涡轮转子叶片寿命评估方 法

涡轮转子叶片寿命评估方 法

李军

空军装备部驻长沙地区第二军事代表室，湖南长沙 410000

摘要：发动机寿命研究是新型发动机设计及其改进改型过程中的关键性问题之一，是发动机 可靠性设计的重要组成部分，是发动机性能的重要指标。涡轮转子叶片作为高温大转速零件， 在发动机整机寿命研究中占有重要定位。涡轮转子叶片寿命研究发展至今，已形成了多种寿 命评估的方法，并形成了多种标准和规范，而寿命预测作为叶片定寿的主要步骤，也形成了 多种方法可供使用。寿命预测受基础研究的影响很大，由于国内目前尚无统一的寿命预测方 法，结合发动机技术发展的现有情况，本文提供了一种寿命预测的途径，以期对寿命预测工 作有所帮助。

_{关键词：涡轮转子叶片持久寿命低循环疲劳寿命}

_{1 叶片寿命研究的意义}

发动机的总寿命是指在规定的使用条件下，从开始使用到规定报 废的工作时间或日历持续时间。决定发动机寿命的是其主要零部件的 寿命。作为高负荷热端构件的涡轮转子叶片的寿命对整机寿命的影响 极大。涡轮转子叶片是航空发动机最主要的结构件之一，是高温、高 负荷、结构复杂的典型热端构件，其性能和可靠性直接关系到发动机 的性能、耐久性、可靠性和寿命。

_{2 叶片寿命研究内容}

决定某一件涡轮转子叶片使用终结（寿命）的特征是：叶片出现 影响发动机规定使用功能的超出设计允许的变化（故障、大变形等）， 或者预计叶片损伤累积到所允许的极限。导致涡轮转子叶片报废的原 因一般有：断裂、疲劳裂纹、伸长或缩短量超标、外物打伤超过修理 允许量、叶冠变形、使用过热或超温、腐蚀、渗层破坏等。

叶片失效的原因归纳起来主要有：包括热疲劳在内的低循环疲劳， 振动引起的高循环疲劳，高温长时间载荷作用下的蠕变变形和蠕变应 力断裂，高温燃气冲刷腐蚀和氧化，以及外物损伤等。

叶片的终止使用并不一定意味着叶片到寿，因特殊情况和特殊原因，叶片产生随机失效，并非叶片规律性的寿命耗竭。寿命表示叶片 在规定的使用条件下的潜力，亦即技术寿命。技术寿命的定义为：自 发动机装机使用时起，在一定的可靠度和预定的使用条件和维护、修 理条件下，预计可达到的寿命，它表明技术上的可行性。

_{3 叶片寿命预测的一般流程}

_{本为所讨论的叶片寿命评估即是指安全寿命设计中的寿命预估}

计算。是以叶片的材料特性为基础，结合发动机的使用条件，对叶片 的技术寿命进行预测。涡轮转子叶片的定寿过程如图所示。这里所讨论的阶段是指从 取得材料的性能数据到进行寿命预测的这一过程。

3.1 取得叶片的材料性能

材料力学性能数据和寿命预测方法是结构分析和部件设计与寿 命估算的基础，是结构完整性的重要环节。构件高温低循环疲劳（包 括蠕变与疲劳）寿命预测方法基于以下思想：进行光滑试件的应变控 制低循环疲劳试验，以模拟构件关键部位的应力-应变-时间行为，即 首先测定零部件典型环境下简单试件的寿命；其次研究出一个能准确 描述试验结果的分析模型；再将模型预测出的寿命与试件所得观测结 果进行比较以判断模型的预测能力，然后将成功的分析模型用来预测 真实部件寿命，并进行零部件试验验证，整机台架试车，结合外场使 用经验定寿。

3.2 形成整机载荷谱

如前所述，寿命预测的核心思想是研究构件在典型使用环境下的 应力-应变-时间行为，对上述要素起决定性作用的是发动机的实际使 用状态。所说的载荷谱即是表征这种状态的一个方法。

发动机载荷谱，是为进行发动机及其零部件的寿命、可靠性和强 度分析与试验考核而编制的有关载荷要素的组合，是发动机在规定的 飞行任务、用法和使用条件下载荷参数的统计结果。发动机载荷谱研

