某航空發(fā)動(dòng)機(jī)離心葉輪疲勞使用壽命與裂紋擴(kuò)展分析

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1、碩士學(xué)位論文（6）渦輪盤振動(dòng)開裂故障由于日益追求發(fā)動(dòng)機(jī)的高推重比，所以渦輪盤結(jié)構(gòu)日趨輕型化，在高溫和高載荷的工作條件下，渦輪盤振動(dòng)問題就顯得更為重要。輕而薄的渦輪盤不僅自身振動(dòng)嚴(yán)重，對工作葉片的振動(dòng)影響也很大。渦輪盤及其葉片的耦合振動(dòng)可以引起葉片振動(dòng)特性的改變，形成頻率比較密集、振形比較繁多的耦合振動(dòng)現(xiàn)象。1.3渦輪盤定壽的內(nèi)容渦輪盤應(yīng)該確定的壽命主要是與起落和飛行過程相關(guān)的低循環(huán)疲勞壽命及與工作時(shí)間相關(guān)的蠕變／應(yīng)力斷裂壽命。考慮到渦輪盤是斷裂關(guān)鍵件，其部分裂紋是可測的，故渦輪盤的壽命還應(yīng)該包括裂紋擴(kuò)展壽命

2、[11]。（1）渦輪盤的低循環(huán)疲勞壽命渦輪盤處于高溫、高轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)，承受著由渦輪葉片的離心力和輪盤本身的質(zhì)量離心力產(chǎn)生的離心應(yīng)力、由溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力及相關(guān)零件變形不協(xié)調(diào)所引起的附加應(yīng)力等。在發(fā)動(dòng)機(jī)加速過程中，渦輪盤中心孔部位的離心應(yīng)力和熱應(yīng)力均為周向拉伸應(yīng)力，二者疊加后的應(yīng)力很大，再加上盤中心孔部位的幾何不連續(xù)處的應(yīng)力集中，某些部位的應(yīng)力可能超過屈服極限，形成較大的塑性區(qū)。在停車時(shí)，轉(zhuǎn)速趨于零，此時(shí)塑性區(qū)的材料不能完全恢復(fù)到原來的位置。周圍彈性區(qū)的材料則力圖恢復(fù)到原來位置，因而對處于塑性區(qū)的材料形成

3、擠壓，即該塑性區(qū)的材料承受周向壓應(yīng)力。再加上此時(shí)渦輪盤輪緣溫度低于輪盤中心孔部位溫度，該塑性區(qū)材料承受的熱應(yīng)力也呈周向壓應(yīng)力，使渦輪盤中心孔部位出現(xiàn)負(fù)應(yīng)力及反向屈服。此拉壓反復(fù)的應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)導(dǎo)致渦輪盤中心孔部位的低循環(huán)疲勞損傷，該損傷決定著渦輪盤的低循環(huán)疲勞壽命。（2）渦輪盤的蠕變／應(yīng)力疲勞壽命隨著航空技術(shù)的發(fā)展，渦輪盤輪緣，尤其是固定葉片榫頭的凸緣部分工作溫度很高，早已達(dá)到并超過了材料蠕變的臨界溫度。隨時(shí)間的增長會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的蠕變變形，直至蠕變斷裂。渦輪盤的壽命除采用循環(huán)數(shù)表示外，還要采用工作小時(shí)數(shù)表示

4、。具有相同循環(huán)壽命的不同渦輪盤不一定具有相同的使用小時(shí)數(shù)。較高的溫度、較大的應(yīng)力加上較長的駐留時(shí)間，是產(chǎn)生蠕變／應(yīng)力斷裂的三大要素，由此可見，渦輪盤的蠕變現(xiàn)象是不可避免的。因此，蠕變／應(yīng)力斷裂壽命也是渦輪盤定壽的關(guān)鍵指標(biāo)之一。（3）渦輪盤的裂紋擴(kuò)展壽命由于渦輪盤毛坯材料可能存在內(nèi)部缺陷，或在加工過程中產(chǎn)生的裂紋，在使用過程中的疲勞或其他原因產(chǎn)生的裂紋，并在檢驗(yàn)中漏檢，或者是較短的裂紋在現(xiàn)有檢驗(yàn)技術(shù)下很難檢查到等，均會(huì)造成渦輪盤具有初始裂紋的情況。由于交變載荷的作用，渦輪盤的這種初始裂紋將繼續(xù)擴(kuò)展直至失穩(wěn)，導(dǎo)

