动力涡轮盘低循环疲劳试验方法改进研究

赵鑫

摘 要：某发动机动力涡轮盘在进行低循环疲劳试验后，荧光检查发现榫槽部位出现裂纹，通过对榫槽部位的理化分析和试验方案复查，找到了榫槽部位出现裂纹的原因，并提出了相关改进措施。动力涡轮盘低循环疲劳试验中，除轮心外，还需要重点关注榫槽的应力水平，并在试验中加强榫槽的检查，避免试验件损坏，导致无法考核轮心的低循环疲劳寿命。

关键词：涡轴发动机;榫槽;疲劳;裂纹;应力

中图分类号：V228 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）08-0111-03

发动机轮盘及其转子都是关键的受力件和旋转件，它们不仅结构复杂，而且转速高、载荷大、工作条件及其恶劣。当离心应力与热应力迭加时，可能会使轮盘局部承受的应力水平很高而进入塑性状态，同时还会出现各种故障或破坏。一旦轮盘出现破坏[1]，后果往往是灾难性的。因此必须引起高度重视。

轮盘关键部位的疲劳破坏都可能导致非包容破坏，并给飞机带来危险性影响，应该通过疲劳试验给出它们各自的安全寿命。轮盘疲劳源一般出现在应力集中部位，如各类轮盘的中心孔、偏心孔、螺栓孔和销钉孔、轮缘、榫槽、叶片的榫头、伸根，以及鼓筒的联接部位和轴的突变处等。

某动力涡轮盘完成低循环疲劳试验时后经分解检查，发现轮盘榫槽部位有荧光显示，对榫槽部位进行理化分析，发现榫槽先于轮心疲劳开裂。所以，针对动力涡轮盘这种带榫槽结构的盘类件，除轮心外，还需要重点关注榫槽的寿命计算，并在试验中加强榫槽的检查，避免试验件损坏，导致无法考核轮心的低循环疲劳寿命。

1 试验复查

完成35811次低循环疲劳试验后，对动力涡轮盘进行荧光检查，发现动力涡轮盘榫槽部位出现裂纹，通过理化分析和复查试验方案，发现了裂纹出现的原因。

1.1理化分析

1.1.1宏观检查

通过荧光检查，在一个榫头的第一级榫槽处可见裂纹荧光显像，通过红色标记笔进行标记图1。

1.1.2体视镜检查

將动力涡轮盘在体视镜下检查，在动力涡轮盘在靠近轴侧，榫头第一级榫槽工作面上根部圆弧角过渡区有一条细小的裂纹，裂纹从榫头侧端面靠轴侧向里扩展，长度约为3.98mm，见图2。

将裂纹打开后，可见断口有明显的扇形区域，断面较平整，可见明显的棱线收敛于第一级榫槽工作面根部圆弧过渡角处，距离靠轴侧端面约1mm的位置。裂纹源为短线源，靠近源区断面呈深褐色，较陈旧，源区、断面均未见明显的冶金缺陷。断口的断裂性质为疲劳，见图3。

1.1.3扫描电镜检查

将裂纹打开后，断口源区在第一级榫槽工作面根部圆弧过渡角处，距离靠轴侧端面约1mm的位置，为短线源（图4a），裂纹源区可见清晰的疲劳条带（图4b）。断口断面未见其他冶金组织缺陷。

1.1.4小结

动力涡轮盘榫头上的裂纹性质为疲劳裂纹，裂纹源在榫头第一级榫槽工作面根部圆弧过渡角处，为短线源。

1.2复查试验方案

采用MSC.PATRAN（软件索取号RT301200）进行有限元前、后处理，采用MSC.NASTRAN（软件索取号RT300800）进行线弹性有限元分析，计算动力涡轮盘低循环疲劳试验载荷。

动力涡轮一级盘缘均布有55个榫槽，忽略安装孔等对计算结果影响较小的特征后，动力涡轮一级盘结构及载荷均具有循环对称性，取包含1个完整榫槽在内的循环对称段作为计算模型。采用十节点四面体网格进行网格划分，共包括185870个单元，278033个节点，有限元网格模型见图5。

发动机上的标准应力循环为：0～最大～0循环;试验循环为：试验下限转速～试验上限转速～试验下限转速。本次计算以轮心为考核点进行载荷等效转换，要求该处应力系数等于1.0。

根据EGD-3应力标准[2]，应力系数计算公式为：

式中：

-试验状态等效到0～最大～0循环时的应力，MPa;

-工作状态下的应力，MPa;

-工作温度下材料的极限拉伸强度，MPa[3];

-试验温度下材料的极限拉伸强度，MPa[3];

-上限转速下的应力，MPa;

-下限转速下的应力，MPa。

在给定计算载荷的作用下，工作状态下动力涡轮盘轮心和榫槽部位的当量应力分布见图6，试验状态下动力涡轮盘轮心和榫槽部位的当量应力分布见图7。详细应力计算结果见表2和表3。

由以上公式及应力结果，计算可得轮心处的应力系数为1.001，榫槽的应力系数为1.030。

由于考核部位应力系数不是1.0，需根据下式（2）计算考核部位的试验循环数：

式中：

N-为试验循环数;

Fr-为标准应力循环数;

K-为应力系数;

Y-为寿命散度系数。

根据DEF STAN 00-971中的规定，单个试验件的寿命散度系数取4，当要求的标准应力循环数是9000次时，考核轮心所需要完成的试验循环数：

考核榫槽所需要完成的试验循环数：

考核榫槽所需完成的循环数是30798次，小于考核轮心所需要完成的试验循环数，榫槽部位过考核，可能会早于轮心破坏，试验存在风险。所以，在完成35811次疲劳试验后，在榫槽部位发现疲劳裂纹属于正常情况。

2 改进措施

为了避免榫槽部位过考核，致其早于轮盘破坏，影响轮心的低循环疲劳寿命考核，可以通过调整配重叶片的尺寸和提高试验转速，使榫槽部位的应力系数小于1.0。

具体的结构改进措施是，将所有配重叶片自顶部切除9mm，示意图见图8。以轮心为考核点进行载荷等效转换，要求该处应力系数等于1.0，根据公式（1），计算可得榫槽的应力系数为0.99。目前，试验已完成36000次，下台检查后榫槽和轮心均未发现裂纹。

3 结论

（1）榫槽的应力系数大于轮心的应力系数，在完成35811次低循环疲劳试验后，榫槽出现裂纹，轮心未出现。

（2）轮盘疲劳试验的考核部位一般为轮心，在载荷计算中，榫槽的应力系数大于轮心的应力系数，可以通过调整配重叶片尺寸和提高试验转速，使榫槽的应力系数小于1.0，有效避免榫槽早于轮盘破坏。

（3）针对动力涡轮盘，除作为考核部位的轮心外，还需要重点关注非考核部位榫槽的应力水平，并在试验后加强榫槽的检查，避免试验件的损坏，导致无法考核轮心的低循环疲劳寿命。

参考文献

[1] 《航空发动机设计手册》总编委会编.航空发动机设计手册第18册[M].北京：航空工业出版社，2001.

[2] 丁爱祥，吴君可，译.斯贝MK202发动机应力标准（EGD-3）[M].北京：国际航空编辑部，1979.

[3] 《航空发动机设计用材料手册》编辑委员会编.航空发动机设计用材料手册（第三册）[M].北京：航空工业出版社，2008.