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1、涡轮叶片低周疲劳试验方案设计张可，闰晓军( 北京航空航天犬学能源与动力工程学院北京1 0 0 0 8 3 )擅要：某型发动机三顿涡轮叶片在外场使用过程中，多次发生棒头第一摔齿R 处断裂的故障。针对这一问题，本文计算了工作条件下叶片的应力场，并根据计算结果完成了对涡轮叶片低周疲劳试验方案的设计。试验结果表明，试验方案较好地模拟了考核截面在工作条件下的温度和虚力分布方案设计是合理的，为涡轮叶片的捧故及寿命预测提供了依据。关t 词：涡轮叶片；有限元分析；低周疲劳试验；成布尔分布1 概述随着燃气涡轮发动机涡轮前的燃气温度和核心机的增压比不断提高，发动机热端部件，尤其是涡轮叶片的工作条件越来越恶劣。涡轮
2、叶片的疲劳破坏成为影响发动机可靠性的主要因素之一。为了保证飞行的安全可靠性，必须对叶片进行寿命预测。涡轮叶片寿命的准确预测主要由试验获得【l 】，但由于叶片的几何形状和受力情况都十分复杂，在试验条件下很难模拟整个叶片的应力场分布以及温度条件。因此，设计切实可行的试验方案解决上述问题，对涡轮叶片的改进及延寿、定寿具有重要意义。菜型发动机在我围航空领域有广泛的应用，近年来该型发动机三级涡轮右叶在外场使用过程中，多次发生榫头第一榫齿R 处断裂的故障。针对上述故障和改型需要，有必要对该型叶片进行低周疲劳试验。考虑到涡轮叶片的寿命主要取决于其考核截面( 应力最大的截面)的寿命，可以通过模拟考核截面的温度
3、和应力场分布。来实现对叶片寿命的研究。从而解决叶片真实应力场和温度场难以模拟的问题。基于上述思想，本文设计了合理的试验方案以涡轮工作叶片为试件，对兰级涡轮右叶进行了低周疲劳试验，并对试验结果进行了分析。2 涡轮叶片工作应力场计算为确定涡轮叶片的考核截面并获得工作条件下该截面的应力场，首先要对涡轮叶片进行理论计算。建立右叶片的有限元模型，如图1 所示。为了真实地模拟涡轮叶片在工况下的受力情况，获得准确的叶片应力场，分别计算了不同位移约束条件，不考虑接触和考虑叶片与轮盘接触两种情况下涡轮叫片的应力。载荷考虑离心载荷和温度载荷的作片 。分析不同位移约束条件下的计算结果，并与叶片的外场断裂情况( 图2
4、 ) 进行对比，确定最能模拟叶片在 ：作条件下受力的边界条件，得到圈3 所示的时片应力场。从叶片的应力场分布可以看出，非接触模型和接触模型的应力最大值都出现在第一榫齿齿根处，与叶片外场断裂部位相同，袭明计算结果较好地模拟了叶片在 ：作条件下的受力情2 6 7况。综合考虑计算结果和叶片外场的断裂部位，确定右叶片的第一榫齿齿根处为考核截面。( a ) 非接触模型( b ) 接触模型圈l 右叶片的有限元计算模型图2 右叶片及外场断裂情况( a ) 非接触模型等效应力图3 右叶片等效应力分布圈进一步对两种情况下考核截面的计算结果进行分析对比可知，非接触模型和接触模型在考核截面的应力趋势大体是相同的，非
5、接触模型的应力值较为偏高，进行寿命预测更偏于安全。最终采用非接触模型的危险部位应力值作为后续试验标定的依据。( b ) 接触模型等效应力3 试验方案标定确定考核截面后，合理设计试验方案，实现对叶片考核截面的在工作条件下温度和应力场的模拟。试验以真实的涡轮工作叶片为试件，使用图4 所示的夹具【2 j 。该夹具通过摩擦原理图4 叶片试验的夹其模型2 6 9对叶片进行加载，调节销轴上的垫片可以实现对叶片的偏心拉伸，以模拟工作条件下的弯矩载荷。叶片上的拉伸载荷由拉伸试验机提供。为保证考核截面的应力场与实际相符，需要在常温下利用应变片对叶片进行应变场的标定。考虑到考核截面处于和轮盘配合的状态，无法贴应变
