气流激励下的叶片高周疲劳寿命研究的发展

航空发动机中叶片振动引起的高循环疲劳失效是尤为突出的问题,对近年来国内外关于叶片高周疲劳寿命的基本方法和研究进展进行了较为详细的综述,总结了目前叶片高周疲劳寿命研究的方法和特点.指出开展叶片高周疲劳寿命预估方法研究的重要途径是完善叶片系统在尾流激励下的动力响应分析方法和将概率设计引进叶片高周疲劳寿命评估.而进行叶片系统的振动响应分析,依赖于轮盘-叶片一体的三维实体模型的精确建立和适合于工程应用的流固耦合求解技术的完善.      

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。     

考虑缺口和体积效应的轮盘等效体积概率寿命分析方法

航空发动机轮盘的疲劳破坏多伴有缺口效应和体积效应。为了研究缺口效应和体积效应对疲劳寿命的影响,采用修正Walker模型考虑平均应力的影响,建立能统一描述各应力水平下疲劳寿命分布的三参数Weibull模型,在"等概率寿命、等损伤"的基本思想下,将轮盘大应力区的危险体积转换为具有相同损伤的等效体积,进而利用Weibull最弱环理论可获得具有缺口效应和体积效应的轮盘危险部位在任意失效概率下的疲劳寿命。对两种不同厚度(4mm和6mm)的涡轮盘螺栓孔模拟试件进行概率寿命预估,并与试验结果及应力体方法预估结果进行对比。结果显示,本方法对两种模拟试件的概率寿命预估结果最大误差在30%左右,在中位、高可靠度时的最大预估误差为-23.2%,预估精度高于应力体方法。     

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.      

某系列发动机压气机转子叶片技术寿命研究

提出了1种基于"叶片剩余振动疲劳强度储备"概念的寿命预估法.在大量的计算分析和试验基础上,综合考虑叶片低循环疲劳寿命、稳态应力、构件的实际疲劳强度衰减规律、实测振动应力等因素,并结合外场使用情况,对压气机转子叶片进行了寿命综合评估.该方法已应用在某系列发动机压气机转子叶片技术寿命研究中,对压气机转子叶片寿命的研究而言是一次有益的探索.     

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SWT模型的概率寿命分析体方法

为了研究大应力体积对航空发动机轮盘低周循环疲劳破坏的影响,提高轮盘概率寿命预估精度,针对应变体方法对中、长寿命轮盘预测精度不准的缺陷,提出基于SWT模型的概率寿命分析体方法。该方法以最大主应变平面为临界面的SWT模型为基础,结合考虑尺寸效应的体方法,且不需要进行平均应力修正。通过对某风扇盘进行概率寿命分析,得到的轮盘中值寿命与试验结果吻合良好,预测精度高于应变点方法、应力修正系数法得到的结果。表明基于SWT模型的概率寿命分析体方法可以用来预估航空发动机轮盘概率寿命。     

涡轮叶片榫齿部位疲劳/蠕变试验的新特点

在某型航空发动机涡轮叶片的低周疲劳试验中发现, 叶片疲劳/蠕变试验寿命高于纯疲劳试验寿命, 为探究这一现象的原因, 对此展开相关的理论计算和分析.研究表明:试验条件较好地模拟了叶片的实际工作条件, 该涡轮叶片的损伤以疲劳损伤为主, 相对于真实涡轮叶片的纯疲劳试验, 在疲劳/蠕变试验条件下, 其考核部位(榫齿)出现了较大的应力松弛, 故而使得叶片疲劳/蠕变寿命高于纯疲劳寿命.研究结果对于保证发动机安全工作、提高飞行可靠性、以及发展高温构件的疲劳试验技术有重要意义.      