5、致渦輪盤失效。這就要求有初始裂紋的渦輪盤必須有足夠的裂紋擴(kuò)展壽命，以保證在檢測間隔內(nèi)發(fā)現(xiàn)裂紋，進(jìn)行視情退役。如果渦輪盤有裂紋擴(kuò)展壽命，對渦輪盤的使用在不降低可靠度的前提下會(huì)有更大的經(jīng)3某航空發(fā)動(dòng)機(jī)離心葉輪疲勞使用壽命與裂紋擴(kuò)展分析濟(jì)效益。1.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀金屬疲勞的研究已有百余年的歷史，有相當(dāng)多的學(xué)者和工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究，得到了許多關(guān)于金屬疲勞損傷和斷裂的理論及有關(guān)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)。但是由于疲勞破壞的影響因素多而復(fù)雜并且這些因素互相影響又與構(gòu)件的實(shí)際情況密切相關(guān)，使得其應(yīng)用性成果尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程設(shè)計(jì)和

6、生產(chǎn)應(yīng)用的需要。因此，在21世紀(jì)的今天，尤其是在高速和大功率化的新產(chǎn)品的開發(fā)制造中，其疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命的設(shè)計(jì)十分重要，并且往往需要同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。疲勞現(xiàn)象的出現(xiàn)，始于19世紀(jì)初。產(chǎn)業(yè)革命以后隨著蒸汽機(jī)車和機(jī)動(dòng)運(yùn)載工具的發(fā)展，以及機(jī)械設(shè)備的廣泛應(yīng)用，運(yùn)動(dòng)部件的破壞經(jīng)常發(fā)生。破壞往往發(fā)生在構(gòu)件的截面突變處，破壞處的名義應(yīng)力不高，低于材料的抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)。破壞事故的原因一時(shí)使工程師們摸不著頭腦，至到1829年德國采礦工程師W.A.S.Albert用礦山卷揚(yáng)機(jī)焊接鏈條進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，破壞事故才被

7、闡明。1852年到1870年，德國工程師AugustWohler首次對疲勞進(jìn)行了深入體統(tǒng)的試驗(yàn)研究，而且他設(shè)計(jì)出了第一臺(tái)疲勞試驗(yàn)機(jī)，用來進(jìn)行機(jī)車車軸疲勞試驗(yàn)，并首次對金屬試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。他在1871年發(fā)表的論文中，系統(tǒng)地論述了疲勞壽命與循環(huán)應(yīng)力的關(guān)系，提出了S-N曲線和疲勞極限的概念，確定了應(yīng)力幅是疲勞破壞的主要因素。于此同時(shí)，其他工程師開始關(guān)注變幅載荷在橋梁、船舶、發(fā)電機(jī)中的問題。截止到1900年，與疲勞失效相關(guān)的論文已經(jīng)發(fā)表80余篇。在20世紀(jì)初，人們更關(guān)注疲勞過程的機(jī)理而不僅僅觀察疲勞結(jié)果。在20世

8、紀(jì)60年代末期和20世紀(jì)70年代初期，發(fā)展起來兩種疲勞壽命估算方法。其一就是著名的Manson-Coffin局部應(yīng)變法，此法試圖描述和預(yù)測裂紋萌生壽命，奠定了低周疲勞的基礎(chǔ)。另一種方法是基于線彈性斷裂力學(xué)，它用來解釋裂紋擴(kuò)展。英格蘭舍費(fèi)爾德大學(xué)的Miller和他同事提出了金屬疲勞的標(biāo)準(zhǔn)理論，該理論描述了微觀裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展以及在結(jié)構(gòu)水平下的裂紋擴(kuò)展。在西方航空發(fā)達(dá)國家，發(fā)動(dòng)機(jī)只有翻修壽命和零件壽命的概念。1