變，σm為平均應(yīng)力，σb為材料的極限拉伸強(qiáng)度，E為彈性模量，Ψ為材料的斷面收縮率，Nf為低循環(huán)疲勞壽命次數(shù)。

本文計算渦輪盤在0～100%轉(zhuǎn)速循環(huán)下的低循環(huán)疲勞壽命，將螺栓孔處作為考核點，采用局部應(yīng)力應(yīng)變法并結(jié)合文獻(xiàn)[3] 中平均應(yīng)力、平均應(yīng)變的計算方法，取螺栓孔處的應(yīng)力、應(yīng)變值帶入式(3)中求得渦輪盤的疲勞壽命。具體計算結(jié)果如表3、表4所示。

表3 760 ℃下GH710的材料參數(shù)

表4 渦輪盤低循環(huán)疲勞壽命預(yù)測

2 某渦輪盤低循環(huán)疲勞試驗

2.1 試驗轉(zhuǎn)速與試驗循環(huán)數(shù)的確定

本文進(jìn)行低循環(huán)疲勞試驗時使用的是渦輪盤實際加工零件，在試驗前確定試驗轉(zhuǎn)速和試驗循環(huán)次數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)理想的試驗狀態(tài)為設(shè)計點100%轉(zhuǎn)速，此狀態(tài)下盤心溫度為760℃，葉片溫度為790℃～810℃；停車狀態(tài)轉(zhuǎn)速為0。而實際進(jìn)行試驗時，溫度的增減變化比較復(fù)雜，且根據(jù)試驗器的性能狀態(tài)，一般在常溫下進(jìn)行試驗，其中標(biāo)準(zhǔn)理想狀態(tài)下的溫度載荷在實際試驗時會以提高離心載荷的形式進(jìn)行補(bǔ)償，因此實際常溫下的試驗，在試驗前需要確定試驗的上限、下限轉(zhuǎn)速，來形成一個循環(huán)。

試驗在常溫下進(jìn)行，根據(jù)試驗器性能和以往其他渦輪盤的試驗經(jīng)驗，取試驗的下限轉(zhuǎn)速nT,min為5 000r/min，試驗上限轉(zhuǎn)速nT,max按照以下方法進(jìn)行計算。

引入試驗載荷系數(shù)K，表達(dá)式如下[4]：

(4)

式中：σT——試驗器脈動循環(huán)最大應(yīng)力；σW——標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)下考核點最大應(yīng)力；σb,W——標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)下材料的極限拉伸強(qiáng)度；σb,T——試驗器溫度下材料的極限拉伸強(qiáng)度。

(5)

圖2 等壽命的Goodman圖

取試驗載荷系數(shù)K=1[4]。將表5中的數(shù)值帶入式(4)和式(5)，求得σT,max=794MPa，對應(yīng)的試驗上限轉(zhuǎn)速nT,max比設(shè)計點轉(zhuǎn)速高7.66%。

表5 應(yīng)力數(shù)值 MPa

低循環(huán)疲勞試驗時，壽命散度系數(shù)KNeq取4[4]，則：

(6)

式中：Nexp——當(dāng)量循環(huán)試驗時完成的循環(huán)次數(shù)；N——規(guī)定的輪盤壽命循環(huán)次數(shù)； ξ——根據(jù)輪盤加載程度，試驗循環(huán)與飛行循環(huán)之間的等效系數(shù)。

取ξ=1，則試驗器完成的循環(huán)次數(shù)Nexp=20 800次。

2.2 試驗內(nèi)容與結(jié)果

試驗前后，按照圖3對螺栓孔直徑ФB、圓弧端齒處直徑ФA進(jìn)行尺寸計量，分析試驗前后的尺寸變化，并進(jìn)行無損檢測，檢查試驗件有無裂紋。

圖3 尺寸計量示意圖

試驗件在試驗臺上的安裝如圖4所示，安裝之前已進(jìn)行過動平衡，滿足試驗要求。

圖4 試驗件安裝

按照3.1節(jié)中計算結(jié)果，試驗時，循環(huán)加載曲線如圖5所示，上限轉(zhuǎn)速保載2s，一個循環(huán)時間約為120s。試驗分5個階段進(jìn)行，分別進(jìn)行5 200次，5 200次，5 200次，2 600次和2 600次，每個階段完成后進(jìn)行無損檢查，檢測有無裂紋萌生。

圖5 試驗曲線

試驗在常溫下進(jìn)行，使用的是渦輪盤實際加工件。將常溫下的試驗循環(huán)轉(zhuǎn)化為等效脈動循環(huán)，并給出實際試驗時的按照上限、下限轉(zhuǎn)速，根據(jù)計算出的試驗上限、下限轉(zhuǎn)速，按照試驗曲線對該渦輪盤進(jìn)行了20 800次循環(huán)試驗。

試驗結(jié)果表明，試驗件在進(jìn)行5個階段試驗后，每一次的無損檢測結(jié)果都為合格，試驗全部完成后，關(guān)鍵尺寸ФA在試驗前后變化量最大為0.01%，尺寸ФB在試驗前、后基本不變，說明該渦輪盤具有5 200次的低循環(huán)疲壽命。

3 結(jié)語

根據(jù)某發(fā)動機(jī)設(shè)計要求，渦輪盤要有足夠的靜強(qiáng)度。首先分析了某渦輪盤在100%轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的強(qiáng)度，可以滿足強(qiáng)度要求。其次將渦輪盤的螺栓孔處作為考核點，應(yīng)用修正的通用斜率公式，預(yù)測該渦輪盤疲勞壽命為19 740次，可以滿足低循環(huán)疲勞壽命要求。