略论发动机涡轮叶片的振动疲劳

针对发动机涡轮叶片的振动及振动疲劳破坏进行了理论分析。通过理论分析和实验，说明了叶片对抗振对疲劳的能力主要取决于性质及叶片的形式、表面状态，而与静强度无关。并对改进设计和工艺，充分挖掘材料潜力，加强对叶片防护，提出了建议和设想。     

航空燃气涡轮发动机工作叶片疲劳与寿命

分析了发动机工作叶片常见的疲劳损伤;指出了叶片的力学行为与其损伤的关系;归纳、分析了导致叶片疲劳损伤的部分内在和使用因素;提出了防止叶片疲劳损坏的措施。     

航空发动机涡轮叶片疲劳—蠕变寿命试验技术研究

涡轮叶片是航空发动机工作环境最恶劣,结构最复杂的零件之一,也是发动机断裂故障多发件之一。由于发动机工作时涡轮叶片始终在高温下承受复合载荷的作用,因此在涡轮叶片定寿中,不能将叶片的蠕变和疲劳寿命割裂开,而必须充分考虑疲劳—蠕变交互作用的影响。目前理论上对结构疲劳—蠕变寿命的预测方法还很不完善,故对涡轮叶片开展疲劳—蠕变寿命试验研究是叶片设计和定寿工作中的重要环节。本文对涡轮叶片疲劳—蠕变试验技术进行了综合论述。文中特别强调了试验载荷谱确定和叶片模拟试验件设计的关键技术环节,同时还介绍了一种专门适用于叶片疲劳—蠕变试验的基于机电伺服加载系统的疲劳蠕变综合试验器。      

某型发动机Ⅰ级涡轮工作叶片低周疲劳寿命研究

为了排除某型发动机一级涡轮工作叶片断裂的故障，对现役的同类型叶片采用了“加严无损探伤”的方法，筛选掉有缺陷叶片；为了验证该方法的可行性和确定合格叶片的安全寿命，分别对合格和不合格（有缺陷）叶片进行了高温低周疲劳试验研究。在进行试验数据处理时分别使用了最小二乘法和极大似然法对威布尔参数β、η进行了计算，根据β、η两个参数，计算了合格和不合格叶片在故障概率为0.1%时的安全寿命值。     

小型涡轮叶片掉块故障分析与改进

本文就某型涡喷发动机试车过程中出现的涡轮掉块现象进行了研究,通过计算与分析确定了断裂原因为一阶弯曲共振.发动机怠速转速下导向器叶片引起的气体尾流激振是叶片共振的根本原因.在工作转速无法避免的情况下,从改变叶片频率入手,避免了叶片在此频率下的共振,成功解决了这一故障.     

某发动机涡轮叶片伸根段低循环疲劳寿命研究

通过对载荷工况下叶片伸根冷却孔区域的应力分析,材料试样的P－S－N曲线和结构模拟件疲劳寿命试验结果的综合分析,给出了置信度95％,可靠度99．9％下伸根段的安全使用寿命,为故障的排除和定性分析提供了理论依据。     

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     

CFM56-7B发动机高压涡轮叶片疲劳寿命预测

基于CFM56-7B发动机运行产生的QAR数据,通过建立模型、确立边界条件、有限元软件仿真,在最大起飞功率状态下完成了高压涡轮叶片温度场以及应力、应变场的计算.考虑到实际叶片在多轴非比例循环载荷下工作,选用SWT模型作为疲劳寿命的预测模型,得到叶片的疲劳寿命.结果表明,仿真计算得到的叶片疲劳寿命为14778个循环,与实...     

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。     

某型发动机第2级涡轮叶片低循环疲劳寿命分析

对改型后的某型发动机第2级涡轮叶片进行了热弹性有限元应力分析,结果表明在发动机各功率状态下,第2级涡轮叶片始终处于弹性应力范围,最大应力始终位于叶片和轮盘的交界部位;采用EGD-3应力标准中的应力疲劳分析方法,分别按假设的最好和最差的S-N曲线,估算了第2级涡轮叶片的低循环飞行小时寿命。     

叶片丢失激励下航空发动机柔性转子系统的动力学响应

为揭示叶片丢失激励下转子系统动力学响应特征,考虑涡扇发动机低压转子刚度/质量分布特征、载荷传递特征、转静件耦合特征等,建立了高速柔性悬臂转子系统动力学模型。对突加不平衡激励及持续碰摩约束下转子系统动力学响应特性进行分析。结果表明:所建立转子动力学模型可以有效反映叶片丢失激励下转子冲击振动和复杂简谐振动响应特征。在突加不平衡激励下转子系统的瞬态振动响应加剧,具有显著冲击响应特征,并伴有转子横向固有振动。持续碰摩所产生的约束作用可使转子临界转速发生变化,虽然响应幅值降低,但频率成分及转子振动趋于复杂。      

