某型航空发动机涡轮叶片和轮盘榫齿裂纹故障力学分析_百度

1、某型航空发动机涡轮叶片和轮盘榫齿裂纹故障力学分析郑旭东1蔚夺魁1王兆丰2董红联2(1.沈阳发动机设计研究所,沈阳110015;2.西安航空发动机(集团有限公司,西安710021摘要:针对某型航空发动机发生的涡轮转子叶片和轮盘榫齿裂纹故障,应用大型结构分析程序Ansys对该叶片和轮盘进行了接触应力、振动特性及低循环疲劳寿命的计算分析,并针对各种可能的公差组合对榫头和榫齿喉部应力的影响进行了分析;根据计算结果找出并分析了故障发生的原因。关键词:航空发动机涡轮叶片轮盘榫齿裂纹故障分析M echan i ca l Ana lysis of Crack Fa ilures i n Turb i n e

2、Bl adeand D isk Serra ti on of an Aeroeng i n eZheng Xudong1Yu Duokui1W ang Zhaofeng2Dong Honglian2(1.Shenyang Aer oengine Research I nstitute,Shenyang110015,China(2.Xian Aer oengine(Gr oupL td.,Xian710021,ChinaAbstract:I n vie w of the crack failures in turbine blade and disk serrati on of an aer o

3、engine,the contact stresses,vi2 brati on characteristics and LCF life are calculated by using the structural analysis p r ogra m Ansys.The effects of stres2 ses on tenon and serrati on thr oat are analyzed f or several possible t olerance combinati ons.According t o the calculati on results,failure

4、s ources are f ound and analyzed.Key words:aer oengine;turbine blade;disk;serrati on;crack;failure analysis1引言在返厂大修某航空发动机时,发现叶片第3榫齿叶盆侧出现裂纹,长度达3/4齿长,且裂纹向叶背方向发展,即将形成封闭式裂纹,存在极大的隐患,严重危及到飞行安全。在发动机涡轮叶片枞树型榫头和榫槽的结构中,榫头和榫槽齿距的变化及在公差范围内的齿距加工偏差均会对榫头与榫槽的接触状况产生较大影响,进而使各齿喉部的应力分布发生变化。为了找出故障原因,对结构中榫头和榫槽几种齿距偏差组合情况进行了

5、接触应力计算、低循环疲劳寿命估算和振动特性计算分析。根据计算结果,找出了故障收稿日期:2004-08-08第一作者简介:郑旭东(1972,沈阳发动机设计研究所1999年硕士,从事航空发动机强度设计工作。原因,并相应进行了分析,提出了修改设计的建议。2断口形貌故障件形貌如图1所示。第1,2榫齿接触面上接触痕迹较浅,且在靠近进气边一侧的工作面上有近1/4区域没有明显的接触痕迹,而第3榫齿接触表面磨损痕迹较深;裂纹处长度达1.550mm,而位于第3榫齿工作面与齿底交接处的轮盘榫槽处裂纹,长约60mm,基本与第3榫齿垂直,由工作面向非工作面扩展。断口分析表明,叶片和轮盘的裂纹具有高、低周复合疲劳的特征

6、。为找到故障原因,从低周疲劳和振动特性等不同角度对裂纹进行了分析。3榫头/榫槽齿根应力敏感性分析为分析由于榫头/榫槽齿距偏差组合所引起的各齿接触状态变化对齿根应力的影响,根据设计图纸的要求,进行了几种可能的公差组合分析。532005年第31卷第3期航空发动机图1断口形貌榫头和榫槽各齿距均取公差带中值;随着转速的增加,各齿的接触顺序为4,3,第1,2齿未接触。各齿喉部应力见表1,应力分布如图2所示。榫头和榫槽各齿距均取对第3齿最不利的公差组合;随着转速的增加,各齿的接触顺序为3,4,第1,2齿轻微接触。各齿喉部应力见表2,应力分布如图3所示。表1榫头和榫槽各齿距均取公差带中值时各齿喉部应力应力榫

