單晶高渦葉片高溫振動疲勞試驗研究

杜傳宇，姜 睿，杜鵬飛，劉躍聰，楊洪旭

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，遼寧 沈陽 110015)

1 引 言

航空發(fā)動機高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片長期在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的條件下工作，除承受轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力載荷、氣動力產(chǎn)生的氣動載荷外，還承受溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力[1]。當(dāng)氣流激勵頻率與葉片固有頻率一致時還會發(fā)生較大應(yīng)力的共振，葉片長時間在共振狀態(tài)下工作，將產(chǎn)生疲勞損傷。因此，通過高循環(huán)疲勞試驗確定發(fā)動機葉片的疲勞強度，發(fā)現(xiàn)葉片結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，這對提升發(fā)動機的可靠性具有重要的作用。

單晶高渦葉片在常溫和高溫下的疲勞性能有較大的差距[2]。為了摸清葉片在工作狀態(tài)下的高循環(huán)疲勞強度，需進行高溫振動疲勞試驗。目前，國內(nèi)開展高溫疲勞試驗主要采用電爐和石英燈等設(shè)備，通過熱輻射的方式對試驗件進行加溫。韓增祥等[3]用電爐-水冷的方式研究了測定熱障涂層熱疲勞抗力的試驗方法，王則力等[4]應(yīng)用石英燈加熱的方式實現(xiàn)了渦輪葉片熱沖擊疲勞特性試驗的熱環(huán)境模擬。

近年來，高頻感應(yīng)加熱作為一種新的加熱方法，越來越多地應(yīng)用于大型鋼結(jié)構(gòu)成型工藝[5，6]和熱疲勞試驗研究中。相較于電爐和石英加熱方式，感應(yīng)加熱技術(shù)具有加熱速度快、效率高、易于實現(xiàn)目標溫度梯度分布、試驗參數(shù)方便測量等優(yōu)點[7]。李鳴等[8]通過仿真分析，給出了電磁感應(yīng)線圈壁厚對加熱效率的影響規(guī)律。梁文等[9]設(shè)計了感應(yīng)線圈，并使用U形鐵氧體精細調(diào)節(jié)溫度，完成了渦輪葉片的熱機疲勞試驗。王洪斌[10]設(shè)計了一種感應(yīng)加熱裝置，實現(xiàn)了真實渦輪葉片的熱/機復(fù)合疲勞試驗。

感應(yīng)加熱在熱疲勞領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在低循環(huán)疲勞試驗，對于在均勻溫度場下進行渦輪葉片高溫高循環(huán)疲勞試驗的研究相對較少。國外一些技術(shù)較先進的公司已將此項技術(shù)應(yīng)用于葉片高溫振動疲勞試驗，但并未公布詳細的技術(shù)資料。

本文針對某發(fā)動機高渦葉片高循環(huán)疲勞失效故障，研究了單晶材料高渦葉片高溫振動疲勞試驗的加溫方式，介紹了應(yīng)用高頻感應(yīng)加溫設(shè)備進行渦輪葉片高溫振動疲勞試驗的試驗方法。根據(jù)前期的試驗研究和故障定位確定了加溫范圍，實現(xiàn)了目標區(qū)域內(nèi)葉片均勻溫場的施加，并通過定位工裝和閉環(huán)控制確保了溫場的精確性。在此基礎(chǔ)上，完成了450℃和900℃下某發(fā)動機單晶材料高渦葉片的振動疲勞試驗。

2 葉片感應(yīng)加溫實現(xiàn)方式

2.1 感應(yīng)加溫原理

感應(yīng)加溫技術(shù)是利用電磁感應(yīng)原理，通過高頻交變電流產(chǎn)生交變電磁場，磁場穿過金屬葉片時在正交截面產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該電動勢可由下式表示：

(1)

式中，?為磁通量，t為時間，e為感應(yīng)電動勢。

葉片內(nèi)的渦流If為：

(2)

式中，E為感應(yīng)電動勢e的有效值，Z為渦流回路內(nèi)的阻抗。

葉片內(nèi)的感應(yīng)電動勢會產(chǎn)生感應(yīng)渦流，根據(jù)焦耳定律，渦流在導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生熱量，從而實現(xiàn)對葉片的加熱。產(chǎn)生的熱量Q由下式計算：

