某航空發動機渦輪盤定壽研究

詹祿祿

摘 要：目前，我國大多數在役航空發動機采用整機總壽命和翻修間隔期進行壽命控制，這種控制方法不能真實地反映盤、軸類零件使用中所經歷的低循環疲勞—發動機關鍵零件的主要失效原因，所以對關鍵件定壽是非常有必要的。本文詳細闡述了關鍵件定壽的方法，并用安全壽命法確定了某發動機渦輪盤的安全循環壽命及小時壽命。

關鍵詞：關鍵零件;渦輪盤;安全循環壽命

中圖分類號：V231.91 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0057-02

目前，我國大多數在役航空發動機采用整機總壽命和翻修間隔期進行壽命控制，其中翻修間隔期又以工作小時數和日歷期壽命表示，當這二者之一達到設計值時，發動機將返廠修理。這種控制方法不能真實地反映盤、軸類零件使用中所經歷的低循環疲勞—發動機關鍵零件的主要失效原因，不能準確反映發動機壽命消耗。而國外為了確保飛行安全，典型的壽命控制方法是同時控制發動機翻修壽命和關鍵零件的允許使用壽命[1-2]。

關鍵件定壽，包括分析零部件工作環境、計算在該環境下使用的零部件壽命、對有代表性的零部件開展循環試驗、基于材料性能分散度和安全裕度考慮批準確認零件壽命的全過程。目前關鍵零部件定壽的方法主要有安全壽命法、數據庫法、損傷容限法和因故退役法四種[3]，本文根據安全壽命法對某發動機渦輪盤的壽命進行確定。

1 盤類零件定壽

使用“安全壽命法”確定盤類零件預定安全循環壽命。通過建立零件不同特征部位應力分析的有限元模型，以及試驗載荷分析，進行發動機狀態的應力分析，來確定輪盤的關鍵部位和標準循環;設計試驗組件，確定試驗參數，對試驗狀態下輪盤進行應力分析，計算各部位的應力系數;按照英軍標Def Stan00-970-11中應力范圍要求確定試驗方案，并據此編制試驗大綱，進行試驗;根據試驗結果用“安全壽命法”確定輪盤的預定安全循環壽命，結合綜合換算率得出輪盤的飛行小時壽命。

2 某發動機渦輪盤定壽

某發動機渦輪盤見圖1，材料是鎳基高溫合金GH698，采用的是真空感應+真空自耗的熔煉工藝，有一個中心孔及6個螺栓孔。渦輪轉子的最大轉速為17626r/min。

（1）渦輪盤標準循環轉速為17626r/min，根據應力分析結果，關鍵部位為輪盤的中心孔和螺栓孔。

（2）經過溫度場測量后，對通過理論分析得到的瞬態溫度載荷進行了修正，通過應力分析得到渦輪盤關鍵部位的標準循環，見表1。

（3）疲勞試驗方案。渦輪盤試驗時，提高試驗轉速、并將工作葉片作為配重葉片，試驗組件見圖2，根據選取的試驗參數，并考慮溫度對材料性能的影響，可計算得到輪盤的應力系數，見表2，應力系數合理，可按此試驗參數進行試驗。

（4）試驗結果。渦輪盤低循環疲勞試驗共試驗了2個輪盤。第1個盤試驗進行到50000次循環時，使用著色檢查方法對試驗件進行了表面裂紋檢測（螺栓孔未檢查），未見裂紋，試驗進行至51788次循環時，試驗件破裂。第2個輪盤試驗進行到35000次循環時進行分解，熒光檢查無裂紋;試驗進行到40000次循環時進行分解，熒光檢查發現3個螺栓孔出現裂紋;試驗進行到50299次循環時，試驗件破裂。

（5）預定安全壽命確定。按照英軍標Def Stan00-970，輪盤類零部件使用“安全壽命法”確定其預定安全循環壽命時，考慮了應力系數，壽命散度系數Y，由試驗循環數N確定關鍵部位的安全壽命Fr的公式為：

N為有效試驗循環數，其計算原則是：

1）裂紋出現前或出現時所達到的試驗循環數。該裂紋是用常規的檢測方法可以檢測出來的（典型的是一條0.75mm的表面裂紋）。2）用試驗到破壞或出現一條長裂紋的試驗循環數除以一個1.5的系數得到。3）當振動或其它環境影響，或者高應力可能導致短的裂紋擴展壽命時，應給予特殊考慮。4）Y為壽命散度系數，該數據與子樣數有關，見表3。

中心孔在試驗過程中均未出現裂紋，兩個盤的有效試驗循環數分別可取為50000，40000;對于螺栓孔，第一個盤的有效試驗循環數為：

N1=51788/1.5=34525.33;

第二個盤若按輪盤破裂循環數計算，其有效循環數為：

N2=50299/1.5=33532.67<35000（不適用）;

鑒于試驗進行到35000次循環時，熒光檢查無裂紋，進行到40000次循環時，發現裂紋。保守取見，可把N2取為35000。

渦輪盤試驗了2個子樣，取對數平均值壽命按分散系數Y=3.46計算，可得輪盤關鍵部位的安全壽命，另外通過綜合換算率的研究，可得該渦輪盤的綜合換算率為4，如此就得到了輪盤關鍵部位的小時壽命，結果詳見表4。

（6）該渦輪盤的安全壽命為7619次循環/1904小時。

3 結語

（1）發動機整機壽命很大程度上取決于主要零部件的壽命，零部件定壽主要應針對包括安全關鍵件和任務關鍵件在內的斷裂關鍵件進行，低循環疲勞是發動機關鍵零件的主要失效原因。（2）理清了輪盤壽命試驗載荷的確定方法和程序，以往的試驗常采用穩態溫度場進行熱應力計算，使試驗結果偏于危險，本次研究利用瞬態溫度場計算結合通過整機測量瞬態溫度場后修正瞬態溫度場計算結果的方法，給出的溫度載荷使標準應力循環的制定更為合理。（3）利用安全壽命法確定了某發動機輪盤的安全壽命，為某發動機的安全使用提供了保證條件。

參考文獻

[1] 美軍標MIL-E-5007D.渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范.

[2] 英軍標DEF STAN 00-971.飛機燃氣渦輪發動機通用規范.

[3] 甘曉華.現役航空發動機使用壽命和控制方法[M].航空工程進展，2010.5.