基于整机试车的涡轮叶片高低循环复合疲劳试验技术

针对航空发动机涡轮叶片同时承受高循环载荷和低循环载荷的特征,以小推力涡喷发动机为研究对象,搭建了基于引电器的涡轮叶片动应力测量系统,利用数值模拟和试验测试结合的方法,实现了高度为30mm的涡轮叶片在40000r/min转速、950℃环境温度条件下的动应力测量,并以此为基础发展了整机高低循环复合疲劳试验方法,开展了高压涡轮叶片高低复合疲劳整机试验。研究结果表明,该型发动机转速在34920r/min时,叶片高循环振动应力达到112.7MPa,带来了涡轮叶片的高循环疲劳损伤且是引起涡轮叶片产生裂纹的主要因素,低循环疲劳载荷是导致裂纹扩展的主要因素,两者综合作用会显著影响涡轮叶片寿命。      

基于复合疲劳试验的涡轮叶片振动应力反推法

提出了一种利用复合疲劳试验和外场故障数据反推涡轮叶片实际振动应力的方法.该方法针对与故障叶片同批次的叶片,开展数个振动应力水平下的单件试验和某一特定振动应力水平下的成组试验,利用极大似然法推导出叶片的概率-应力-寿命曲线(P-S-N);最后基于99.87%存活率下的概率-应力-寿命曲(P_99.87%-S-N),结合叶片的外场故障统计结果,反推出叶片实际工作中振动应力的范围和可能的最大振动应力.      

FOD缺口型损伤对TC4疲劳极限强度的影响

针对TC4钛合金风扇/压气机叶片前缘常遭受的外物损伤(FOD)缺口型损伤,进行了不同冲击角度下高速弹道冲击试验研究、损伤特征与应力集中分析,开展了冲击后不处理和冲击后去残余应力退火试样的高循环疲劳试验和疲劳极限强度预测。结果表明:随着冲击角度的增大入射侧损伤尺寸和应力集中系数基本保持不变,出射侧缺口损伤深度和损伤长度减小。损伤深度范围为0.6~1.5mm,应力集中系数范围为2.6~3.4。缺口型损伤试样的疲劳极限强度下降为光滑试样的27%~53%,与应力集中系数并不是呈反比关系。退火试样的高循环疲劳(HCF)性能或略微下降或基本不变,表明残余应力影响较小,残余应力对疲劳极限强度的影响程度不足光滑试样的10%。缺口型损伤试样的HCF性能与损伤底部半径的相关性不明显,随着最大损伤深度和损伤长度的增加而下降,表明制定维修手册时应着重考虑缺口型损伤的最大深度和损伤长度。Peterson经验公式对HCF性能的预测精度不理想,误差最大为45%,需要发展高精度的FOD缺口型损伤构件HCF性能预测方法。      

喷丸强化对TC11合金模拟叶片高周疲劳寿命影响的试验

针对三种叶片:钢丸强化、二次强化和未强化的钛合金叶片进行了振动特性测量和高周疲劳对比试验.通过试验结果,结合断口分析,对三种叶片的固有频率、振型阻尼比、高周疲劳极限及裂纹起源等方面进行了对比研究.研究表明:喷丸后叶片1阶振型阻尼比增大40%～50%,高周疲劳极限提高40%以上,叶片的高周疲劳寿命也相应地提高.从强化机理方面分析了高周疲劳极限得到提高的原因.该积累的试验数据及研究成果可为TC11喷丸叶片的高周疲劳工程设计提供参考.      

关于航空发动机结构声疲劳寿命估算方法的探讨

噪声载荷是一种高频、宽带随机载荷,在低循环疲劳寿命预测中被广泛采用的时域计数法很难直接利用。根据现有的累积疲劳损伤理论,噪声载荷下结构疲劳寿命分析的关键在于如何在频域中获得雨流循环的概率密度函数。本文对从疲劳应力功率谱密度出发获得寿命估算所需要的应力峰值或应力雨流循环幅值的概率密度函数的方法进行了分析与比较,并对发动机结构声疲劳分析中值得深入研究及发展的方法给出了建议。      