6、片，选择从第一榫齿齿根( 考核截面) 沿伸根面向上平移2 毫米处做为所贴应变片的中心位置。共在该截面上贴七个应交片，其中叶盆侧为四个，叶背侧为三个，如图5 所示。试验标定通过调整夹具上的凋整垫片，实现对叶片不同状态的偏心拉伸，并测定上述状态下考核部位的应变分布来完成。将试验结果与有限元计算的结果进行对比，最终确定以调节垫片的某一位置状态来模拟考核截面在工作条件下的应力场。测得拉伸载荷为4 8 6 K N ( 设计状态) 时，考核截面的应变分布如图6 所示，与计算结果的应变趋势大致相同。表明通过使用合理的夹具和试验标定，可以在试验条件下模拟叶片考核截面的应力场。试验叶片考核截面的温度场由高频加热
7、炉实现，温度监控利用热电偶完成。由于考核截面榫齿在试验中与轮盘处于配合状态，无法直接焊接热电偶进行温度监控。同时，在考核部位焊热电偶还会破坏叶片的表面质量，影响试验结果。因此采用在考核截面上方焊接热电偶来测量温度。其温度值和考核截面真实温度值的关系，通过试验前的标定工作来完成。根据工作状态下叶片温度的实测数据，确定考核截面的试验温度为5 0 0 “ ( 3 。卜谳I：，、：一 、k，rL衄图6 考核截面理论计算应变和试验标定应变比较图7 疲劳试验载荷潜4 试验结果及分析试验载荷谱如图7 所示，麸进行了新旧( 有挫痕) 两类叶片的低周疲劳试验。由于试验方案很好地模拟了考核截面的温度和载荷，基本上
8、所有的叶片都从考核部位出现裂纹，然后断裂。根据试验结果，对新旧叶片的试验数据进行整理如袭l 所示。可以看到两类叶片的寿命数据符合威布尔分布，图8 、9 为威布尔分布的检验图，图1 0 、I l 为试验数据的概率密度函数曲线和分布赢方图。从试验现象和叶片的断裂失效情况可知，试验实现了叶片的故障再现，试验结果是可信的。所得试验数据将为叶片的外场定寿提供可靠的依据。表1涡轮叶片低周疲劳寿命试验数据戚布尔处理 试验条件叶片寿龠( 循环) 结果 试件 温度载荷安全寿命I234567 ( )( K N )( 置信度9 5 9 6 )新叶4 1 5 5 56 1 7 5 53 3 6 0 03 1 8 9
9、04 5 2 0 53 8 2 5 23 1 4 5 33 1 2 8 8 9 5 5 0 04 8 6 旧叶3 8 4 5 02 5 3 1 32 0 3 5 02 9 1 8 42 1 2 8 52 2 7 4 52 1 2 5 02 0 1 8 2 5 4蝴U L t $H ：嚣I _ L _ t k t ；3 辛啤。 。 l bf 一，il | ； ， ；l|么一I i 谢叶T + 晶 I I 缝，I1 “w q I i墉蚺 枷N j x _ I j ，圉8 新叶片威布尔分布检验图9 旧叶片戚布尔分布检验图1 0 新叶片概率密度函数图图u 旧新叶片概率密度函数图2 7 0塘；。5 结论
10、针对某型涡轮叶片多次发生榫头第榫齿R 处断裂的故障，设计试验方案，完成了对叶片的低周疲劳试验。试验结果表明，试验方案较好的模拟了叶片考核截面在工作条件下的温度和应力场分布，试验方案是合理的。通过对涡轮叶片试验的研究，可以得到如下结论；( 1 ) 采用上述试验方案，模拟考核截面在工作条件下的温度和应力场，得至0 考核截面的低循环疲劳寿命，就可以实现对涡轮叶片疲劳寿命的预测，解决了叶片真实应力场和温度场难以模拟的问题。( 2 ) 从试验数据可以看出，新叶片的安全寿命比旧叶片长，与叶片在外场的使用情况相符合，表明试验数据是合理的。为涡轮叶片的改进及延寿、定寿提供了依据。参考文献 1 闰晓军，聂景旭，“定向结晶涡轮叶片蠕变疲劳寿命的试验与分析”，航空动力学报已录用。 2 李海燕，“正交备向异性粘塑性掼伤统一奉构模型的研究与应用”，北京航空航天大学博士学位论文2 0 0 2 。 3 何胜帅，“涡轮叶片疲劳寿谁的可靠性分析”北京航空航天大学本科毕设论文，2 0 0 4 6 2 7 1
