某航空发动机离心叶轮疲劳使用寿命与裂纹扩展分析

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1、硕士学位论文（6）涡轮盘振动开裂故障由于日益追求发动机的高推重比，所以涡轮盘结构日趋轻型化，在高温和高载荷的工作条件下，涡轮盘振动问题就显得更为重要。轻而薄的涡轮盘不仅自身振动严重，对工作叶片的振动影响也很大。涡轮盘及其叶片的耦合振动可以引起叶片振动特性的改变，形成频率比较密集、振形比较繁多的耦合振动现象。1.3涡轮盘定寿的内容涡轮盘应该确定的寿命主要是与起落和飞行过程相关的低循环疲劳寿命及与工作时间相关的蠕变／应力断裂寿命。考虑到涡轮盘是断裂关键件，其部分裂纹是可测的，故涡轮盘的寿命还应该包括裂纹扩展寿命

2、[11]。（1）涡轮盘的低循环疲劳寿命涡轮盘处于高温、高转速的工作状态，承受着由涡轮叶片的离心力和轮盘本身的质量离心力产生的离心应力、由温度梯度产生的热应力及相关零件变形不协调所引起的附加应力等。在发动机加速过程中，涡轮盘中心孔部位的离心应力和热应力均为周向拉伸应力，二者叠加后的应力很大，再加上盘中心孔部位的几何不连续处的应力集中，某些部位的应力可能超过屈服极限，形成较大的塑性区。在停车时，转速趋于零，此时塑性区的材料不能完全恢复到原来的位置。周围弹性区的材料则力图恢复到原来位置，因而对处于塑性区的材料形成

3、挤压，即该塑性区的材料承受周向压应力。再加上此时涡轮盘轮缘温度低于轮盘中心孔部位温度，该塑性区材料承受的热应力也呈周向压应力，使涡轮盘中心孔部位出现负应力及反向屈服。此拉压反复的应力应变循环导致涡轮盘中心孔部位的低循环疲劳损伤，该损伤决定着涡轮盘的低循环疲劳寿命。（2）涡轮盘的蠕变／应力疲劳寿命随着航空技术的发展，涡轮盘轮缘，尤其是固定叶片榫头的凸缘部分工作温度很高，早已达到并超过了材料蠕变的临界温度。随时间的增长会产生不可恢复的蠕变变形，直至蠕变断裂。涡轮盘的寿命除采用循环数表示外，还要采用工作小时数表示

4、。具有相同循环寿命的不同涡轮盘不一定具有相同的使用小时数。较高的温度、较大的应力加上较长的驻留时间，是产生蠕变／应力断裂的三大要素，由此可见，涡轮盘的蠕变现象是不可避免的。因此，蠕变／应力断裂寿命也是涡轮盘定寿的关键指标之一。（3）涡轮盘的裂纹扩展寿命由于涡轮盘毛坯材料可能存在内部缺陷，或在加工过程中产生的裂纹，在使用过程中的疲劳或其他原因产生的裂纹，并在检验中漏检，或者是较短的裂纹在现有检验技术下很难检查到等，均会造成涡轮盘具有初始裂纹的情况。由于交变载荷的作用，涡轮盘的这种初始裂纹将继续扩展直至失稳，导

5、致涡轮盘失效。这就要求有初始裂纹的涡轮盘必须有足够的裂纹扩展寿命，以保证在检测间隔内发现裂纹，进行视情退役。如果涡轮盘有裂纹扩展寿命，对涡轮盘的使用在不降低可靠度的前提下会有更大的经3某航空发动机离心叶轮疲劳使用寿命与裂纹扩展分析济效益。1.4国内外研究现状金属疲劳的研究已有百余年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和

6、生产应用的需要。因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。疲劳现象的出现，始于19世纪初。产业革命以后随着蒸汽机车和机动运载工具的发展，以及机械设备的广泛应用，运动部件的破坏经常发生。破坏往往发生在构件的截面突变处，破坏处的名义应力不高，低于材料的抗拉强度和屈服点。破坏事故的原因一时使工程师们摸不着头脑，至到1829年德国采矿工程师W.A.S.Albert用矿山卷扬机焊接链条进行疲劳试验，破坏事故才被

7、阐明。1852年到1870年，德国工程师AugustWohler首次对疲劳进行了深入体统的试验研究，而且他设计出了第一台疲劳试验机，用来进行机车车轴疲劳试验，并首次对金属试样进行疲劳试验。他在1871年发表的论文中，系统地论述了疲劳寿命与循环应力的关系，提出了S-N曲线和疲劳极限的概念，确定了应力幅是疲劳破坏的主要因素。于此同时，其他工程师开始关注变幅载荷在桥梁、船舶、发电机中的问题。截止到1900年，与疲劳失效相关的论文已经发表80余篇。在20世纪初，人们更关注疲劳过程的机理而不仅仅观察疲劳结果。在20世

8、纪60年代末期和20世纪70年代初期，发展起来两种疲劳寿命估算方法。其一就是著名的Manson-Coffin局部应变法，此法试图描述和预测裂纹萌生寿命，奠定了低周疲劳的基础。另一种方法是基于线弹性断裂力学，它用来解释裂纹扩展。英格兰舍费尔德大学的Miller和他同事提出了金属疲劳的标准理论，该理论描述了微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展以及在结构水平下的裂纹扩展。在西方航空发达国家，发动机只有翻修寿命和零件寿命的概念。1