高溫度梯度輪盤低循環(huán)疲勞試驗件設(shè)計方法

高仁衡，曹廷云，沈 蓮，張 根，林淑環(huán)，古遠(yuǎn)興

（中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500）

0 引言

低循環(huán)疲勞失效是航空發(fā)動機使用過程中最嚴(yán)重和耗資最大的問題之一。然而，對于像輪盤這樣工作在高溫高壓環(huán)境中且?guī)в新菟住⑼饪椎热菀桩a(chǎn)生應(yīng)力集中的發(fā)動機構(gòu)件，一旦失效，就會發(fā)生機毀人亡的災(zāi)難性事故[1-3]，因此其低循環(huán)疲勞壽命的考核極為重要。目前各種疲勞壽命預(yù)測方法分析出的結(jié)果分散度較大，還不能準(zhǔn)確地預(yù)測輪盤的壽命[4-6]，所以進(jìn)行輪盤的低循環(huán)疲勞試驗研究是預(yù)測其安全循環(huán)壽命的必經(jīng)之路[7-9]，而輪盤低循環(huán)疲勞試驗件設(shè)計是試驗研究的必要前提。

國內(nèi)外均在發(fā)動機設(shè)計規(guī)范[8-10]中明確了輪盤要按照安全循環(huán)壽命進(jìn)行設(shè)計的要求，并積極開展輪盤低循環(huán)疲勞試驗。PW 公司的輪盤疲勞壽命設(shè)計系統(tǒng)有15000 個材料低循環(huán)疲勞試驗數(shù)據(jù)和1500 個輪盤低循環(huán)疲勞試驗數(shù)據(jù)支持[11]，RR 公司根據(jù)多年輪盤疲勞試驗研究成果，在假設(shè)疲勞壽命服從對數(shù)正態(tài)分布的基礎(chǔ)上，給出了考慮輪盤疲勞壽命散度的S-N 曲線和分散系數(shù)典型值[12-13]，俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院（CIAM）也積累了100 多個輪盤超轉(zhuǎn)、破裂和低循環(huán)疲勞試驗數(shù)據(jù)。中國航空類院所也開展了大量的研究工作，在輪盤低循環(huán)疲勞壽命預(yù)測方法的基礎(chǔ)上，通過修正總應(yīng)變壽命方程中關(guān)鍵參數(shù)的確定方法，并且考慮尺寸效應(yīng)和應(yīng)力梯度對壽命的影響，最終確立了一種輪盤疲勞壽命評估方法[14-15]。然而開展輪盤的低循環(huán)疲勞試驗是確定其壽命最可靠的方法。中國從最初開展單級渦輪盤低循環(huán)疲勞試驗到2 級渦輪盤聯(lián)合低循環(huán)疲勞壽命試驗[16]，再到模擬扭矩載荷作用、軸向力的渦輪盤低循環(huán)疲勞壽命試驗，都證明試驗技術(shù)在向著模擬發(fā)動機最真實工作狀態(tài)的方向發(fā)展。

隨著發(fā)動機推重比的日益提高，輪盤所受的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速載荷日益苛刻。尤其是輪盤徑向溫度梯度日益增加，熱應(yīng)力越來越大，導(dǎo)致輪盤低循環(huán)疲勞試驗設(shè)計難度越來越大。本文對國內(nèi)外輪盤低循環(huán)疲勞試驗件設(shè)計方法開展研究，提煉總結(jié)出高溫度梯度輪盤低循環(huán)試驗件設(shè)計方法，解決輪盤低循環(huán)試驗件設(shè)計中的難點，可為航空發(fā)動機研制過程中類似的試驗件設(shè)計作指導(dǎo)。

1 輪盤低循環(huán)疲勞試驗件設(shè)計難點及解決方法

輪盤的低循環(huán)疲勞試驗是確定輪盤關(guān)鍵部位安全壽命的基本方法，試驗既可以在發(fā)動機上進(jìn)行，也可以在各種試驗器上進(jìn)行?？紤]到時間和經(jīng)費的問題，大多數(shù)低循環(huán)疲勞試驗是在試驗器上進(jìn)行。

輪盤的低循環(huán)疲勞試驗載荷通常由轉(zhuǎn)速載荷和溫度載荷組成，上限轉(zhuǎn)速載荷由關(guān)鍵部位的應(yīng)力（離心應(yīng)力+熱應(yīng)力）確定，試驗循環(huán)下限轉(zhuǎn)速通常取為上限轉(zhuǎn)速的5%。受試驗設(shè)備的限制，輪盤的低循環(huán)疲勞試驗中溫度載荷通常取關(guān)鍵部位的溫度，施加均勻溫度。

