高溫度梯度輪盤低循環疲勞試驗件設計方法

高仁衡，曹廷云，沈 蓮，張 根，林淑環，古遠興

（中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500）

0 引言

低循環疲勞失效是航空發動機使用過程中最嚴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境中且帶有螺栓孔、通氣孔等容易產生應力集中的發動機構件，一旦失效，就會發生機毀人亡的災難性事故[1-3]，因此其低循環疲勞壽命的考核極為重要。目前各種疲勞壽命預測方法分析出的結果分散度較大，還不能準確地預測輪盤的壽命[4-6]，所以進行輪盤的低循環疲勞試驗研究是預測其安全循環壽命的必經之路[7-9]，而輪盤低循環疲勞試驗件設計是試驗研究的必要前提。

國內外均在發動機設計規范[8-10]中明確了輪盤要按照安全循環壽命進行設計的要求，并積極開展輪盤低循環疲勞試驗。PW 公司的輪盤疲勞壽命設計系統有15000 個材料低循環疲勞試驗數據和1500 個輪盤低循環疲勞試驗數據支持[11]，RR 公司根據多年輪盤疲勞試驗研究成果，在假設疲勞壽命服從對數正態分布的基礎上，給出了考慮輪盤疲勞壽命散度的S-N 曲線和分散系數典型值[12-13]，俄羅斯中央航空發動機研究院（CIAM）也積累了100 多個輪盤超轉、破裂和低循環疲勞試驗數據。中國航空類院所也開展了大量的研究工作，在輪盤低循環疲勞壽命預測方法的基礎上，通過修正總應變壽命方程中關鍵參數的確定方法，并且考慮尺寸效應和應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疲勞試驗到2 級渦輪盤聯合低循環疲勞壽命試驗[16]，再到模擬扭矩載荷作用、軸向力的渦輪盤低循環疲勞壽命試驗，都證明試驗技術在向著模擬發動機最真實工作狀態的方向發展。

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

1 輪盤低循環疲勞試驗件設計難點及解決方法

輪盤的低循環疲勞試驗是確定輪盤關鍵部位安全壽命的基本方法，試驗既可以在發動機上進行，也可以在各種試驗器上進行?？紤]到時間和經費的問題，大多數低循環疲勞試驗是在試驗器上進行。

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

限制壽命的高應力區不止1 個，輪盤通常有多個關鍵部位，即多個限制壽命的高應力區——中心孔、輪緣和偏心孔等。要綜合考慮各高應力區出現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。英國發動機DEFSTAN 00-971 中指出輪盤低循環疲勞試驗優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生熱應力，與機械應力一起隨發動機的循環使用而變化，加劇零件的疲勞損傷。由于目前試驗器中無法實現溫度梯度的循環，高溫度梯度在中心孔位置產生的熱應力只能通過離心載荷來模擬。

當考核位置為中心孔時，可以選擇模擬葉片代替真實葉片，以便降低輪緣的負荷，通過提高試驗轉速來模擬中心孔的應力。

試驗件中壽命限制位置轉移，在輪盤試驗過程中通過提高試驗轉速來模擬溫度梯度引起的熱應力，導致試驗轉速較發動機設計轉速提高很多，輪盤上某些非考核位置應力遠高于考核位置應力，壽命限制位置轉移，無法考核到發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力特征的前提下，可以改變非考核部位的局部結構。

2 輪盤低循環疲勞試驗設計思路

輪盤低循環試驗件設計思路如圖1所示。

圖1 輪盤低循環疲勞試驗設計思路流程

3 低循環疲勞試驗件設計實例

某被試件結構如圖2 所示。在被試件考核狀態下盤心溫度為200 ℃，盤緣溫度為500 ℃，徑向溫差達300 ℃。

3.1 應力集中關鍵部位統計

被試件結構設計中孔、槽等易出現應力集中的位置統計見表1，具體位置結構如圖3所示。

圖2 被試件結構

表1 被試件低循環疲勞壽命較低位置

圖3 關鍵位置

3.2 低循環疲勞壽命分析方法

在某被試件低循環疲勞試驗件設計中，鑒于各應力較大位置實際應力狀態為多軸應力狀態，為盡可能準確分析低循環疲勞壽命，對各應力較大位置進行多軸應力分析，壽命分析按多軸應力下的通用斜率公式計算