不同冲击角度外物损伤对TC4钛合金高循环疲劳强度的影响

基于空气炮冲击试验装置在不同冲击角度下进行了TC4钛合金平板试件的外物损伤模拟试验,采用逐级加载试验方法测试获得了光滑和冲击损伤试件的高循环疲劳(high cycle fatigue,HCF)强度,研究了冲击角度、冲击位置以及冲击损伤宏观几何尺寸与HCF强度的关系.结果表明:不同冲击角度下的损伤对HCF强度的影响程度不同.冲击损伤在试件边缘时,30°冲击使试件HCF强度的下降幅度最大;冲击损伤在试件表面时,60°冲击使试件HCF强度的下降幅度最大.试件边缘产生的缺口使HCF强度的下降幅度一般大于试件表面产生弹坑的影响.但在60°冲击时,冲击缺口损伤的影响要小于冲击弹坑损伤的影响.冲击损伤宏观几何尺寸一定程度上可以表征损伤试件HCF强度下降的严重程度.      

A novel none once per revolution blade tip timing based blade vibration parameters identification method

The vibration caused blade High Cycle Fatigue (HCF) is seriously affects the safety operation of turbomachinery especially for aero-engine. Thus, it is crucial important to identify the blade vibration parameters and then evaluate the dynamic stress amplitude. Blade Tip Timing (BTT) method is one of the promising method to solve these problems. While, it need a high resolution Once Per Revolution (OPR) signal which is difficult to get for the aero-engine. Here, a Coupled Vibration Analysis (CVA) method for identifying blade vibration parameters by a none OPR BTT is proposed. The method assumes that every real blade has its own vibration performance at a given speed. Whereby, it can take any blade as the reference blade, and the other blades using the reference blade as the OPR for vibration displacement calculating and further parameter identifying. The proposed method is validated by numerical model. Also, experimental studies are carried out on a straight blade and a twisted three dimensional blade test rig as well as a large industrial axial compressor respectively. The results show that the proposed method can accurately identify the blade synchronous vibration parameters and quantitatively evaluate the mistuning in bladed disks, which lays a foundation for the reliability improvement of aero-engine.     

航空发动机风扇叶片硬物冲击损伤特征

通过对国内近20年民用航空发动机风扇叶片外物损伤数据调研与统计分析，筛选最具典型特征的硬物冲击损伤数据，依据发动机维修手册对风扇叶片损伤类型特征进行了分类，研究损伤类型与发动机类型的相关性和差异性、损伤发生位置特征、损伤尺寸特征等内容.分析结果表明:发动机风扇叶片硬物冲击损伤类型表现出多样化特征，其中缺口和凹坑两类损伤类型发生概率较大，而且不同损伤类型在特定发动机型号中又存在一定的差异性.通过对损伤位置与尺寸特征的分析，表明风扇叶片的损伤位置存在一定的集簇统计规律，缺口的损伤尺寸特性存在一定的统计分布规律.研究结果能够为航空发动机风扇叶片实际的维护维修工作提供相关技术参考.      

外物损伤对不锈钢模拟叶片疲劳强度的影响研究

本文开展了1Cr15Ni4Mo3N不锈钢模拟真实前缘叶片的外物损伤(FOD)与高周疲劳(HCF)试验,旨在研究不锈钢叶片在承受外物损伤后的剩余疲劳强度。使用空气炮法对模拟叶片进行了FOD试验,结果表明损伤主要可分为半圆型、V型和撕裂型三类,且损伤深度随着钢珠直径、入射速度的增大而增大。基于步进法开展了FOD试样的HCF试验,试验结果表明FOD试样的振幅疲劳强度下降了70%以上,且随着损伤深度、入射速度的上升表现出明显的下降趋势。不同缺口类型之间存在差异,半圆型缺口疲劳强度较高,V型缺口稍低,撕裂型缺口最低。使用SEM观测了FOD缺口及断口微观特征,疲劳裂纹源区均位于缺口根部表面附近,说明高速冲击造成的材料丢失、剪切带与剪切韧窝等微观特征促使了疲劳裂纹的萌生。     

航空发动机叶片高循环疲劳失效研究

必须最大限度地降低航空发动机叶片高循环疲劳失效。分析了导致高循环疲劳失效的原因 ,结合实例阐述了降低高循环疲劳失效的方法 ,并对需要重点研究的关键技术作了说明。