7、头榫槽1喉2喉3喉4喉1喉2喉3喉4喉e (M Pa1(M Pa 图2榫头和榫槽各齿距均取公差带中值时的主应力分布63航空发动机2005年第31卷第3期 表2取对第3齿最不利公差组合时各齿喉部应力应力榫头榫槽1喉2喉3喉4喉1喉2喉3喉4喉e (M Pa 300 .4298.8737.4250.944.755.8656.3576.6图3取对第3齿最不利公差组合时的主应力分布表3低循环疲劳寿命工况考核部位叶片轮盘峰值应力(MPa 寿命(循环数峰值应力(MPa 寿命第3齿喉部827.913291656.330829由于轮盘和叶片材料的线膨胀系数差别较大,所以,在工作中,轮盘、叶片的热变形有较大差别

8、,轮缘凸块的变形大于叶片榫头的变形。这种变形的不协调,对轮盘榫槽齿面与叶片榫头齿面的间隙有较大影响,造成各齿受力不均匀。上述齿距配合的计算结果表明:在正常情况下,即在榫头、榫槽各齿齿距为公差带中值的情况下,榫头、榫槽的第4齿盆侧喉部应力最大;在取对第3齿最不利公差组合的情况下,榫头第3齿盆侧喉部应力最大,榫槽第3齿背侧喉部应力最大,且第3齿喉部应力明显大于其他各齿的。不同齿距偏差组合对叶片榫头和轮盘榫槽部位的应力以及对榫头、榫槽的接触顺序和接触状态有影响。在所分析的各种齿距公差组合中,主要为第3,4齿接触承力。4低循环疲劳寿命预估对应2种齿距配合的情况,叶片和轮盘寿命考核部位基准循环(0最大0

9、的低循环疲劳理论寿命(置信度为95%,可靠度为99.87%计算结果见表3。从表3可以看出,在正常情况下,榫头、榫槽的低循环疲劳寿命相对较高;即使在取对第3齿最不利的公差组合的情况下,也不至于过早地因低循环疲劳而破坏榫头和榫槽。5振动特性分析根据上述应力分析结果可知,在正常情况下,第1,2齿面不接触或轻微接触,因此,在振动特性计算模型的边界条件中,仅对轮盘榫槽和叶片榫头第3,4齿面所有方向位移进行耦合,其他2齿自由。73郑旭东等:某型航空发动机涡轮叶片和轮盘榫齿裂纹故障力学分析频率计算结果见表4。计算动频时,考虑了离心负荷及温度对材料的影响,对应1弯振型的相对振动第1主应力的分布如图4所示。该级

10、涡轮转子叶片前面有56片涡轮1级导向叶片,后面有56片涡轮2级导向叶片,存在56E 激振频率;燃烧室喷嘴数为14个,存在14E 的激振频率。所以,主要针对14E 、56E 等激振频率进行分析,共振分析图如图5所示。在发动机慢车转速为1750 r/m in 时,第1阶振动频率(1弯与14E 激振频率的裕度为3.18%,小于10%,存在叶片共振的可能性,并且,相对振动最大应力在第3齿处,与故障位置相一致。表4频率计算结果Hz阶次振型静频动频(n =4700r/m in 11弯41543121扭1315133032弯188619034复合257326005复合280828296复合37543770图

11、4第1阶相对振动应力分布图5共振分析6结论(1由于叶片和轮盘材料的线膨胀系数差别较大,在工作中,轮盘、叶片的热变形有较大差别,轮缘凸块的变形大于叶片榫头的变形。这种变形不协调超出了叶片榫头和轮盘榫槽结构配合尺寸的调整范围,对轮盘榫槽齿面与叶片榫头齿面的间隙有较大影响,造成各齿受力不均匀,导致第3,4齿接触面应力较大。(2在各种齿距公差组合的情况下,第3,4齿接触明显,第1,2齿不接触或轻微接触。第4齿喉部的稳态应力最大,第3齿喉部应力亦较大。在发动机慢车转速为1750r/m in 时,第1阶振动频率(1弯与14E 激振频率的裕度为3.18%,小于10%,存在叶片共振的可能性;在第3齿处,相对振动应力最大。因此,第3齿裂纹