低循環(huán)疲勞對噴氣發(fā)動機(jī)輪盤壽命的影響

劉　偉　劉　濤　張蔭鰲　范秀杰（沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧　沈陽　110043）

低循環(huán)疲勞對噴氣發(fā)動機(jī)輪盤壽命的影響

劉偉劉濤張蔭鰲范秀杰
（沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110043）

輪盤是航空發(fā)動機(jī)重要部件，承受高溫負(fù)荷及大推力載荷，工作環(huán)境十分惡劣。輪盤斷裂的碎片打穿機(jī)匣，可能破壞油路或控制系統(tǒng)，對飛行員及飛機(jī)造成嚴(yán)重威脅。為了確保飛行人員安全及發(fā)動機(jī)可靠運(yùn)行，應(yīng)從結(jié)構(gòu)、材料、工藝、強(qiáng)度和振動等各方面采取積極措施，盡量防止輪盤裂紋故障的發(fā)生。本文從影響盤體壽命的多方面因素進(jìn)行分析，闡述了影響輪盤壽命的主要原因。

輪盤；低循環(huán)疲勞；壽命；影響因素

1　引言

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域里，低循環(huán)疲勞越來越引起人們的重視，隨著技術(shù)的發(fā)展，疲勞問題日益顯示了其重要性，隨溫度的提高，更要求結(jié)構(gòu)更能承受瞬時(shí)過程的頻率和激烈的程度。在航空發(fā)動機(jī)中，要求能在最大載荷下發(fā)出功率。因此，要求這些部件必須迅速地從準(zhǔn)備工作狀態(tài)過渡到工作狀態(tài)，起動所引起的熱過程會嚴(yán)重的引起熱應(yīng)力，這些熱應(yīng)力以熱疲勞的形式重復(fù)著成為人們擔(dān)心的問題。實(shí)際情況是結(jié)構(gòu)的損壞大多是由疲勞破壞所引起的，例如：英國“彗星”號客機(jī)在航線上連續(xù)發(fā)生的幾起事故就是因?yàn)樵撔惋w機(jī)反復(fù)起飛和著陸過程中由于低循環(huán)疲勞引起的。此類事件在國際上甚多，據(jù)稱80%的破壞是由于疲勞所引起的。

2　輪盤壽命的影響因素

為了保證飛行的安全，防止發(fā)動機(jī)輪盤的破壞，美國普拉特·惠特尼公司對其噴氣發(fā)動機(jī)的渦輪盤和壓氣機(jī)盤的壽命提出了限制，規(guī)定了壽命極限。而對發(fā)動機(jī)其它零部件只是規(guī)定在翻修過程中發(fā)現(xiàn)問題才予以報(bào)廢。這主要是考慮了影響發(fā)動機(jī)輪盤壽命的六個(gè)因素：極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、高循環(huán)疲勞、金相變質(zhì)、低循環(huán)疲勞。在這六個(gè)因素中，極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度可以由發(fā)動機(jī)或試驗(yàn)裝置經(jīng)超速試驗(yàn)得出，蠕變強(qiáng)度也可由試驗(yàn)得出，若輪盤運(yùn)行一段時(shí)間之后，蠕變成為一個(gè)因素時(shí)，輪盤就要發(fā)生變形，這樣在尺寸的限制下遠(yuǎn)在危險(xiǎn)點(diǎn)之間就報(bào)廢了。高循環(huán)疲勞只要限制應(yīng)力，使測得的應(yīng)力值諧波在一個(gè)比較低的水平，就可使輪盤不受壽命限制。經(jīng)過計(jì)算，上述四種因素，均不是影響輪盤壽命的主要因素。它們至少可以允許輪盤工作數(shù)千小時(shí)。金相變質(zhì)影響輪盤的壽命，不過在設(shè)計(jì)和工藝方法上是可以控制的。

