渦輪轉(zhuǎn)子葉片壽命評估方法

1、渦輪轉(zhuǎn)子葉片壽命評估方法摘要：發(fā)動機(jī)壽命研究是新型發(fā)動機(jī)設(shè)計及其改進(jìn)改型過程中的關(guān)鍵性問題之 一，是發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計的重要組成部分，是發(fā)動機(jī)性能的重要指標(biāo)。渦輪轉(zhuǎn)子 葉片作為高溫大轉(zhuǎn)速零件，在發(fā)動機(jī)整機(jī)壽命研究中占有重要定位。渦輪轉(zhuǎn)子葉 片壽命研究發(fā)展至今，已形成了多種壽命評估的方法，并形成了多種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范， 而壽命預(yù)測作為葉片定壽的主要步驟，也形成了多種方法可供使用。壽命預(yù)測受 基礎(chǔ)研究的影響很大，由于國內(nèi)目前尚無統(tǒng)一的壽命預(yù)測方法，結(jié)合發(fā)動機(jī)技術(shù) 發(fā)展的現(xiàn)有情況，本文提供了一種壽命預(yù)測的途徑，以期對壽命預(yù)測工作有所幫 助。關(guān)鍵詞：渦輪轉(zhuǎn)子葉片 持久壽命 低循環(huán)疲勞壽命1葉片壽命研究的意義發(fā)

2、動機(jī)的總壽命是指在規(guī)定的使用條件下，從開始使用到規(guī)定報廢的工作時 間或日歷持續(xù)時間。決定發(fā)動機(jī)壽命的是其主要零部件的壽命。作為高負(fù)荷熱端 構(gòu)件的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的壽命對整機(jī)壽命的影響極大。渦輪轉(zhuǎn)子葉片是航空發(fā)動機(jī) 最主要的結(jié)構(gòu)件之一，是高溫、高負(fù)荷、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的典型熱端構(gòu)件，其性能和可 靠性直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)的性能、耐久性、可靠性和壽命。2葉片壽命研究內(nèi)容決定某一件渦輪轉(zhuǎn)子葉片使用終結(jié)（壽命）的特征是：葉片出現(xiàn)影響發(fā)動機(jī) 規(guī)定使用功能的超出設(shè)計允許的變化（故障、大變形等），或者預(yù)計葉片損傷累 積到所允許的極限。導(dǎo)致渦輪轉(zhuǎn)子葉片報廢的原因一般有：斷裂、疲勞裂紋、伸 長或縮短量超標(biāo)、外物打傷超過修理允許量

3、、葉冠變形、使用過熱或超溫、腐蝕、 滲層破壞等。葉片失效的原因歸納起來主要有：包括熱疲勞在內(nèi)的低循環(huán)疲勞，振動引起 的高循環(huán)疲勞，高溫長時間載荷作用下的蠕變變形和蠕變應(yīng)力斷裂，高溫燃?xì)鉀_ 刷腐蝕和氧化，以及外物損傷等。葉片的終止使用并不一定意味著葉片到壽，因特殊情況和特殊原因，葉片產(chǎn) 生隨機(jī)失效，并非葉片規(guī)律性的壽命耗竭。壽命表示葉片在規(guī)定的使用條件下的 潛力，亦即技術(shù)壽命。技術(shù)壽命的定義為：自發(fā)動機(jī)裝機(jī)使用時起，在一定的可 靠度和預(yù)定的使用條件和維護(hù)、修理條件下，預(yù)計可達(dá)到的壽命，它表明技術(shù)上 的可行性。3葉片壽命預(yù)測的一般流程本為所討論的葉片壽命評估即是指安全壽命設(shè)計中的壽命預(yù)估計算。是以