_{究的目的是确定发动机在使用中所承受的典型载荷状态及各状态发}

生的频次。发动机载荷谱编制的主要依据是：任务混频、飞行任务剖 面和环境混频。

发动机载荷谱分整机载荷谱和零部件载荷谱。整机载荷谱一般是 工作循环和参数分配谱，综合反映发动机在使用中的气动负荷、热负 荷和机械负荷。零部件载荷谱则由零部件寿命、可靠性和强度分析与 试验考核相关的载荷参数所构成。在进行构件寿命评定时，首先分析 发动机整机载荷谱，然后转化为构件载荷谱，构件载荷谱的参数才能 直接应用于寿命分析。

具体到涡轮转子叶片的寿命分析。涡轮转子叶片的寿命是由低循 环疲劳、蠕变、应力断裂和氧化/腐蚀所限制的。叶片的低循环疲劳 寿命是由作用于其上的主循环及此循环的次数和程度决定的。涡轮转 子叶片的蠕变寿命取决于其在材料蠕变范围内的所有温度下的工作 时间。

发动机的载荷谱一般用两种表达形式：1.状态和状态变化;2. 发动机总体参数，如转速、温度、压力等。这些参数不能用于转子叶 片的寿命评定。将其转化为转子叶片的载荷谱才有意义。转子叶片的 载荷谱通常用危险部位的应力、应变、温度和保持时间来表达。通过 发动机的状态及总体参数，计算叶片承受的各种载荷，进而得到叶片 危险部位的应力、应变情况。涡轮转子叶片寿命计算所使用的整机载荷谱建议使用持久载荷谱和转速循环谱。上述两个载荷谱分别用于计算涡轮转子叶片的持久寿命和低循环疲劳寿命。

3.3 确定构件的载荷谱

涡轮转子叶片载荷谱主要时确定叶片寿命的关键部位，即限制涡轮转子叶片使用寿命的部位。对于新发动机， 需要通过应力分析或凭经验确定关键部位。涡轮转子叶片的进、排气 边，以及伸根段等大多属于关键部位。关键部位的应力谱通常由离心应力、热应力（包括稳态和瞬态热 应力)和气动应力构成。应力合成时都是以离心应力谱为主，并与启 动应力及热应力进行线性叠加。

为减小工作量在计算离心应力时可只计算设计状态下的离心应 力，由于涡轮转子叶片的离心力与转速的平方成正比，因此对不同转 速下的离心应力进行换算，对于发动机状态比较平稳的情况，可以认为叶片承受的是稳态热应力。

3.4 进行寿命预测

进行涡轮转子叶片的持久寿命预测需要用到材料的持久性能，根 据叶片的低循环疲劳载荷谱计算叶片损伤，进而预估叶片寿命。材料的持久性能一般使用持久方程来表示，推荐的持久方程有 4 种，分别为 Larson-Miller （ L-M ）方 程、 Ge-Dorn （ G-D ）方程、 Manson-Succop（M-S）方程和 Manson-Hafered(M-H)方程。

低周疲劳寿命预估需要用到的是材料的低周疲劳性能。根据叶片 的持久载荷谱计算叶片损伤，进而预估叶片寿命。预测涡轮转子叶片高温低循环疲劳寿命的主要方法包括基于Manson-Coffin 公式的方法，应变范围划分法以及能量法等。 低循环疲劳性能的相关材料数据较少。 计算持久寿命的方法是将之前计算得到的持久载荷谱中的各工况的应力和温度带入材料的持久性能方程中，计算各工况对应的持久 寿命，在根据发动机在该状态下的工作时间进一步计算各工况工作时 间对应的持久损伤，根据线性叠加原理计算总损伤。

计算低循环疲劳寿命分方法是将计算得到的低循环疲劳载荷谱 中的各循环的应力、应变带入材料的低循环疲劳性能方程中，计算各 循环工况对应的循环寿命，进一步计算各循环循环次数对应的低循环 疲劳损伤，根据线性叠加原理计算总损伤。

在计算时应注意材料的相关性能是否完善，特别对以叶片类零件 来说，由于装机数量大，如要保证较低的单台故障率，必须提高计算 结果的精度。

_{4 结论}

本文提供了一种预测涡轮转子叶片持久寿命和低循环疲劳寿命 的方法，可以在发动机研制阶段寿命预测时使用，提高发动机设计效 率和可靠性。需要注意的是，寿命预测受发动机实际工作条件特别是 使用温度的影响很大，另外材料性能的完善与否也会影响寿命预测的

_{准确性。还有需要注意的是寿命预测无法预计燃气腐蚀、冲刷、氧化}

及外物损伤的影响。因此发动机定寿均是基础研究、零部件试验研究 和整机试车研究相结合，在发动机研制时不能忽视试验的作用。