動力渦輪盤低循環疲勞試驗方法改進研究

趙鑫

摘 要：某發動機動力渦輪盤在進行低循環疲勞試驗后，熒光檢查發現榫槽部位出現裂紋，通過對榫槽部位的理化分析和試驗方案復查，找到了榫槽部位出現裂紋的原因，并提出了相關改進措施。動力渦輪盤低循環疲勞試驗中，除輪心外，還需要重點關注榫槽的應力水平，并在試驗中加強榫槽的檢查，避免試驗件損壞，導致無法考核輪心的低循環疲勞壽命。

關鍵詞：渦軸發動機;榫槽;疲勞;裂紋;應力

中圖分類號：V228 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）08-0111-03

發動機輪盤及其轉子都是關鍵的受力件和旋轉件，它們不僅結構復雜，而且轉速高、載荷大、工作條件及其惡劣。當離心應力與熱應力迭加時，可能會使輪盤局部承受的應力水平很高而進入塑性狀態，同時還會出現各種故障或破壞。一旦輪盤出現破壞[1]，后果往往是災難性的。因此必須引起高度重視。

輪盤關鍵部位的疲勞破壞都可能導致非包容破壞，并給飛機帶來危險性影響，應該通過疲勞試驗給出它們各自的安全壽命。輪盤疲勞源一般出現在應力集中部位，如各類輪盤的中心孔、偏心孔、螺栓孔和銷釘孔、輪緣、榫槽、葉片的榫頭、伸根，以及鼓筒的聯接部位和軸的突變處等。

某動力渦輪盤完成低循環疲勞試驗時后經分解檢查，發現輪盤榫槽部位有熒光顯示，對榫槽部位進行理化分析，發現榫槽先于輪心疲勞開裂。所以，針對動力渦輪盤這種帶榫槽結構的盤類件，除輪心外，還需要重點關注榫槽的壽命計算，并在試驗中加強榫槽的檢查，避免試驗件損壞，導致無法考核輪心的低循環疲勞壽命。

1 試驗復查

完成35811次低循環疲勞試驗后，對動力渦輪盤進行熒光檢查，發現動力渦輪盤榫槽部位出現裂紋，通過理化分析和復查試驗方案，發現了裂紋出現的原因。

1.1理化分析

1.1.1宏觀檢查

通過熒光檢查，在一個榫頭的第一級榫槽處可見裂紋熒光顯像，通過紅色標記筆進行標記圖1。

1.1.2體視鏡檢查

將動力渦輪盤在體視鏡下檢查，在動力渦輪盤在靠近軸側，榫頭第一級榫槽工作面上根部圓弧角過渡區有一條細小的裂紋，裂紋從榫頭側端面靠軸側向里擴展，長度約為3.98mm，見圖2。

將裂紋打開后，可見斷口有明顯的扇形區域，斷面較平整，可見明顯的棱線收斂于第一級榫槽工作面根部圓弧過渡角處，距離靠軸側端面約1mm的位置。裂紋源為短線源，靠近源區斷面呈深褐色，較陳舊，源區、斷面均未見明顯的冶金缺陷。斷口的斷裂性質為疲勞，見圖3。

1.1.3掃描電鏡檢查

將裂紋打開后，斷口源區在第一級榫槽工作面根部圓弧過渡角處，距離靠軸側端面約1mm的位置，為短線源（圖4a），裂紋源區可見清晰的疲勞條帶（圖4b）。斷口斷面未見其他冶金組織缺陷。

1.1.4小結

動力渦輪盤榫頭上的裂紋性質為疲勞裂紋，裂紋源在榫頭第一級榫槽工作面根部圓弧過渡角處，為短線源。

1.2復查試驗方案

采用MSC.PATRAN（軟件索取號RT301200）進行有限元前、后處理，采用MSC.NASTRAN（軟件索取號RT300800）進行線彈性有限元分析，計算動力渦輪盤低循環疲勞試驗載荷。