4、葉片的材料特性為基礎(chǔ)，結(jié)合發(fā)動機(jī)的使用條件，對葉片的技術(shù)壽命 進(jìn)行預(yù)測。渦輪轉(zhuǎn)子葉片的定壽過程如圖所示。這里所討論的階段是指從取得材 料的性能數(shù)據(jù)到進(jìn)行壽命預(yù)測的這一過程。3.1取得葉片的材料性能材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)和壽命預(yù)測方法是結(jié)構(gòu)分析和部件設(shè)計與壽命估算的基礎(chǔ)， 是結(jié)構(gòu)完整性的重要環(huán)節(jié)。構(gòu)件高溫低循環(huán)疲勞（包括蠕變與疲勞）壽命預(yù)測方 法基于以下思想：進(jìn)行光滑試件的應(yīng)變控制低循環(huán)疲勞試驗，以模擬構(gòu)件關(guān)鍵部 位的應(yīng)力-應(yīng)變-時間行為，即首先測定零部件典型環(huán)境下簡單試件的壽命；其次 研究出一個能準(zhǔn)確描述試驗結(jié)果的分析模型；再將模型預(yù)測出的壽命與試件所得 觀測結(jié)果進(jìn)行比較以判斷模型的預(yù)測能力，然后將

5、成功的分析模型用來預(yù)測真 實部件壽命，并進(jìn)行零部件試驗驗證，整機(jī)臺架試車，結(jié)合外場使用經(jīng)驗定壽。3.2形成整機(jī)載荷譜如前所述，壽命預(yù)測的核心思想是研究構(gòu)件在典型使用環(huán)境下的應(yīng)力-應(yīng)變- 時間行為，對上述要素起決定性作用的是發(fā)動機(jī)的實際使用狀態(tài)。所說的載荷譜 即是表征這種狀態(tài)的一個方法。發(fā)動機(jī)載荷譜，是為進(jìn)行發(fā)動機(jī)及其零部件的壽命、可靠性和強(qiáng)度分析與試 驗考核而編制的有關(guān)載荷要素的組合，是發(fā)動機(jī)在規(guī)定的飛行任務(wù)、用法和使用 條件下載荷參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果。發(fā)動機(jī)載荷譜研究的目的是確定發(fā)動機(jī)在使用中所承受的典型載荷狀態(tài)及各狀態(tài)發(fā)生的頻次。發(fā)動機(jī)載荷譜編制的主要依據(jù)是：任務(wù)混頻、飛行任務(wù)剖面和環(huán)境混 頻。

6、發(fā)動機(jī)載荷譜分整機(jī)載荷譜和零部件載荷譜。整機(jī)載荷譜一般是工作循環(huán)和 參數(shù)分配譜，綜合反映發(fā)動機(jī)在使用中的氣動負(fù)荷、熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。零部件 載荷譜則由零部件壽命、可靠性和強(qiáng)度分析與試驗考核相關(guān)的載荷參數(shù)所構(gòu)成。 在進(jìn)行構(gòu)件壽命評定時，首先分析發(fā)動機(jī)整機(jī)載荷譜，然后轉(zhuǎn)化為構(gòu)件載荷譜， 構(gòu)件載荷譜的參數(shù)才能直接應(yīng)用于壽命分析。具體到渦輪轉(zhuǎn)子葉片的壽命分析。渦輪轉(zhuǎn)子葉片的壽命是由低循環(huán)疲勞、蠕 變、應(yīng)力斷裂和氧化/腐蝕所限制的。葉片的低循環(huán)疲勞壽命是由作用于其上的 主循環(huán)及此循環(huán)的次數(shù)和程度決定的。渦輪轉(zhuǎn)子葉片的蠕變壽命取決于其在材料 蠕變范圍內(nèi)的所有溫度下的工作時間。發(fā)動機(jī)的載荷譜一般用兩種表達(dá)形