(3)

由以上公式可知，感應(yīng)加熱過程中葉片的加熱取決于葉片內(nèi)磁通量的變化規(guī)律和加溫時間。

2.2 感應(yīng)線圈設(shè)計

根據(jù)高渦葉片的結(jié)構(gòu)形式，選擇圖1所示的縱向磁通加熱方式。感應(yīng)線圈采用空心銅管圍繞渦輪葉片外表面螺旋形繞制。研究表明，螺旋形加熱線圈有較高的加熱效率[11]。為防止加熱過程中線圈過熱燒壞，銅管內(nèi)部通以冷卻循環(huán)水。為確保線圈與外界絕緣，在線圈表面加玻璃絲套管。

圖1 縱向磁通加熱

端部效應(yīng)[12]是指感應(yīng)線圈對其內(nèi)部工件端部加熱功率的影響，其影響規(guī)律如圖2所示。為實現(xiàn)加溫區(qū)域的溫度分布要求，線圈的覆蓋范圍應(yīng)當(dāng)大于試驗件的加溫區(qū)域。

圖2 端部效應(yīng)示意圖

3 葉片加溫區(qū)域分析

3.1 最大應(yīng)力區(qū)分析

為了分析葉片的最大應(yīng)力區(qū)域，對葉片一彎狀態(tài)的應(yīng)力分布進行了試驗和仿真分析。試驗分析采用應(yīng)變電測法，圖3為應(yīng)力分布試驗應(yīng)變片粘貼位置，在葉片盆側(cè)的進排氣邊和葉片背側(cè)的最大厚度位置粘貼應(yīng)變片。試驗時調(diào)節(jié)激振頻率，使葉片保持一彎振動，記錄每個應(yīng)變片的應(yīng)變值和相位差，繪制應(yīng)力分布圖，圖4為試驗獲取的相對應(yīng)力分布結(jié)果。試驗結(jié)果表明，葉片相對應(yīng)力較大區(qū)域位于葉片盆側(cè)根部，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果(如圖5所示)相吻合。

圖3 應(yīng)力分布貼片位置

圖4 相對應(yīng)力分布曲線

圖5 應(yīng)力分布圖

3.2 室溫振動疲勞試驗結(jié)果

在高溫試驗前，進行了室溫條件下相同批次葉片的振動疲勞試驗，獲取了循環(huán)數(shù)為2×107時葉片的最低疲勞極限(為70MPa)，并對破壞的葉片進行了失效分析。分析結(jié)果表明，葉片失效位置主要分布在葉背側(cè)根部前兩排氣膜孔以及擾流柱根部，如圖6所示。

圖6 室溫疲勞試驗破壞位置

3.3 葉片加溫區(qū)域

結(jié)合葉片的故障位置和前期室溫條件下疲勞試驗的破壞位置，確定葉片加溫區(qū)域(如圖7所示)。試驗時，應(yīng)確保加溫區(qū)域內(nèi)溫場均勻。

圖7 加溫區(qū)示意圖

4 試驗方法

4.1 溫度場調(diào)節(jié)

高溫試驗應(yīng)首先調(diào)節(jié)試驗溫場，先取一個與正式試驗件同批次的葉片作為溫場調(diào)節(jié)試件，通過在葉片表面安裝熱電偶的方式測量葉片的溫度場。根據(jù)加溫區(qū)域的要求，在重點關(guān)注區(qū)域安裝7個熱電偶，如圖8中T1～T7所示。為盡量確保葉片溫場均勻，在葉身安裝T8熱電偶測點。

圖8 熱電偶分布圖

試驗中通過調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱頻率、輸出功率以及線圈與葉片的相對位置來調(diào)節(jié)溫場。由于葉片加熱方式主要為傳導(dǎo)式加熱，因此，溫場的穩(wěn)定需要一定時間。經(jīng)驗表明，渦輪葉片在30min后溫場趨于穩(wěn)定，最終溫場結(jié)果見表1。

表1 溫場調(diào)試結(jié)果

續(xù)表1

4.2 高溫試驗標定方法

根據(jù)理論力學(xué)可以證明，等截面懸臂梁一階彎曲振動時，固持端截面的最大彎曲應(yīng)力為[13]：

(4)

