低循環疲勞對噴氣發動機輪盤壽命的影響

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

低循環疲勞對噴氣發動機輪盤壽命的影響

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

輪盤是航空發動機重要部件，承受高溫負荷及大推力載荷，工作環境十分惡劣。輪盤斷裂的碎片打穿機匣，可能破壞油路或控制系統，對飛行員及飛機造成嚴重威脅。為了確保飛行人員安全及發動機可靠運行，應從結構、材料、工藝、強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生。本文從影響盤體壽命的多方面因素進行分析，闡述了影響輪盤壽命的主要原因。

輪盤；低循環疲勞；壽命；影響因素

1　引言

在現代科學技術領域里，低循環疲勞越來越引起人們的重視，隨著技術的發展，疲勞問題日益顯示了其重要性，隨溫度的提高，更要求結構更能承受瞬時過程的頻率和激烈的程度。在航空發動機中，要求能在最大載荷下發出功率。因此，要求這些部件必須迅速地從準備工作狀態過渡到工作狀態，起動所引起的熱過程會嚴重的引起熱應力，這些熱應力以熱疲勞的形式重復著成為人們擔心的問題。實際情況是結構的損壞大多是由疲勞破壞所引起的，例如：英國“彗星”號客機在航線上連續發生的幾起事故就是因為該型飛機反復起飛和著陸過程中由于低循環疲勞引起的。此類事件在國際上甚多，據稱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，防止發動機輪盤的破壞，美國普拉特·惠特尼公司對其噴氣發動機的渦輪盤和壓氣機盤的壽命提出了限制，規定了壽命極限。而對發動機其它零部件只是規定在翻修過程中發現問題才予以報廢。這主要是考慮了影響發動機輪盤壽命的六個因素：極限強度、屈服強度、蠕變強度、高循環疲勞、金相變質、低循環疲勞。在這六個因素中，極限強度和屈服強度可以由發動機或試驗裝置經超速試驗得出，蠕變強度也可由試驗得出，若輪盤運行一段時間之后，蠕變成為一個因素時，輪盤就要發生變形，這樣在尺寸的限制下遠在危險點之間就報廢了。高循環疲勞只要限制應力，使測得的應力值諧波在一個比較低的水平，就可使輪盤不受壽命限制。經過計算，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千小時。金相變質影響輪盤的壽命，不過在設計和工藝方法上是可以控制的。

3　低循環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疲勞，因此盡管有時輪盤的外形及物理特性還顯得可以應用，也提出更換。這是因為我們無法確定輪盤在產生疲勞裂紋之前，它的疲勞壽命已經過了多少？而等到出現裂紋，則是很不保險的。低循環疲勞是研究當應力產生足以可觀的周期性塑性變形時，經過頻率比較低的循環（如10000或更少）后出現疲勞。這種疲勞狀態大體上出現在某些結構中（更普遍的是出現在局域區域內）例如在四角，圓孔附近和其他的應力集中狀態。圖1是一個典型的應力——循環次數曲線，縱坐標為振動或循環應力，橫坐標為該應力下疲勞破壞所需的循環次數。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。因為這樣快的振動，結果會使應力循環次數很快累計起來。我們必須注意，這種高頻振動既然存在，這種應力的水平則在有關材料的持久極限下。當零件具有像圖1右邊所示的持久極限以下的應力時，就可以無限期的工作。但在低循環疲勞情況下，我們講的是應力很高，經常使零件材料的局部區域產生塑性流動。具有這樣的應力時，一個很少的循環次數也會產生疲勞破壞，如圖1所示左側所示情況，這是估計輪盤壽命時必須十分重視的問題。在發動機每次起動并加速到最大功率時，輪盤承受著高速旋轉的離心力。同時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是飛機在跑道上起飛時，高壓壓氣機輪盤的典型的大溫度梯度。這樣高的溫度導致在輪盤的輪轂與輪輻處出現高的拉應力，這種熱應力與離心應力相疊加，在停車和冷卻時，這種熱脹縮倒過來，薄的輪緣冷的快，厚的輪轂冷的慢，這時輪轂的尺寸比輪緣允許它的尺寸要大，應力降低到最小，有時則會產生壓縮應力。這樣隨著每次點火，加速到限定的功率，停車和冷卻，輪盤受到很高的拉應力，到應力降低甚至改變成壓應力的應力變化過程。簡單地說飛機飛行一次，發動機輪盤就承受一次完全的應力循環。眾所周知，金屬的強度和延展性成反比關系，這樣對選擇輪盤材料時帶來了問題，從提高強度來考慮，則會使延展性降低，而延展性又是低循環疲勞中考慮的主要問題，要達到理想的低循環疲勞強度，需要盡量選擇延展性大的材料。但這將使蠕變強度降低，因此，在選擇輪盤材料時要予以充分考慮。試驗證明，疲勞壽命隨溫度的增加而降低，特別是在應變速度低的情況下，這個結果可以根據鋼在不同溫度下出現的沉積效應來解釋。

結論

綜上分析，低循環疲勞是造成輪盤斷裂的主要原因，因此，輪盤設計、研制及制造過程中，應充分考慮低循環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防技術。

[1]王衛國，卿華，杜文軍，等.多危險部位數目對輪盤低循環疲勞壽命的影響[C].第十三屆發動機結構強度振動學術會暨中國一航材料院50周年院慶系列學術會議，2006.

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