7、式：1.狀態(tài)和狀態(tài)變化;2.發(fā)動機(jī)總體參數(shù)， 如轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等。這些參數(shù)不能用于轉(zhuǎn)子葉片的壽命評定。將其轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn) 子葉片的載荷譜才有意義。轉(zhuǎn)子葉片的載荷譜通常用危險部位的應(yīng)力、應(yīng)變、溫 度和保持時間來表達(dá)。通過發(fā)動機(jī)的狀態(tài)及總體參數(shù)，計算葉片承受的各種載荷， 進(jìn)而得到葉片危險部位的應(yīng)力、應(yīng)變情況。渦輪轉(zhuǎn)子葉片壽命計算所使用的整機(jī) 載荷譜建議使用持久載荷譜和轉(zhuǎn)速循環(huán)譜。上述兩個載荷譜分別用于計算渦輪轉(zhuǎn) 子葉片的持久壽命和低循環(huán)疲勞壽命。3.3 確定構(gòu)件的載荷譜渦輪轉(zhuǎn)子葉片載荷譜主要時確定葉片壽命的關(guān)鍵部位，即限制渦輪轉(zhuǎn)子葉片 使用壽命的部位。對于新發(fā)動機(jī)，需要通過應(yīng)力分析或憑經(jīng)驗確定關(guān)鍵部位

8、。渦 輪轉(zhuǎn)子葉片的進(jìn)、排氣邊，以及伸根段等大多屬于關(guān)鍵部位。關(guān)鍵部位的應(yīng)力譜 通常由離心應(yīng)力、熱應(yīng)力（包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱應(yīng)力）和氣動應(yīng)力構(gòu)成。應(yīng)力合成 時都是以離心應(yīng)力譜為主，并與啟動應(yīng)力及熱應(yīng)力進(jìn)行線性疊加。為減小工作量在計算離心應(yīng)力時可只計算設(shè)計狀態(tài)下的離心應(yīng)力，由于渦輪 轉(zhuǎn)子葉片的離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，因此對不同轉(zhuǎn)速下的離心應(yīng)力進(jìn)行換算， 對于發(fā)動機(jī)狀態(tài)比較平穩(wěn)的情況，可以認(rèn)為葉片承受的是穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力。3.4進(jìn)行壽命預(yù)測進(jìn)行渦輪轉(zhuǎn)子葉片的持久壽命預(yù)測需要用到材料的持久性能，根據(jù)葉片的低 循環(huán)疲勞載荷譜計算葉片損傷，進(jìn)而預(yù)估葉片壽命。材料的持久性能一般使用持 久方程來表示，推薦的持久方程有

9、4種，分別為Larson-Miller（ L-M）方程、Ge-Dorn ( G-D )方程、Manson-Succop (M-S)方程和 Manson-Hafered(M-H)方 程。低周疲勞壽命預(yù)估需要用到的是材料的低周疲勞性能。根據(jù)葉片的持久載荷 譜計算葉片損傷，進(jìn)而預(yù)估葉片壽命。預(yù)測渦輪轉(zhuǎn)子葉片高溫低循環(huán)疲勞壽命的 主要方法包括基于Manson-Coffin公式的方法，應(yīng)變范圍劃分法以及能量法等。 低循環(huán)疲勞性能的相關(guān)材料數(shù)據(jù)較少。計算持久壽命的方法是將之前計算得到的 持久載荷譜中的各工況的應(yīng)力和溫度帶入材料的持久性能方程中，計算各工況對 應(yīng)的持久壽命，在根據(jù)發(fā)動機(jī)在該狀態(tài)下的工作時間進(jìn)一步計算各工況工作時 間對應(yīng)的持久損傷，根據(jù)線性疊加原理計算總損傷。計算低循環(huán)疲勞壽命分方法是將計算得到的低循環(huán)疲勞載荷譜中的各循環(huán)的 應(yīng)力、應(yīng)變帶入材料的低循環(huán)疲勞性能方程中，計算各循環(huán)工況對應(yīng)的循環(huán)壽命， 進(jìn)一步計算各循環(huán)循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的低循環(huán)疲勞損傷，根據(jù)線性疊加原理計算總損 傷。在計算時應(yīng)注意材料的相關(guān)性能是否完善，特別對以葉片類零件來說，由于 裝機(jī)數(shù)量大，如要保證較低的單臺故障率，必須提高計算結(jié)果的精度。4結(jié)論本文提供了一種預(yù)測渦輪轉(zhuǎn)子葉片持久壽命和低循環(huán)疲勞壽命的方法，可以 在發(fā)動機(jī)研制階段壽命預(yù)測時使用，提高發(fā)動