某发动机I级涡轮盘低循环疲劳寿命试验研究

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1、某发动机I级涡轮盘低循环疲劳寿命试验研究龚梦贤黄庆东肖育样古远兴赵行明曹风兰燃气涡轮研究所【擅耍】为了通过地坑式旋转疲劳试验器确定某发动机I级涡轮盘的技术寿命，根据该涡轮盘的标准循环载荷谱，对该涡轮盘进行了应力分析。确定了在标准循环时该盘中心孔与径向销孔相交处是危险区域(简称为考核部位)。为模拟标准循环时盘在该考核部位的应力谱，专门设计了该I级涡轮盘的试验转子及试验参数，在地坑式旋转疲劳试验器上，．对已装机工作了200小时的该I级涡轮盘旧盘进行了高温低循环疲劳试验。试验结果表明：该旧盘低循环疲劳试验

2、至第6047次循环时，在总共16个销孔当中，有5个销孔考核部位出现了裂纹．断口分析表明：该旧盘剩余的试验低循环疲劳失效寿命为6047周．1引言．为了确定某发动机I级涡轮盘的技术寿命，需要通过地坑式旋转疲劳试验器上的低循环疲劳试验，首先得到该轮盘的试验寿命，，进而考虑低循环疲劳寿命的分散性和飞行换算率，以最终得到置信度为95％，可靠度为99．87％的技术寿命。按照有关合同，需要在624研究所SB804轮盘低循环疲劳试验器上完成二个I级涡轮盘的高温低循环疲劳试验，一个是全新的I级涡轮盘，一个是己装机工作

3、了200小时，封严篦齿处产生了裂纹的旧盘。参考文献fl】、f2】介绍了I级涡轮盘新盘低循环疲劳试验情况。本文主要介绍I级涡轮盘J日盘低循环疲劳试验转子和试验参数设计，试验和试验结果分析。2试验转子该I级涡轮盘旧盘试验转子与新盘试验转子结构相同，如图1所示。图I中I级涡轮盘试验件是一个已装机工作了200小时，封严篦齿处产生了大量裂纹的旧盘。称靠冷气的篦齿为第1齿，靠燃气的为第3齿，中间为第2齿。这些裂纹主要产生在第2齿上，大约有115条，大多数裂纹径向深imm左右，最深的1条裂纹径向达3．Imm。试验

4、叶片是将合格的I级涡轮叶片从叶尖起切去叶身长度的46．5％以后的短叶片。转接盘模拟高压涡轮轴的轴头，开了16个径向销子孔，8个是盲孔，其中装有径向销子，在转按盘与I级涡轮盘试验件之间传递扭矩；另8个为通孔，未装销子，是为了通过这8个通孔检查I级涡轮盘试验件销子孔中可能出现的裂纹。盲孔与通孔是均布且交替排列的。止退环是为了阻止从径向销孔中退出的径向销子甩出去而设计的。其上均布有8个槽，这8个槽芷好对着I级涡轮盘试验件上未装销子的8个径向销孔，这样也是为了便于观察检查I级涡轮盘试验件径向销孔是否出了裂纹

5、。柔轴一端与转接盘相连，另一端通过莫氏锥与试验设备上的刚轴相连。3试验参数地坑式旋转疲劳试验器上I级涡轮盘旧盘试验件的应力水平应尽可能模拟一个标准循环过程中该发动机中I级涡轮盘危险部位的应力水平。122该发动机标准循环载荷谱提供：起动后第202秒I级涡轮盘转速为11425r／min，轮缘与轮心的正向温差达到最大值399℃；起动后第1774秒I级涡轮盘已停止转动，轮缘与轮心的反向温差达到最大值27℃。根据上述标准循环，对该发动机I级涡轮转子进行宕勺应力分析表明；该发动机I级涡轮盘中心孔与径向销孔相交的

6、区域在标准循环时是最危险的区域(简称为考核部位)，裂纹有可能从这里萌生，见图1中A点和c点。对销孔的三维应力分析表明：尤以销孔边A点周向应力最高。在本课题开题之初，同行专家对该发动机I级涡轮盘试验研究方案进行评审时就已经建议将I级涡轮盘的研究重点放在中心孔，兼顾径向销孔。本课题组所进行的应力分析表明：同行专家的上述建议是正确的。由于试验转子在地坑式旋转疲劳试验器上无法在转速循环的情况下模拟I级涡轮盘在标准循环时的温度场，因而也无法完全模拟I级涡轮盘在标准循环时的应力场。但是，为了_保证I级涡轮盘旧盘

7、试验件在地坑式旋转疲劳试验器上得到的试验寿命能可靠地反映其在发动机上经历标准循环时的寿命，则在设计试验参数时必须保证I级涡轮盘旧盘试验件与该发动机I级涡轮盘在考核部位的应力水平相同、温度相同。鉴于试验转子在地坑式旋转疲劳试验器上进行转速循环时只能将温度控制到在分布上接近等温、在时间上接近恒温自q状态，不随转速和时间变化而变化，故设计控制I级涡轮盘旧盘试验件考核部位的温度与该发动机起动后第202秒I级涡轮盘该处的温度相同，为250℃。经过实际调试，为了保持I级涡轮盘旧盘试验件考核部位的温度为250℃，

8、其轮缘温度必须控制为270℃。这洋引起了一个新的问题，即试验温度场与标准循环时该发动机I级涡轮盘的温度场相差甚远，’在考核部位的热应力几乎为零。为弥补I级涡轮盘旧盘试验件在考核部位热应力大大低于该发动机起动后第202秒I级涡轮盘考核部位的热应力，则应提高试验转速，达到增加离心应力的效果。另一方面，由于试验转速的提高，也会导致叶片和盘缘凸块离心力的提高，会使叶片槔头和盘缘凸块喉部截面的应力水平高出其在标准循环时的应力水平，有导致榫头或盘缘凸块这类非考核部位提前失效的危险