針對葉片阻尼臺斷裂故障的試驗方法

□ 田 齊 □ 張振宇 □ 李 季

中國航發西安航空發動機有限公司 西安 710021

1 試驗原理

葉片是航空發動機的關鍵件,所處的工作環境十分復雜,會受到較高的離心載荷、氣動載荷、高溫載荷、聲學載荷、機械振動載荷的影響,靜動應力均較大。由于振動的影響,葉片往往會產生高周疲勞,引發裂紋,甚至斷裂,嚴重影響航空發動機的安全性。阻尼臺常用于提高航空發動機葉片的高周疲勞可靠性,其加工質量及結構設計的合理性對于葉片的可靠性和疲勞壽命而言至關重要。

航空發動機葉片的疲勞壽命和疲勞強度一般需要通過試驗方法獲取。試驗時,利用激振設備使葉片在某階固有頻率下產生共振,從而承受振動應力,達到考核葉片強度的目的。對于在外場使用時出現斷裂故障的葉片,往往需要定點考核某些局部位置,因此需要設計合理的試驗方案,使載荷準確地加載至預定部位,從而達到故障復現和進行改進驗證的目的。

2 故障情況

某型航空發動機風扇葉片在外場使用時發生斷裂故障,斷口分析后判斷原因為疲勞裂紋,起始于葉盆側阻尼臺與葉身轉接處。對工藝過程復查后發現,該葉片在進行阻尼臺工作面耐磨涂層焊接時,由于工藝參數控制不當,導致阻尼臺前緣與葉身轉接處發生電擊傷,燒傷葉片。為驗證電擊傷對葉片疲勞強度的影響,需要在振動環境下對正常葉片與燒傷葉片進行疲勞強度對比試驗。

3 試驗方案

阻尼臺位于葉身上半部,根據以往葉片疲勞試驗的經驗,僅固定榫頭在各階振型下都很難將載荷施加至阻尼臺根部,并且很難實現高應力加載,無法對目標位置進行考核。采用榫頭和阻尼臺同時固持的方式,可以形成以阻尼臺為固持點的振型,比較容易實現對阻尼臺施加振動載荷。

按照擬定的試驗固持方式,采用ANSYS有限元分析軟件開展葉片模態計算。計算表明,葉片在一階扭轉振型下的最大應力區位于葉盆側阻尼臺前緣與葉身轉接處,與損傷部位基本一致,因此將一階扭轉振型確定為試驗振型。一階扭轉振型下最大應力區域集中,應力分布梯度較大,應力分布云圖如圖1所示。

選擇合適葉片振型并將載荷準確地施加至目標位置,這是試驗的中心環節,對試驗結果是否可信至關重要,夾具設計與試驗過程中的載荷控制都必須滿足這一要求。

葉片故障位置位于葉盆側阻尼臺前緣與葉身轉接處,為了能夠在故障位置施加較大振動應力,采用同時固持阻尼臺和榫頭的方式。其中,榫頭部位采用后頂式結構固持,阻尼臺部分采用上下壓緊式結構固持。由于阻尼臺的特殊外形結構導致固持較困難,因此筆者對葉盆側和葉背側阻尼臺的局部進行修整,形成兩個平行面,以保正固持的可操作性和穩定性。葉片固持方式如圖2所示。

▲圖1 一階扭轉振型應力分布云圖

▲圖2 葉片固持方式

4 試驗過程

試驗采用電磁振動臺作為激勵源,試驗系統如圖3所示。為了驗證試驗方案的可行性,選取一件葉片,在高應力下使葉片快速斷裂,并觀察裂紋情況。結果表明,裂紋位置與外場斷裂位置一致,裂紋穿過電擊傷區域。裂紋位置如圖4所示。

根據鈦合金材料的疲勞特性,選取3×107次作為循環基數,將110 MPa作為起始應力,將20 MPa作為應力臺階,采用逐級加載的方式對試驗載荷進行確定。為了得到葉片的最低疲勞強度,選取三件燒傷葉片進行試驗。逐級加載試驗結果見表1。

表1 逐級加載試驗結果

▲圖3 試驗系統▲圖4 裂紋位置

根據逐級加載試驗原理,將3×107次作為循環基數的中值疲勞強度,為140 MPa?？紤]到累積損傷對葉片疲勞強度的影響,應將疲勞強度值適當提高,定為150 MPa。

從正常和燒傷兩種類型的葉片中分別選取六件進行疲勞強度對比試驗,將150 MPa作為初始應力,將20 MPa作為應力臺階,選取3×107次為循環基數,進行逐級加載。若在某一應力下通過3×107次疲勞強度考核,則增大應力繼續試驗,直至葉片出現工程可見裂紋或頻率降低1%。疲勞對比試驗結果見表2。

表2 疲勞對比試驗結果

5 試驗數據分析

葉片疲勞性能的優劣,除了表現為較高的疲勞壽命外,還要有較好的均勻性。根據試驗數據及疲勞統計方法,需進行母體平均值檢驗。

母體平均值檢驗是t分布原理的應用,也稱為t檢驗。母體平均值代表產品的平均水平。進行對比試驗的兩組葉片的疲勞壽命,可以看作是從兩個母體中分別抽取的兩個子樣。根據兩個子樣來檢驗兩個母體的平均值是否相同,如果相同,那么就疲勞壽命而言,可以認為這兩個子樣來自平均值相同的兩個母體;反之,認為兩個子樣來自平均值不相同的兩個母體,試驗結果存在條件誤差。

母體中隨機抽取一個樣本數為n的子樣,即取得n個疲勞壽命觀測數據,這n個數據的平均值即為子樣平均值。根據表2中數據,正常葉片子樣平均值為7.477 1,燒傷葉片子樣平均值為7.230 1。

根據數理統計學原理,用各個偏差二次方的總和除以自由度,即子樣方差來度量分散性。根據表2中數據,正常葉片子樣方差為0,燒傷葉片子樣方差為0.049。

F=0.049/0=+∞,取顯著度為5%,查相關資料得顯著度為5%時的統計量F0.05為9.6。

可知F大于F0.05,說明兩個子樣方差有明顯差異,可以認為兩個子樣來自不同的母體,即兩種葉片疲勞壽命存在明顯差異。

由表2數據可知,在150 MPa應力水平下,正常葉片全部通過了3×107次疲勞強度考核,燒傷葉片均未通過3×107次疲勞強度考核,且正常葉片子樣平均值大于燒傷葉片子樣平均值,說明燒傷葉片疲勞強度明顯低于正常葉片。

6 結束語

筆者通過設計合理的試驗夾具,結合ANSYS軟件計算,復現了葉片在外場使用時的斷裂模式,確認了由于工藝參數控制不當而導致葉盆側阻尼臺前緣與葉身轉接處的電擊傷為葉片斷裂的主因。

采用榫頭和阻尼臺同時固持的方式,實現了在高階模態下對葉片阻尼臺部位進行疲勞強度考核,并準確地實現了應力載荷的施加。

在葉片一階扭轉振型下完成了正常葉片和燒傷葉片疲勞強度對比試驗。試驗結果表明,葉盆側阻尼臺前緣與葉身轉接處的電擊傷對葉片疲勞強度的降低有較為明顯的影響,為后續評價其它燒傷葉片是否可用提供了依據。