即：

(5)

由式(5)可以看出，振動應(yīng)力σ與振幅和頻率的乘積af成線性關(guān)系。因此，可用af作為衡量振動應(yīng)力的主要參數(shù)。常溫試驗中，可以直接通過σ-af關(guān)系標定，得到葉片的擬合曲線σ=R(af)，R為標定系數(shù)。

目前，國產(chǎn)高溫應(yīng)變片的測量誤差較大，因此，應(yīng)避免采用高溫應(yīng)變片直接標定，可以先使用常溫應(yīng)變片獲得常溫狀態(tài)下的標定系數(shù)R1，經(jīng)換算得到高溫下的標定系數(shù)R2。式(6)和式(7)分別為常溫和高溫的標定關(guān)系：

σ1=εE1=R1af1

(6)

σ2=εE2=R2af2

(7)

式中，E1、f1為常溫彈性模量和常溫固有頻率，E2、f2為高溫彈性模量和高溫固有頻率。

兩式相除可得：

(8)

(9)

據(jù)此可得常溫和高溫標定系數(shù)的換算關(guān)系。

4.3 試驗標定結(jié)果

為確保標定系數(shù)的可靠度較高，試驗選取3個葉片在一彎振型下標定，每個葉片測定4個等級的最大應(yīng)力點應(yīng)力和葉尖振幅，并用最小二乘法擬合得到常溫標定系數(shù)R[15]。葉片的振動應(yīng)力與振幅標定結(jié)果見圖9，常溫狀態(tài)下通過試驗獲得的標定結(jié)果為R=0.2148af。通過式(9)，換算得到450℃溫場下葉片的標定關(guān)系為σ=0.2027af，900℃溫場下葉片的標定關(guān)系為σ=0.1821af。

圖9 常溫應(yīng)力-振幅標定結(jié)果

4.4 試驗過程控制

試驗過程中，如果葉片破壞，需更換下一葉片繼續(xù)試驗。為保證每個葉片的溫場相同，試驗過程中采用“夾具定位+閉環(huán)控制”的方法控制葉片溫度和溫場精度。

夾具定位是為了確保更換葉片過程中葉片與感應(yīng)線圈以及紅外測溫儀的相對位置不變，從而實現(xiàn)葉片溫場不變。帶定位的夾具設(shè)計如圖10所示，通過定位槽道和頂片形成左右和前后位置的調(diào)節(jié)和固定。

圖10 定位夾具

閉環(huán)控制是為了在試驗中保證葉片的溫度精度。溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)由紅外測溫儀和溫度控制系統(tǒng)組成，試驗中通過紅外測溫儀實時測量葉片的溫度并反饋給溫度控制系統(tǒng)，根據(jù)葉片溫度的變化自動調(diào)整感應(yīng)線圈內(nèi)的電流強度，使葉片的溫度保持在目標值，溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)見圖11。

圖11 溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)

4.5 試驗結(jié)果

高渦葉片一彎振動疲勞試驗?zāi)繕搜h(huán)數(shù)為2×107。在450℃、120MPa應(yīng)力等級條件下，連續(xù)6片葉片通過了目標循環(huán)數(shù)而未發(fā)生疲勞失效。在900℃條件下進行了2片葉片疲勞試驗，其中1片在120MPa失效，1片在100MPa失效。經(jīng)檢驗，破壞位置與常溫疲勞試驗的破壞位置相同。

5 結(jié) 論

通過某單晶材料高渦葉片的高溫振動疲勞試驗，介紹了一種基于感應(yīng)加熱原理的高溫高循環(huán)疲勞試驗方法，試驗得到以下結(jié)論：

(1)感應(yīng)線圈加溫可實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)溫場均勻。

(2)運用常溫標定系數(shù)與高溫標定系數(shù)的換算關(guān)系，可以實現(xiàn)高溫下通過葉尖振幅控制葉片的振動應(yīng)力。

(3)通過“夾具定位+閉環(huán)控制”的方式，可以保證溫場和溫度的精度。

(4)本試驗選用的單晶材料高渦葉片在450℃時的疲勞性能優(yōu)于室溫下的疲勞性能，疲勞強度提升約70%；在900℃時，其疲勞性能相較于450℃時有所下降。