動力渦輪一級盤緣均布有55個榫槽，忽略安裝孔等對計算結果影響較小的特征后，動力渦輪一級盤結構及載荷均具有循環對稱性，取包含1個完整榫槽在內的循環對稱段作為計算模型。采用十節點四面體網格進行網格劃分，共包括185870個單元，278033個節點，有限元網格模型見圖5。

發動機上的標準應力循環為：0～最大～0循環;試驗循環為：試驗下限轉速～試驗上限轉速～試驗下限轉速。本次計算以輪心為考核點進行載荷等效轉換，要求該處應力系數等于1.0。

根據EGD-3應力標準[2]，應力系數計算公式為：

式中：

-試驗狀態等效到0～最大～0循環時的應力，MPa;

-工作狀態下的應力，MPa;

-工作溫度下材料的極限拉伸強度，MPa[3];

-試驗溫度下材料的極限拉伸強度，MPa[3];

-上限轉速下的應力，MPa;

-下限轉速下的應力，MPa。

在給定計算載荷的作用下，工作狀態下動力渦輪盤輪心和榫槽部位的當量應力分布見圖6，試驗狀態下動力渦輪盤輪心和榫槽部位的當量應力分布見圖7。詳細應力計算結果見表2和表3。

由以上公式及應力結果，計算可得輪心處的應力系數為1.001，榫槽的應力系數為1.030。

由于考核部位應力系數不是1.0，需根據下式（2）計算考核部位的試驗循環數：

式中：

N-為試驗循環數;

Fr-為標準應力循環數;

K-為應力系數;

Y-為壽命散度系數。

根據DEF STAN 00-971中的規定，單個試驗件的壽命散度系數取4，當要求的標準應力循環數是9000次時，考核輪心所需要完成的試驗循環數：

考核榫槽所需要完成的試驗循環數：

考核榫槽所需完成的循環數是30798次，小于考核輪心所需要完成的試驗循環數，榫槽部位過考核，可能會早于輪心破壞，試驗存在風險。所以，在完成35811次疲勞試驗后，在榫槽部位發現疲勞裂紋屬于正常情況。

2 改進措施

為了避免榫槽部位過考核，致其早于輪盤破壞，影響輪心的低循環疲勞壽命考核，可以通過調整配重葉片的尺寸和提高試驗轉速，使榫槽部位的應力系數小于1.0。

具體的結構改進措施是，將所有配重葉片自頂部切除9mm，示意圖見圖8。以輪心為考核點進行載荷等效轉換，要求該處應力系數等于1.0，根據公式（1），計算可得榫槽的應力系數為0.99。目前，試驗已完成36000次，下臺檢查后榫槽和輪心均未發現裂紋。

3 結論

（1）榫槽的應力系數大于輪心的應力系數，在完成35811次低循環疲勞試驗后，榫槽出現裂紋，輪心未出現。

（2）輪盤疲勞試驗的考核部位一般為輪心，在載荷計算中，榫槽的應力系數大于輪心的應力系數，可以通過調整配重葉片尺寸和提高試驗轉速，使榫槽的應力系數小于1.0，有效避免榫槽早于輪盤破壞。

（3）針對動力渦輪盤，除作為考核部位的輪心外，還需要重點關注非考核部位榫槽的應力水平，并在試驗后加強榫槽的檢查，避免試驗件的損壞，導致無法考核輪心的低循環疲勞壽命。

參考文獻

[1] 《航空發動機設計手冊》總編委會編.航空發動機設計手冊第18冊[M].北京：航空工業出版社，2001.

[2] 丁愛祥，吳君可，譯.斯貝MK202發動機應力標準（EGD-3）[M].北京：國際航空編輯部，1979.

[3] 《航空發動機設計用材料手冊》編輯委員會編.航空發動機設計用材料手冊（第三冊）[M].北京：航空工業出版社，2008.