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。      

某涡轴发动机涡轮叶片尾缘孔的蠕变-疲劳寿命预测方法

针对某涡轴发动机的涡轮叶片,建立了考虑应力松弛的蠕变-疲劳寿命分析方法。通过在黏塑性理论框架内耦合蠕变损伤,对某高温合金的非线性蠕变变形进行了数值模拟。结果表明:基于对某涡轮叶片的弹塑性-蠕变分析研究,明确了叶片上前缘和尾缘等关键部位的蠕变损伤及其演化规律,也为确定叶片上的局部危险点提供了一种方法。该模型针对弹塑性应力应变曲线计算误差小于5%,而针对蠕变曲线的模拟精度则处于材料蠕变变形固有属性分散范围内。借助于线性损伤累积寿命理论,分析得到了某涡轮叶片尾缘孔局部考虑了应力松弛的蠕变-疲劳寿命,从而为叶片寿命评价提供了更为合理、工程化应用更好的方法。      

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.      

大涵道比涡扇发动机风扇转子叶片优化

采用掠形设计技术对一台大涵道比涡扇发动机的风扇转子叶片进行了三维优化.通过三维定常Navier-Stokes（N-S）方程计算,分析了叶片尖部及根部掠形设计参数对风扇转子性能的影响.结果表明,叶片尖部前掠和根部后掠都能增加风扇转子的堵点流量,扩大其稳定工作范围.采用叶片尖部前掠和根部后掠的组合方案优化了叶片.单转子计算结果表明,优化后叶片的堵点流量增加约2%,设计流量点总压比和等熵效率分别增加5%和2%;风扇/增压级整机内外涵联算结果表明,优化后在起飞、巡航和爬升转速下,外涵的稳定工作范围都明显增加,巡航转速下,堵点流量增加约2.3%,失速点流量减小约5.2%,设计流量点的外涵总压比和等熵效率分别增加2%和0.8%,优化后内涵特性没有明显变化.      

TRT透平叶片振动特性的有限元分析

TRT透平叶片在离心力、稳态气流力以及非稳态气流力的共同作用下会产生振动,且易引起共振,从而导致叶片断裂等情况的发生。根据某企业TRT叶片自身结构和工况特点,利用Solidworks软件中建立TRT叶片的三维实体模型,导入Hypermesh软件建立有限元分析模型,应用Ansys软件分析获得TRT叶片的静态、动态振动特性,为TRT叶片的结构设计和提高机组可靠性等方面提供了理论参考。     

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。     

某燃气涡轮工作叶片裂纹分析

为阐明测试单元环境下加速任务试车(AMT)过程中叶片早期起裂的物理原因,对裂纹叶片断口进行了检查和分析,并采用LPTi's XactLIFETM系统对叶片进行了深入的分析.结果表明:叶片叶型发生了过量的蠕变损伤,此过量的蠕变损伤导致了叶片的过量延伸以及叶型特别是在尾缘区域的转扭,此行为可能造成AMT疲劳循环条件下缘板以下的叶片伸根部位疲劳裂纹的形核与生长.因此,过量的蠕变被认为是整个裂纹形核过程的主要驱动力.      

典型涡扇发动机陶瓷基复合材料涡轮叶片概念设计

为了推动先进航空发动机陶瓷基复合材料（CMCs）涡轮叶片设计技术进步,以典型涡扇发动机基准性能参数为原始数据,按照涡轮叶片正向设计流程,从气动设计,到结构设计,再到变形及强度分析,梳理出以材料强度为约束,发动机推力和耗油率为输入值,涡轮叶片叶身模型为结果的概念设计方法。设计了一种陶瓷基复合材料低压涡轮转子叶片,该叶片实心无冷却,设计工况下的气动性能、强度和振动特性仿真结果满足设计要求。安全储备系数可达1.8,涡轮盘外载预估减少50%,验证了陶瓷基复合材料用于先进航空发动机热端部件的可行性。涡轮效率提高0.98%～1.17%表明陶瓷基复合材料具有提升先进航空发动机热端部件性能的潜力。     

复合材料风扇叶片-机匣碰摩振动的数值模拟

基于全三维模型的复合材料风扇叶片-机匣碰摩动力学特性的数值研究。建立了复合材料三维风扇叶片-机匣实体有限元模型,考虑叶片离心刚度的影响,机匣由贝塞尔曲面拟合,风扇叶片采用3种不同铺层形式。基于该模型,在机匣二节径变形的情况下,计算了不同铺层叶片在不同转速下与机匣碰摩后的动力学响应。计算结果表明:铺层形式对叶片中、低转速下的碰摩振动形式影响较大,带有90°铺层的叶片的最高振幅及不稳定振动所在区域的转速相对较低,改变铺层形式可以对复合材料风扇叶片-机匣的碰摩动力学特性加以控制。当转速靠近由3倍频与叶片1阶模态造成的共振点附近,或由6倍频与叶片2阶模态造成的共振转速附近时,叶片与机匣的碰摩会导致非稳定振动的产生。该方法与结果对复合材料风扇叶片的碰摩动力学特性研究具有一定指导意义。