3　低循環(huán)疲勞對輪盤壽命的影響

影響輪盤壽命的主要因素是低循環(huán)疲勞，因此盡管有時(shí)輪盤的外形及物理特性還顯得可以應(yīng)用，也提出更換。這是因?yàn)槲覀儫o法確定輪盤在產(chǎn)生疲勞裂紋之前，它的疲勞壽命已經(jīng)過了多少？而等到出現(xiàn)裂紋，則是很不保險(xiǎn)的。低循環(huán)疲勞是研究當(dāng)應(yīng)力產(chǎn)生足以可觀的周期性塑性變形時(shí)，經(jīng)過頻率比較低的循環(huán)（如10000或更少）后出現(xiàn)疲勞。這種疲勞狀態(tài)大體上出現(xiàn)在某些結(jié)構(gòu)中（更普遍的是出現(xiàn)在局域區(qū)域內(nèi)）例如在四角，圓孔附近和其他的應(yīng)力集中狀態(tài)。圖1是一個(gè)典型的應(yīng)力——循環(huán)次數(shù)曲線，縱坐標(biāo)為振動或循環(huán)應(yīng)力，橫坐標(biāo)為該應(yīng)力下疲勞破壞所需的循環(huán)次數(shù)。在高頻疲勞的情況下，我們注意的是零件每秒擺動幾百次的振動。因?yàn)檫@樣快的振動，結(jié)果會使應(yīng)力循環(huán)次數(shù)很快累計(jì)起來。我們必須注意，這種高頻振動既然存在，這種應(yīng)力的水平則在有關(guān)材料的持久極限下。當(dāng)零件具有像圖1右邊所示的持久極限以下的應(yīng)力時(shí)，就可以無限期的工作。但在低循環(huán)疲勞情況下，我們講的是應(yīng)力很高，經(jīng)常使零件材料的局部區(qū)域產(chǎn)生塑性流動。具有這樣的應(yīng)力時(shí)，一個(gè)很少的循環(huán)次數(shù)也會產(chǎn)生疲勞破壞，如圖1所示左側(cè)所示情況，這是估計(jì)輪盤壽命時(shí)必須十分重視的問題。在發(fā)動機(jī)每次起動并加速到最大功率時(shí)，輪盤承受著高速旋轉(zhuǎn)的離心力。同時(shí)還承受很大的溫度梯度，輪緣是較薄的，由暴露在熱氣流中，它很快的熱起來，并要脹大，而輪轂處既厚，又不直接接觸熱氣流，受熱慢的多，熱膨脹也慢的多。圖2是飛機(jī)在跑道上起飛時(shí)，高壓壓氣機(jī)輪盤的典型的大溫度梯度。這樣高的溫度導(dǎo)致在輪盤的輪轂與輪輻處出現(xiàn)高的拉應(yīng)力，這種熱應(yīng)力與離心應(yīng)力相疊加，在停車和冷卻時(shí)，這種熱脹縮倒過來，薄的輪緣冷的快，厚的輪轂冷的慢，這時(shí)輪轂的尺寸比輪緣允許它的尺寸要大，應(yīng)力降低到最小，有時(shí)則會產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。這樣隨著每次點(diǎn)火，加速到限定的功率，停車和冷卻，輪盤受到很高的拉應(yīng)力，到應(yīng)力降低甚至改變成壓應(yīng)力的應(yīng)力變化過程。簡單地說飛機(jī)飛行一次，發(fā)動機(jī)輪盤就承受一次完全的應(yīng)力循環(huán)。眾所周知，金屬的強(qiáng)度和延展性成反比關(guān)系，這樣對選擇輪盤材料時(shí)帶來了問題，從提高強(qiáng)度來考慮，則會使延展性降低，而延展性又是低循環(huán)疲勞中考慮的主要問題，要達(dá)到理想的低循環(huán)疲勞強(qiáng)度，需要盡量選擇延展性大的材料。但這將使蠕變強(qiáng)度降低，因此，在選擇輪盤材料時(shí)要予以充分考慮。試驗(yàn)證明，疲勞壽命隨溫度的增加而降低，特別是在應(yīng)變速度低的情況下，這個(gè)結(jié)果可以根據(jù)鋼在不同溫度下出現(xiàn)的沉積效應(yīng)來解釋。

結(jié)論

綜上分析，低循環(huán)疲勞是造成輪盤斷裂的主要原因，因此，輪盤設(shè)計(jì)、研制及制造過程中，應(yīng)充分考慮低循環(huán)疲勞對輪盤壽命造成的影響。提升輪盤壽命檢測及輪盤斷裂預(yù)防技術(shù)。

[1]王衛(wèi)國，卿華，杜文軍，等.多危險(xiǎn)部位數(shù)目對輪盤低循環(huán)疲勞壽命的影響[C].第十三屆發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度振動學(xué)術(shù)會暨中國一航材料院50周年院慶系列學(xué)術(shù)會議，2006.

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