限制壽命的高應(yīng)力區(qū)不止1 個，輪盤通常有多個關(guān)鍵部位，即多個限制壽命的高應(yīng)力區(qū)——中心孔、輪緣和偏心孔等。要綜合考慮各高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)裂紋后對輪盤的損傷程度，選擇損傷程度最大的作為考核位置。英國發(fā)動機DEFSTAN 00-971 中指出輪盤低循環(huán)疲勞試驗優(yōu)先選擇中心孔作為考核位置，這是由于起源于中心孔部位的破壞，裂紋會迅速貫穿整個輪盤，后果嚴(yán)重，必須給出安全壽命。

高溫度梯度輪盤在不均勻的溫度分布下產(chǎn)生熱應(yīng)力，與機械應(yīng)力一起隨發(fā)動機的循環(huán)使用而變化，加劇零件的疲勞損傷。由于目前試驗器中無法實現(xiàn)溫度梯度的循環(huán)，高溫度梯度在中心孔位置產(chǎn)生的熱應(yīng)力只能通過離心載荷來模擬。

當(dāng)考核位置為中心孔時，可以選擇模擬葉片代替真實葉片，以便降低輪緣的負(fù)荷，通過提高試驗轉(zhuǎn)速來模擬中心孔的應(yīng)力。

試驗件中壽命限制位置轉(zhuǎn)移，在輪盤試驗過程中通過提高試驗轉(zhuǎn)速來模擬溫度梯度引起的熱應(yīng)力，導(dǎo)致試驗轉(zhuǎn)速較發(fā)動機設(shè)計轉(zhuǎn)速提高很多，輪盤上某些非考核位置應(yīng)力遠(yuǎn)高于考核位置應(yīng)力，壽命限制位置轉(zhuǎn)移，無法考核到發(fā)動機考核部位的壽命。為防止非考核部位先于考核位置破壞，在不影響考核位置局部應(yīng)力特征的前提下，可以改變非考核部位的局部結(jié)構(gòu)。

2 輪盤低循環(huán)疲勞試驗設(shè)計思路

輪盤低循環(huán)試驗件設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 輪盤低循環(huán)疲勞試驗設(shè)計思路流程

3 低循環(huán)疲勞試驗件設(shè)計實例

某被試件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在被試件考核狀態(tài)下盤心溫度為200 ℃，盤緣溫度為500 ℃，徑向溫差達(dá)300 ℃。

3.1 應(yīng)力集中關(guān)鍵部位統(tǒng)計

被試件結(jié)構(gòu)設(shè)計中孔、槽等易出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置統(tǒng)計見表1，具體位置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 被試件結(jié)構(gòu)

表1 被試件低循環(huán)疲勞壽命較低位置

圖3 關(guān)鍵位置

3.2 低循環(huán)疲勞壽命分析方法

在某被試件低循環(huán)疲勞試驗件設(shè)計中，鑒于各應(yīng)力較大位置實際應(yīng)力狀態(tài)為多軸應(yīng)力狀態(tài)，為盡可能準(zhǔn)確分析低循環(huán)疲勞壽命，對各應(yīng)力較大位置進(jìn)行多軸應(yīng)力分析，壽命分析按多軸應(yīng)力下的通用斜率公式計算

在多軸應(yīng)力狀態(tài)下等效應(yīng)力不能直接相加減，因此在確定載荷循環(huán)過程中的應(yīng)力幅、應(yīng)變幅和平均應(yīng)力時，必須采用多軸疲勞等效應(yīng)變破壞準(zhǔn)則中的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力。

多軸疲勞等效應(yīng)變破壞準(zhǔn)則中的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力的確定過程如下。

彈性應(yīng)力范圍為

其中

式中：Δσij為ij方向的彈性應(yīng)力（i=1、2、3，j=1、2、3）。

上標(biāo)load 表示低循環(huán)疲勞峰值狀態(tài)解，unload 表示低循環(huán)疲勞谷值狀態(tài)解

當(dāng)σmax＜σ0.2時，平均應(yīng)力估算為

其中

否則

當(dāng)前大合同貨源到港較為緩慢，港口鉀可售現(xiàn)貨較為緊俏；青海地區(qū)廠家?guī)齑婢S持低位，邊貿(mào)鉀到貨量較少；雖實際需求無明顯起色，但貿(mào)易商對鉀肥后市看好，國內(nèi)鉀肥價格維持高位。下游復(fù)合肥企業(yè)陸續(xù)召開冬儲訂貨會，冬儲潛在需求正在釋放，國內(nèi)鉀肥價格存在上漲可能；國際鉀肥中后期訂單主要以中國、印度合同訂單為主，價格可能趨穩(wěn)。綜上預(yù)計，短期內(nèi)國內(nèi)氯化鉀價格將守穩(wěn)盤整，重點關(guān)注港口鉀到貨速度及到貨量。

式中：σijm為ij方向的平均彈性應(yīng)力（i=1、2、3，j=1、2、3）。

3.3 考核狀態(tài)低循環(huán)疲勞壽命分析結(jié)果

基于多軸應(yīng)力下的通用斜率公式低循環(huán)疲勞壽命分析方法，對某被試件考核狀態(tài)各應(yīng)力集中部位低循環(huán)疲勞壽命進(jìn)行統(tǒng)計，見表2。

