低循環(huán)疲勞對噴氣發(fā)動機輪盤壽命的影響

劉　偉　劉　濤　張蔭鰲　范秀杰（沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司，遼寧　沈陽　110043）

低循環(huán)疲勞對噴氣發(fā)動機輪盤壽命的影響

劉偉劉濤張蔭鰲范秀杰
（沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司，遼寧沈陽110043）

輪盤是航空發(fā)動機重要部件，承受高溫負荷及大推力載荷，工作環(huán)境十分惡劣。輪盤斷裂的碎片打穿機匣，可能破壞油路或控制系統(tǒng)，對飛行員及飛機造成嚴重威脅。為了確保飛行人員安全及發(fā)動機可靠運行，應從結構、材料、工藝、強度和振動等各方面采取積極措施，盡量防止輪盤裂紋故障的發(fā)生。本文從影響盤體壽命的多方面因素進行分析，闡述了影響輪盤壽命的主要原因。

輪盤；低循環(huán)疲勞；壽命；影響因素

1　引言

在現(xiàn)代科學技術領域里，低循環(huán)疲勞越來越引起人們的重視，隨著技術的發(fā)展，疲勞問題日益顯示了其重要性，隨溫度的提高，更要求結構更能承受瞬時過程的頻率和激烈的程度。在航空發(fā)動機中，要求能在最大載荷下發(fā)出功率。因此，要求這些部件必須迅速地從準備工作狀態(tài)過渡到工作狀態(tài)，起動所引起的熱過程會嚴重的引起熱應力，這些熱應力以熱疲勞的形式重復著成為人們擔心的問題。實際情況是結構的損壞大多是由疲勞破壞所引起的，例如：英國“彗星”號客機在航線上連續(xù)發(fā)生的幾起事故就是因為該型飛機反復起飛和著陸過程中由于低循環(huán)疲勞引起的。此類事件在國際上甚多，據(jù)稱80%的破壞是由于疲勞所引起的。

2　輪盤壽命的影響因素

為了保證飛行的安全，防止發(fā)動機輪盤的破壞，美國普拉特·惠特尼公司對其噴氣發(fā)動機的渦輪盤和壓氣機盤的壽命提出了限制，規(guī)定了壽命極限。而對發(fā)動機其它零部件只是規(guī)定在翻修過程中發(fā)現(xiàn)問題才予以報廢。這主要是考慮了影響發(fā)動機輪盤壽命的六個因素：極限強度、屈服強度、蠕變強度、高循環(huán)疲勞、金相變質(zhì)、低循環(huán)疲勞。在這六個因素中，極限強度和屈服強度可以由發(fā)動機或試驗裝置經(jīng)超速試驗得出，蠕變強度也可由試驗得出，若輪盤運行一段時間之后，蠕變成為一個因素時，輪盤就要發(fā)生變形，這樣在尺寸的限制下遠在危險點之間就報廢了。高循環(huán)疲勞只要限制應力，使測得的應力值諧波在一個比較低的水平，就可使輪盤不受壽命限制。經(jīng)過計算，上述四種因素，均不是影響輪盤壽命的主要因素。它們至少可以允許輪盤工作數(shù)千小時。金相變質(zhì)影響輪盤的壽命，不過在設計和工藝方法上是可以控制的。

3　低循環(huán)疲勞對輪盤壽命的影響

影響輪盤壽命的主要因素是低循環(huán)疲勞，因此盡管有時輪盤的外形及物理特性還顯得可以應用，也提出更換。這是因為我們無法確定輪盤在產(chǎn)生疲勞裂紋之前，它的疲勞壽命已經(jīng)過了多少？而等到出現(xiàn)裂紋，則是很不保險的。低循環(huán)疲勞是研究當應力產(chǎn)生足以可觀的周期性塑性變形時，經(jīng)過頻率比較低的循環(huán)（如10000或更少）后出現(xiàn)疲勞。這種疲勞狀態(tài)大體上出現(xiàn)在某些結構中（更普遍的是出現(xiàn)在局域區(qū)域內(nèi)）例如在四角，圓孔附近和其他的應力集中狀態(tài)。圖1是一個典型的應力——循環(huán)次數(shù)曲線，縱坐標為振動或循環(huán)應力，橫坐標為該應力下疲勞破壞所需的循環(huán)次數(shù)。在高頻疲勞的情況下，我們注意的是零件每秒擺動幾百次的振動。因為這樣快的振動，結果會使應力循環(huán)次數(shù)很快累計起來。我們必須注意，這種高頻振動既然存在，這種應力的水平則在有關材料的持久極限下。當零件具有像圖1右邊所示的持久極限以下的應力時，就可以無限期的工作。但在低循環(huán)疲勞情況下，我們講的是應力很高，經(jīng)常使零件材料的局部區(qū)域產(chǎn)生塑性流動。具有這樣的應力時，一個很少的循環(huán)次數(shù)也會產(chǎn)生疲勞破壞，如圖1所示左側所示情況，這是估計輪盤壽命時必須十分重視的問題。在發(fā)動機每次起動并加速到最大功率時，輪盤承受著高速旋轉的離心力。同時還承受很大的溫度梯度，輪緣是較薄的，由暴露在熱氣流中，它很快的熱起來，并要脹大，而輪轂處既厚，又不直接接觸熱氣流，受熱慢的多，熱膨脹也慢的多。圖2是飛機在跑道上起飛時，高壓壓氣機輪盤的典型的大溫度梯度。這樣高的溫度導致在輪盤的輪轂與輪輻處出現(xiàn)高的拉應力，這種熱應力與離心應力相疊加，在停車和冷卻時，這種熱脹縮倒過來，薄的輪緣冷的快，厚的輪轂冷的慢，這時輪轂的尺寸比輪緣允許它的尺寸要大，應力降低到最小，有時則會產(chǎn)生壓縮應力。這樣隨著每次點火，加速到限定的功率，停車和冷卻，輪盤受到很高的拉應力，到應力降低甚至改變成壓應力的應力變化過程。簡單地說飛機飛行一次，發(fā)動機輪盤就承受一次完全的應力循環(huán)。眾所周知，金屬的強度和延展性成反比關系，這樣對選擇輪盤材料時帶來了問題，從提高強度來考慮，則會使延展性降低，而延展性又是低循環(huán)疲勞中考慮的主要問題，要達到理想的低循環(huán)疲勞強度，需要盡量選擇延展性大的材料。但這將使蠕變強度降低，因此，在選擇輪盤材料時要予以充分考慮。試驗證明，疲勞壽命隨溫度的增加而降低，特別是在應變速度低的情況下，這個結果可以根據(jù)鋼在不同溫度下出現(xiàn)的沉積效應來解釋。

結論

綜上分析，低循環(huán)疲勞是造成輪盤斷裂的主要原因，因此，輪盤設計、研制及制造過程中，應充分考慮低循環(huán)疲勞對輪盤壽命造成的影響。提升輪盤壽命檢測及輪盤斷裂預防技術。

[1]王衛(wèi)國，卿華，杜文軍，等.多危險部位數(shù)目對輪盤低循環(huán)疲勞壽命的影響[C].第十三屆發(fā)動機結構強度振動學術會暨中國一航材料院50周年院慶系列學術會議，2006.

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