航空发动机涡轮叶片高温振动疲劳试验的新方法

提出了航空发动机涡轮叶片高温(90 0℃)下振动疲劳试验的一种新方法。该方法对叶片采用电感应加热法加热,振动载荷通过电磁振动台施加;解决了采用电感应加热法加热时的一系列问题,如涡轮叶片加温设备选型、感应圈制作、电磁振动台隔热冷却、夹具设计、高温振动应力测量以及电磁干扰使振动台难以控制;比较了2种叶片温度测量方法的优劣,并列举了应用实例     

DD6单晶涡轮叶片热机综合疲劳试验研究

针对涡轮叶片考核部位的寿命问题,介绍了DD6单晶涡轮叶片热机疲劳试验方法。通过设计感应线圈进行高频感应加热,实现某一工作状态下涡轮叶片考核截面温度场模拟,同时使用U型铁氧体精细调节温差;通过设计的二位移调节机构控制拉伸载荷,实现涡轮叶片考核截面由离心载荷和气动载荷引起的应力场模拟。在保证内冷空气流量的条件下,进行了DD6单晶涡轮叶片热机疲劳试验,实现了涡轮叶片寿命预测方法的试验验证,同时为工程设计提供了试验依据。     

涡轮盘榫槽高温复合疲劳试验方案研究

针对某型航空发动机二级涡轮盘榫齿高温复合疲劳裂纹故障，采用全尺寸真实涡轮盘作为试验件，设计了一套新型试验方案，着重解决了高低周疲劳载荷的加载并互不干扰、高频感应局部加温（５５０℃恒温）、高周振动振幅控制以及裂纹检测等几大关键技术，载荷谱与加温均模拟外场真实情况。试验完全实现了故障再现，这说明：该试验方案设计合理，易于推广到其它多种构件的复合疲劳试验，在工程应用研究中具有重要意义。     

涡轮叶片复合疲劳特性曲线及其规律的试验

为了解高周振动载荷对于涡轮叶片高温疲劳性能的影响,对某型涡轮叶片进行高低周复合疲劳试验.试验结果表明,在低周载荷基础上叠加高频振动载荷,显著缩短了叶片的疲劳寿命;复合疲劳的分散性很大,且不存在疲劳极限,当叶片高周循环次数超过107时,继续试验叶片仍会发生断裂;在双对数坐标下,叶片的振动应力与其高周循环寿命成线性关系,即复合疲劳特性曲线(应力-寿命曲线、概率-应力-寿命曲线)服从双对数线性规律,进一步研究发现该规律对于高温合金材料的复合疲劳特性曲线具有普遍性.      

某型钛铝合金航空发动机叶片高温高周振动疲劳实验

以某型钛铝合金航空发动机叶片为研究对象,针对该型叶片高温高周振动疲劳实验时遇到的高温疲劳应力监测、高频激励等问题进行了实验方法研究。采用闭环控制最大应力的方法解决了高温疲劳应力的监测,通过夹具放大设计实现了高频激励,利用辐射加热和电磁振动台完成了温度载荷和振动载荷的综合施加。运用所述的高温高周振动疲劳实验方法,对该型叶片进行了寿命实验。实验的高温疲劳应力控制精度优于±2%,得到该型叶片可靠度为50%的中值疲劳极限是444 MPa,并有效获得了其寿命曲线。该实验方法适合航空发动机叶片高温高周振动疲劳实验,并可为其他航空发动机零部件高温高周疲劳实验提供参考。     

某型发动机风扇二级叶片/盘疲劳寿命研究

对某发动机风扇二级叶片/盘疲劳寿命进行了理论计算和试验研究。应用Ansys软件建立了该发动机风扇二级叶片振动分析有限元计算模型,并对其一阶弯曲共振时的应力分布进行有限元数值仿真分析,得到了叶尖振幅与叶背应力的关系;基于一阶弯曲共振模态,对叶片进行了疲劳寿命试验,获得了改型前后叶片的疲劳寿命。建立了轮盘应力分析有限元模型,计算得到了轮盘的应力分布,并以此应力分布为基础,计算得到了轮盘的疲劳寿命。研究结果表明:改型前后,叶片的疲劳寿命增大了4.1倍;叶片改型前后,无论是大间隙还是小间隙,改型后盘的疲劳寿命较改型前有所下降,但改型前后盘的疲劳寿命均满足设计要求。     