在多軸應力狀態下等效應力不能直接相加減，因此在確定載荷循環過程中的應力幅、應變幅和平均應力時，必須采用多軸疲勞等效應變破壞準則中的應力幅和平均應力。

多軸疲勞等效應變破壞準則中的應力幅和平均應力的確定過程如下。

彈性應力范圍為

其中

式中：Δσij為ij方向的彈性應力（i=1、2、3，j=1、2、3）。

上標load 表示低循環疲勞峰值狀態解，unload 表示低循環疲勞谷值狀態解

當σmax＜σ0.2時，平均應力估算為

其中

否則

當前大合同貨源到港較為緩慢，港口鉀可售現貨較為緊俏；青海地區廠家庫存維持低位，邊貿鉀到貨量較少；雖實際需求無明顯起色，但貿易商對鉀肥后市看好，國內鉀肥價格維持高位。下游復合肥企業陸續召開冬儲訂貨會，冬儲潛在需求正在釋放，國內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。綜上預計，短期內國內氯化鉀價格將守穩盤整，重點關注港口鉀到貨速度及到貨量。

式中：σijm為ij方向的平均彈性應力（i=1、2、3，j=1、2、3）。

3.3 考核狀態低循環疲勞壽命分析結果

基于多軸應力下的通用斜率公式低循環疲勞壽命分析方法，對某被試件考核狀態各應力集中部位低循環疲勞壽命進行統計，見表2。

表2 考核狀態下各部位低循環疲勞壽命統計

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

3.4 試驗件設計

3.4.1 試驗件設計難點及解決方案

（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速循環。

解決方案：通過提高試驗轉速，由離心載荷補償熱載荷，提高中心孔應力。

（2）難點2：試驗轉速提高后，輪盤的破裂轉速儲備為1.0，試驗存在風險。

圖4 被試件考核狀態溫度分布

解決方案：為提高輪盤破裂轉速儲備，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，輪盤破裂轉速儲備為1.15，滿足試驗要求。

表3 轉速提高前后局部位置應力變化對比

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、前封嚴環周向定位槽這些位置距離考核位置較遠，且在考核狀態下這些位置應力不大，壽命較長。為保證中心孔為本試驗的壽命考核部位，對這些位置進行處理，以達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，減少此位置的應力集中，去掉后掛鉤平衡銷釘孔，減小此處應力集中；

（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 試驗件設計方案

低循環疲勞試驗件結構如圖6 所示。其試驗參數：試驗溫度為200℃；試驗谷值轉速為1000 r/min，試驗峰值轉速為20000 r/min。

在被試件在考核狀態與試驗狀態下低循環疲勞壽命對比分析見表5。

圖6 試驗件結構

表5 被試件低循環疲勞壽命對比

從表中可見，中心孔位置在試驗狀態與考核狀態下的低循環疲勞壽命相當，榫槽、端齒螺栓孔的低循環疲勞壽命在試驗狀態下的稍低于在考核狀態下的。本試驗以中心孔位置低循環疲勞壽命為設計基準，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速儲備進行評估。

在試驗狀態下，被試件、轉接盤的破裂轉速儲備均大于1.15，在試驗過程中各止口配合可靠。

本輪盤低循環試驗件按照上述設計方案順利完成壽命考核試驗，試驗后被試件經熒光檢查未發現裂紋，試驗結果有效。

4 結論

（1）高溫度梯度輪盤高應力區不只1 個時，要綜合考慮各高應力區出現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，以降低輪緣負荷，通過提高試驗轉速來模擬中心孔應力；

（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力特性的前提下，可以改變非考核位置局部結構。