低循环疲劳对喷气发动机轮盘寿命的影响

刘　伟　刘　涛　张荫鳌　范秀杰（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁　沈阳　110043）

低循环疲劳对喷气发动机轮盘寿命的影响

刘伟刘涛张荫鳌范秀杰
（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳110043）

轮盘是航空发动机重要部件，承受高温负荷及大推力载荷，工作环境十分恶劣。轮盘断裂的碎片打穿机匣，可能破坏油路或控制系统，对飞行员及飞机造成严重威胁。为了确保飞行人员安全及发动机可靠运行，应从结构、材料、工艺、强度和振动等各方面采取积极措施，尽量防止轮盘裂纹故障的发生。本文从影响盘体寿命的多方面因素进行分析，阐述了影响轮盘寿命的主要原因。

轮盘；低循环疲劳；寿命；影响因素

1　引言

在现代科学技术领域里，低循环疲劳越来越引起人们的重视，随着技术的发展，疲劳问题日益显示了其重要性，随温度的提高，更要求结构更能承受瞬时过程的频率和激烈的程度。在航空发动机中，要求能在最大载荷下发出功率。因此，要求这些部件必须迅速地从准备工作状态过渡到工作状态，起动所引起的热过程会严重的引起热应力，这些热应力以热疲劳的形式重复着成为人们担心的问题。实际情况是结构的损坏大多是由疲劳破坏所引起的，例如：英国“彗星”号客机在航线上连续发生的几起事故就是因为该型飞机反复起飞和着陆过程中由于低循环疲劳引起的。此类事件在国际上甚多，据称80%的破坏是由于疲劳所引起的。

2　轮盘寿命的影响因素

为了保证飞行的安全，防止发动机轮盘的破坏，美国普拉特·惠特尼公司对其喷气发动机的涡轮盘和压气机盘的寿命提出了限制，规定了寿命极限。而对发动机其它零部件只是规定在翻修过程中发现问题才予以报废。这主要是考虑了影响发动机轮盘寿命的六个因素：极限强度、屈服强度、蠕变强度、高循环疲劳、金相变质、低循环疲劳。在这六个因素中，极限强度和屈服强度可以由发动机或试验装置经超速试验得出，蠕变强度也可由试验得出，若轮盘运行一段时间之后，蠕变成为一个因素时，轮盘就要发生变形，这样在尺寸的限制下远在危险点之间就报废了。高循环疲劳只要限制应力，使测得的应力值谐波在一个比较低的水平，就可使轮盘不受寿命限制。经过计算，上述四种因素，均不是影响轮盘寿命的主要因素。它们至少可以允许轮盘工作数千小时。金相变质影响轮盘的寿命，不过在设计和工艺方法上是可以控制的。

3　低循环疲劳对轮盘寿命的影响

影响轮盘寿命的主要因素是低循环疲劳，因此尽管有时轮盘的外形及物理特性还显得可以应用，也提出更换。这是因为我们无法确定轮盘在产生疲劳裂纹之前，它的疲劳寿命已经过了多少？而等到出现裂纹，则是很不保险的。低循环疲劳是研究当应力产生足以可观的周期性塑性变形时，经过频率比较低的循环（如10000或更少）后出现疲劳。这种疲劳状态大体上出现在某些结构中（更普遍的是出现在局域区域内）例如在四角，圆孔附近和其他的应力集中状态。图1是一个典型的应力——循环次数曲线，纵坐标为振动或循环应力，横坐标为该应力下疲劳破坏所需的循环次数。在高频疲劳的情况下，我们注意的是零件每秒摆动几百次的振动。因为这样快的振动，结果会使应力循环次数很快累计起来。我们必须注意，这种高频振动既然存在，这种应力的水平则在有关材料的持久极限下。当零件具有像图1右边所示的持久极限以下的应力时，就可以无限期的工作。但在低循环疲劳情况下，我们讲的是应力很高，经常使零件材料的局部区域产生塑性流动。具有这样的应力时，一个很少的循环次数也会产生疲劳破坏，如图1所示左侧所示情况，这是估计轮盘寿命时必须十分重视的问题。在发动机每次起动并加速到最大功率时，轮盘承受着高速旋转的离心力。同时还承受很大的温度梯度，轮缘是较薄的，由暴露在热气流中，它很快的热起来，并要胀大，而轮毂处既厚，又不直接接触热气流，受热慢的多，热膨胀也慢的多。图2是飞机在跑道上起飞时，高压压气机轮盘的典型的大温度梯度。这样高的温度导致在轮盘的轮毂与轮辐处出现高的拉应力，这种热应力与离心应力相叠加，在停车和冷却时，这种热胀缩倒过来，薄的轮缘冷的快，厚的轮毂冷的慢，这时轮毂的尺寸比轮缘允许它的尺寸要大，应力降低到最小，有时则会产生压缩应力。这样随着每次点火，加速到限定的功率，停车和冷却，轮盘受到很高的拉应力，到应力降低甚至改变成压应力的应力变化过程。简单地说飞机飞行一次，发动机轮盘就承受一次完全的应力循环。众所周知，金属的强度和延展性成反比关系，这样对选择轮盘材料时带来了问题，从提高强度来考虑，则会使延展性降低，而延展性又是低循环疲劳中考虑的主要问题，要达到理想的低循环疲劳强度，需要尽量选择延展性大的材料。但这将使蠕变强度降低，因此，在选择轮盘材料时要予以充分考虑。试验证明，疲劳寿命随温度的增加而降低，特别是在应变速度低的情况下，这个结果可以根据钢在不同温度下出现的沉积效应来解释。

结论

综上分析，低循环疲劳是造成轮盘断裂的主要原因，因此，轮盘设计、研制及制造过程中，应充分考虑低循环疲劳对轮盘寿命造成的影响。提升轮盘寿命检测及轮盘断裂预防技术。

[1]王卫国，卿华，杜文军，等.多危险部位数目对轮盘低循环疲劳寿命的影响[C].第十三届发动机结构强度振动学术会暨中国一航材料院50周年院庆系列学术会议，2006.

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