激励条件对发动机转子叶片疲劳试验响应影响规律

研究了航空发动机转子叶片振动试验中位移激励方向与叶片叶尖弦向之间夹角变化对叶片最大振幅、应力分布等的影响规律。数值分析和试验测试数据表明,叶片刚性固定时,叶片安装位置与激励矢量之间的位置相对关系对振型、表面应力分布无显著影响,一阶振型下,叶片表面展向应力分量占主导;叶片安装位置与激励矢量之间的位置相对关系影响激励与响应之间的传递函数,存在最佳的位置,使得叶尖振幅一定时,激励能量最小。研究结果对提高转子叶片疲劳性能评价技术具有参考价值。     

激励条件对发动机转子叶片疲劳试验响应影响规律

研究了航空发动机转子叶片振动试验中位移激励方向与叶片叶尖弦向之间夹角变化对叶片最大振幅、应力分布等的影响规律。数值分析和试验测试数据表明,叶片刚性固定时,叶片安装位置与激励矢量之间的位置相对关系对振型、表面应力分布无显著影响,一阶振型下,叶片表面展向应力分量占主导;叶片安装位置与激励矢量之间的位置相对关系影响激励与响应之间的传递函数,存在最佳的位置,使得叶尖振幅一定时,激励能量最小。研究结果对提高转子叶片疲劳性能评价技术具有参考价值。     

一种获得高温声疲劳S──N曲线的新方法

高温声疲劳试验应在行波管上加加温装置来完成,但这种方法费时、耗资大。基于疲劳等效原理,提出在振动台上加加温装置来得到高温声疲劳S-N曲线的一种新方法,其中涉及如下几个方面的问题：试件设计;声学环境模拟;温度场模拟;反射板设计;温度控制及应力、温度测量等等。用上述方法给出了GH140材料的S-N曲线,证明了本方法是简单可行的。     

高温合金涡轮转子叶片裂纹形成机理

高温合金涡轮转子在经历过多次发动机试车后荧光检查发现叶片根部存在裂纹,对涡轮转子叶片裂纹进行分析。结果表明,涡轮转子叶片裂纹位于叶片根部进出口薄壁区,裂纹的开裂模式为高温疲劳开裂,属于低周疲劳,为寿命型失效。试车过程中转子叶片根部应力集中部位在高温及交变应力的交互作用下,叶尖根部应力集中区域发生蠕变和晶界择优氧化,高温蠕变和沿晶氧化相互促进,导致叶片根部的晶界弱化开裂,形成了疲劳源区,进而在后续工作过程中发生高温疲劳扩展。     

基于试片超高周疲劳试验的叶片高周疲劳寿命估算方法

依据梁的振动理论,推导了叶尖振幅a与叶片自振频率f乘积af值,来表征叶片振动应力;基于某型航空发动机压气机叶片材料试片超高周疲劳试验结果,结合af值理论,推断该叶片高周疲劳寿命.对该叶片进行1阶弯曲高周疲劳试验,结果显示:af值为1 700,1 800,1 900mm/s时,超高周试验疲劳试片和实际叶片的疲劳寿命均在1×107,0.7×107,0.5×107周次附近,即超高周疲劳试验试片和实际叶片的疲劳寿命基本一致.     

基于接触式高温应变测试试验的涡轮叶片强度分析

基于涡轮叶片实际工况,建立了热-流-固耦合有限元仿真模型,得到了涡轮叶片的温度场、压力场、应力场与应变场。开展了涡轮叶片强度测试试验,试验中根据温度场仿真结果,通过感应加热装置对叶片加热;根据叶片转速计算等效离心载荷,通过液压拉伸试验机对叶片施加等效载荷。基于接触式高温应变测试方法开展了叶片静态应变测量,并通过测量结果与仿真结果的对比,验证了测试方法在涡轮叶片静态高温应变测量中的可行性。     

模拟叶片气激及涂层阻尼减振有效性研究

针对航空发动机叶片高阶振动及阻尼涂层减振有效性的试验验证问题,通过构建旋笛式高频气激试验器,对单个非旋转叶片进行气体激振试验研究,同时完成有无涂层阻尼叶片在高频气激下的振动响应对比试验。结果表明：气动激振可以使叶片处于高应力工作状态,施加阻尼涂层是1种有效抑制振动响应的手段;气体激振测频结果与ANSYS计算、振动台测频结果基本吻合,说明气体激振不仅可以完成振动特性试验,而且可以通过调节气压和流量来控制激振力的大小,以此来控制振幅并完成振动疲劳试验     