表2 考核狀態(tài)下各部位低循環(huán)疲勞壽命統(tǒng)計

從表中可見，被試件在考核狀態(tài)下下中心孔、端齒螺栓孔、榫槽的低循環(huán)疲勞壽命較低。鑒于中心孔位置應(yīng)力梯度小，大應(yīng)力區(qū)域面積大，本次試驗件設(shè)計以中心孔為考核目標(biāo)，兼顧端齒螺栓孔和榫槽。

3.4 試驗件設(shè)計

3.4.1 試驗件設(shè)計難點及解決方案

（1）難點1：試驗件徑向溫差為300 ℃，如圖4所示，僅溫度載荷在盤心位置引起的熱應(yīng)力為300 MPa。由于目前受試驗條件的限制，無法對試驗件施加徑向溫差并隨轉(zhuǎn)速循環(huán)。

解決方案：通過提高試驗轉(zhuǎn)速，由離心載荷補償熱載荷，提高中心孔應(yīng)力。

（2）難點2：試驗轉(zhuǎn)速提高后，輪盤的破裂轉(zhuǎn)速儲備為1.0，試驗存在風(fēng)險。

圖4 被試件考核狀態(tài)溫度分布

解決方案：為提高輪盤破裂轉(zhuǎn)速儲備，需降低輪緣載荷，通過模擬葉片代替真實葉片的方案降低輪緣載荷，經(jīng)分析，模擬葉片離心載荷為真實葉片離心載荷的60%時，輪盤破裂轉(zhuǎn)速儲備為1.15，滿足試驗要求。

表3 轉(zhuǎn)速提高前后局部位置應(yīng)力變化對比

解決方案：鑒于被試件前后掛鉤處、前擋板通氣孔、前后擋板周向定位槽、前封嚴(yán)環(huán)周向定位槽這些位置距離考核位置較遠(yuǎn)，且在考核狀態(tài)下這些位置應(yīng)力不大，壽命較長。為保證中心孔為本試驗的壽命考核部位，對這些位置進(jìn)行處理，以達(dá)到考核中心孔的目的。

對被試件做如下處理，如圖5 所示，處理后各位置峰值應(yīng)力見表4。

圖5 試驗件補加工

表4 被試件處理前后局部位置應(yīng)力變化對比

（1）前后掛鉤處圓形缺口半徑由原先的5.0 mm加大至40.0 mm，減少此位置的應(yīng)力集中，去掉后掛鉤平衡銷釘孔，減小此處應(yīng)力集中；

（2）前擋板更換為模擬前擋板，模擬前擋板無通氣孔和篦齒；

（3）試驗件前鼓筒上篦齒盤周向定位槽補加工，槽深留1 mm；

（4）前、后擋板上的周向定位槽補加工，車平凹槽。

3.4.2 試驗件設(shè)計方案

低循環(huán)疲勞試驗件結(jié)構(gòu)如圖6 所示。其試驗參數(shù)：試驗溫度為200℃；試驗谷值轉(zhuǎn)速為1000 r/min，試驗峰值轉(zhuǎn)速為20000 r/min。

在被試件在考核狀態(tài)與試驗狀態(tài)下低循環(huán)疲勞壽命對比分析見表5。

圖6 試驗件結(jié)構(gòu)

表5 被試件低循環(huán)疲勞壽命對比

從表中可見，中心孔位置在試驗狀態(tài)與考核狀態(tài)下的低循環(huán)疲勞壽命相當(dāng)，榫槽、端齒螺栓孔的低循環(huán)疲勞壽命在試驗狀態(tài)下的稍低于在考核狀態(tài)下的。本試驗以中心孔位置低循環(huán)疲勞壽命為設(shè)計基準(zhǔn)，榫槽、端齒螺栓孔考慮為加速試驗。

3.4.3 試驗安全性分析

為保證被試件在試驗過程中的安全，對試驗過程中輪盤的破裂轉(zhuǎn)速儲備進(jìn)行評估。

在試驗狀態(tài)下，被試件、轉(zhuǎn)接盤的破裂轉(zhuǎn)速儲備均大于1.15，在試驗過程中各止口配合可靠。

本輪盤低循環(huán)試驗件按照上述設(shè)計方案順利完成壽命考核試驗，試驗后被試件經(jīng)熒光檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋，試驗結(jié)果有效。

4 結(jié)論

（1）高溫度梯度輪盤高應(yīng)力區(qū)不只1 個時，要綜合考慮各高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)裂紋后對輪盤的損傷程度，選擇損傷程度最大的作為考核位置；

（2）當(dāng)考核位置為中心孔時，可以選擇模擬葉片代替真實葉片，以降低輪緣負(fù)荷，通過提高試驗轉(zhuǎn)速來模擬中心孔應(yīng)力；

（3）為防止其它部位先于考核位置破壞，在不影響考核部位應(yīng)力特性的前提下，可以改變非考核位置局部結(jié)構(gòu)。