某低壓渦輪轉子葉片故障再現疲勞試驗驗證

范秀杰　劉濤　經留洋

摘 要：某低壓渦輪轉子葉片在外場使用過程中出現斷裂故障，為了驗證故障原因及斷裂部位，根據試驗技術文件，進行了故障再現疲勞試驗驗證。

關鍵詞：低壓渦輪葉片；疲勞試驗；驗證

1 概述

渦輪轉子葉片是決定發動機壽命的主要零件之一，是將高溫燃氣的能量轉變為機械能量的重要零件。工作時它不僅被經常變化的高溫燃氣所包圍，并且還承受著巨大的離心力、氣動載荷、振動負荷及高溫燃氣的侵蝕，因而渦輪轉子葉片的工作環境非常惡劣。

某低壓渦輪轉子葉片在外場使用過程中出現斷裂故障，為了驗證故障原因及斷裂部位，我們進行了故障再現疲勞試驗驗證。

2 測試系統

測試系統由電磁振動臺、應力測量系統、振幅測量系統等組成。

3 試驗件及試驗狀態

（1）試驗件由葉片使用單位提供，為故障機葉片，共計6件。

（2）疲勞試驗的振動載荷：180MPa。

（3）疲勞試驗的循環次數：2×107。

（4）邊界條件：葉片榫頭處夾緊。

（5）試驗溫度：室溫。

4 試驗方法

疲勞試驗根據《XX渦輪葉片疲勞強度檢查技術要求》進行，即在180MPa應力載荷下進行基數為2×107循環次數的疲勞試驗，驗證葉片的疲勞壽命。

4.1 應力分布試驗

在一階彎曲頻率下測量葉片表面的應力分布，確定最大應力點，經測試最大應力點為應變片1號位置，位于葉根R處。應變片粘貼位置見圖1。

4.2 振動型態試驗

葉片振型示意圖見圖2。

4.3 幅值-應力對應關系試驗

幅值-應力對應關系標定試驗，即葉片在一彎共振下，調整振動臺的激振力，讀取不同激振力下葉尖的振動幅值和應力值，利用最小二乘法進行直線擬合，求出直線方程，確定幅值與應力的對應關系。

此次標定試驗隨機抽取三片葉片，標定結果為在180MPa下AfCP=1640，其中材料彈性模量E=207.76GPa，應變片靈敏度系數K=2.22。

5 疲勞試驗結果及分析

5.1 低渦葉片疲勞試驗結果見表1。

5.2 結果分析

通過對6件葉片熒光檢測，判斷，通過2×107的3件葉片狀態完好，無裂紋；未通過2×107的3件葉片均在葉片的延伸段處出現不同程度的裂紋。

通過故障件與試驗件的裂紋對比，確認兩種斷裂位置基本一致。因此可以判斷故障葉片的斷裂原因為疲勞斷裂。