考虑蠕变和应力松弛的发动机高温构件寿命分析方法

建立了考虑蠕变和应力松弛的航空发动机涡轮叶片等高温构件的持久寿命和低循环疲劳寿命预测方法。用该方法对某型发动机低压涡轮工作叶片在实际飞行载荷谱作用下的持久寿命和低循环疲劳寿命进行了分析。研究结果表明,所建立的寿命预测方法是合理可行的。      

单晶涡轮叶片热机械疲劳试验技术

针对单晶空心气冷涡轮转子叶片的热机械疲劳(TMF)试验要求,建立了涡轮叶片热机械疲劳试验系统,包括加载、加热、气冷、水冷和控制等5个子系统.试验结果表明:该系统能够同时模拟服役条件下单晶涡轮叶片考核截面的应力场、温度场、气冷过程以及应力/温度谱等.利用该试验系统进行了单晶涡轮叶片考核截面的热机械疲劳试验,试验结果再现了涡轮叶片在服役状态下的失效模式.基于上述试验结果可以进行涡轮叶片的寿命预测和失效分析.      

等离子涂层涡轮导向叶片热疲劳寿命预测研究

针对等离子涂层涡轮导向叶片材料的变形特点,引入了粘塑性本构模型.进行了涂层高温氧化实验、带涂层构件热疲劳实验及有限元模拟研究.基于研究结果,建立了可以体现氧化损伤与热疲劳损伤耦合效应的寿命预测模型.计算分析了带涂层涡轮导向叶片的稳态温度场、涂层隔热效果和基于宏观尺度的应力应变场,研究了宏、细观有限元计算结果间的转换关系,提出了等效系数的方法,对涡轮导向叶片表面涂层的热疲劳寿命进行了预测.寿命预测结果合理,方法可行.      

高低周复合疲劳试验中振动应力的监测与计算

某型航空发动机涡轮叶片高低周复合疲劳试验中,对考核部位振动应力的监测与控制是试验的难点之一.本文采用监测振幅的方法,并结合试验中的测量数据,对施加高低周载荷的试验系统进行数值模拟计算和分析,得到了试验测量振幅与考核点振动应力的关系.从而将试验中可测量和不可测量联系起来,为试验研究和试验数据处理提供了依据.     

离心叶轮高速旋转叶片振动测量与特性分析

为了解离心叶轮高速旋转叶片的振动特性,对其进行振动应力测量与叶尖振幅测量,并将两种方法的测量结果进行对比分析。在介绍振动应力测量与叶尖振幅测量基本原理及数据处理方法的基础上,对离心叶轮高速旋转叶片进行了振动测量与分析。分析结果表明,两种方法均能有效识别叶片的5个共振转速区以及相应的激励源(转速的4,8和17倍频)。振动应力测量与叶尖振幅测量识别的叶片最大共振转速差异为0.56%,识别的叶片最大共振频率差异为1.78%。以振动应力测量结果为参考,验证了叶尖振幅测量结果的准确性和有效性。     

基于安全寿命法的高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验

基于英军标Defence Standard 00971对盘类零件的安全性要求,采用安全寿命法对某型发动机高压涡轮盘的低循环疲劳寿命试验进行了研究.通过有限元法对发动机工作条件下的高压涡轮盘进行了应力分析,考虑了温度场对应力分布的影响,按照Defence Standard 00971的要求确定了高压涡轮盘的关键部位及其标准循环,制定了高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验方案,给出了基于试验结果确定高压涡轮盘安全寿命的方法.分析表明:中心孔和螺栓孔的应力系数分别为1.0和1.017,均在合理范围内;提高高压涡轮盘转速同时截短涡轮叶片的试验方法能有效模拟热应力对寿命的影响,对高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验具有重要指导意义.      

稳态温度场作用下涡轮叶片的可靠性分析

采用蒙特卡罗仿真方法对某型发动机第一级涡轮转子叶片进行可靠性分析,考虑了稳定工作条件下稳态温度场对涡轮叶片的影响,忽略振动载荷及气动载荷。根据场序热一结构耦合方法对涡轮叶片进行了确定性热应力分析,然后通过大量蒙特卡罗仿真试验对涡轮叶片应力的概率分布进行了分析求解,求解过程中采用了模型数据文件与温度载荷数据文件循环调用的方法,对影响涡轮叶片应力状况的随机因素进行了灵敏度分析。以不考虑温度场情况下的分析作为对比参照,根据对比发现在温度场作用下涡轮叶片材料弹性模量的分散性对叶片可靠性较常温状况下有较大的影响,且常温状况下叶片可靠度的计算结果偏高。