涡轮盘疲劳裂纹故障分析

火箭发动机涡轮盘工作在高温、高转速及恶劣的振动环境中，并承受着较大气动力作用，是发动机的关键组合件，涡轮盘的失效破坏将严重影响发动机的正常工作，甚至带来灾难性的后果。针对某火箭发动机涡轮盘在热试车中出现的裂纹故障，进行全面的分析，准确定位故障类型，以试验和计算分析给出合理的故障原因，重点是在疲劳分析方面所做的工作，包括振动模拟试验、疲劳强度计算，并根据疲劳强度分析结果提出改进方案。结果表明原结构圆角处应力集中明显，静态应力值水平高，在发生耦合振动后，涡轮盘出现疲劳裂纹，最终发生低周大应力破坏。试验和计算表明，采用改进方案可有效降低尺圆角处的应力集中，明显提高疲劳强度。对采用改进方案后的涡轮盘发动机进行了多次热试车，证实改进后的结构未发生耦合振动，未发现疲劳裂纹，改进方案是可行的。     

针对叶片阻尼台断裂故障的试验方法

某型航空发动机风扇叶片在外场使用时发生断裂故障,断口分析后判断为疲劳断裂,裂纹起始于叶盆侧阻尼台与叶身转接处,原因为电击伤.针对这一叶片阻尼台断裂故障,为了验证电击伤对叶片疲劳强度的影响,需要在振动环境下对正常叶片和烧伤叶片进行疲劳强度对比试验.介绍了试验方案、过程,并进行了试验数据分析.     

某航空发动机高压涡轮导向叶片高温失效分析

通过外观检查、断口分析、材质检查、气膜孔检查和热模拟等试验工作，对故障高压涡轮导向叶片裂纹性质及产生机理进行分析。结果表明：故障叶片裂纹性质为疲劳，疲劳起源于气膜孔外壁的尖角区域。热障涂层涂覆后引起前缘气膜孔孔径减小，且使用过程中气膜孔受燃气氧化附着物影响导致孔口堵塞；叶片前缘局部超温导致基体组织转变，降低了基体的抗疲劳性能，促使叶片过早疲劳开裂。本文提出了适当加大气膜孔孔径，完善加工工艺要求，加强孔表面附着物清理等建议，可有效避免类似故障重复发生。     

基于QAR数据的高压涡轮叶片疲劳-蠕变寿命预测

基于发动机运行产生的快速存取记录器(Quick Access Recorder, QAR)数据，提取右发高压涡轮转速比N₂(高压涡轮实际工作转速与设计转速之比)编制涡轮叶片载荷谱。建立流热固耦合模型，结合QAR数据及热力分析确立计算所需热边界条件，采用有限元软件对流热固耦合问题进行求解，得到不同工况下高压涡轮叶片的温度、应力、应变分布。采用Manson-Coffin模型和Larson-Miller模型分别进行叶片疲劳、蠕变寿命的预测，重点分析了叶片有无冷却对于寿命的影响，最后通过线性损伤累积理论得到叶片的疲劳-蠕变寿命。结果表明，叶片考虑内冷问题后疲劳寿命有所提高、蠕变寿命显著提高，预测得到的疲劳-蠕变寿命和实际寿命相近，可用于发动机涡轮叶片剩余寿命的预测及维修计划的制定。     

某型航空发动机涡轮叶片服役微观损伤研究

涡轮叶片是航空发动机工作条件最为恶劣的热端部件,其工作性能的优劣决定着整机能否高效、安全、可靠工作。涡轮叶片在服役过程中不可避免地形成各类损伤,由于涡轮叶片制造复杂、造价昂贵,因此对涡轮叶片的服役损伤进行分析和梳理,使涡轮叶片得到安全可靠且充分有效的使用,具有重要的经济价值。利用金相观察、SEM分析和EDS分析等方法对某型航空发动机第一级高压涡轮叶片在服役过程中产生的微观损伤进行分析。结果表明该型航空发动机涡轮叶片的微观损伤以强化相的粗化和筏化为主。以此为基础建立了一套以强化相尺寸为指标的涡轮叶片服役微观损伤表征方法。对服役涡轮叶片开展了硬度测试试验,结果发现随着微观组织的退化,叶片各个部位的维氏硬度出现不同程度的下降。随后,对热暴露预损伤涡轮叶片材料薄壁试样在850℃/810MPa考核条件下开展了低周疲劳试验。结果表明随着微观组织的退化,合金的低周疲劳性能出现了不同程度的下降,说明服役微观损伤降低了涡轮叶片材料的抗疲劳性能。     

发动机Ⅲ级涡轮叶片高低周复合疲劳寿命研究

对现役的涡轮叶片采用了喷丸等方法进行了改进;为了验证该方法的可行性和确定新叶片相对于旧叶片的安全寿命,分别对新旧叶片进行了高温高低周复合疲劳试验研究。在进行试验数据处理时分别使用了秩回归法和极大似然法,对威布尔参数β,η进行了计算。根据β,η两个参数,计算了合格和不合格叶片在故障概率为0.1时的安全寿命值。     

某型航空发动机空气涡轮起动机起动故障研究

为了保障地面试车效率及飞机飞行的安全,对起动过程的故障模式、故障部位及故障原因作出及时准确的判断,预防起动过程潜在故障的发生,通过分析起动原理,研究了起动过程中5种常见起动故障。对航空发动机地面台架试验过程中起动失败故障进行分析,通过绘制故障树,得到起动过程异常带转故障模式为起动机出口堵塞;快速定位故障原因为：在湿度大的低温天,起动机短时间内连续起动,等熵膨胀过程起动机涡轮叶片及起动机出口壁面结冰,造成涡轮出口面积减小,排气不畅引起出口堵塞,涡轮输出功率减小,起动失败,保障了地面试验安全;并根据该起故障对地面试验供气系统提出增加干燥机的改进措施和试验前、后起动机检查要求,经过地面持久试验和考核试验验证方法有效,起动机结冰故障得到有效控制。该起故障研究和排故改进措施可供地面台架试验参考。     

起动机动力涡轮叶片断裂故障研究与改进

系统归纳了动力涡轮叶片断裂故障的基本特征,分析了叶片断裂的根本原因在于叶片的一阶弯曲共振。在弯曲共振无法避免的情况下,从提高动力涡轮叶片的疲劳抗力入手,采用细晶＋方向性凝固＋热等静压的复合成型工艺,成功地解决了这一故障。     

某航空发动机单晶涡轮叶片研制及应用

某航空发动机所用的K465合金高压涡轮叶片在使用条件下的强度安全裕度较低,在使用考核中造成了高压涡轮叶片烧蚀断裂故障。为保证发动机的性能、寿命及材料整体匹配性的要求,开展了某单晶高温合金及涡轮叶片的研制及应用研究。研制的单晶高温合金不但具有卓越的高温性能,而且还具有优异的工艺性能和抑制再结晶能力。批量试制出了合格的某发动机单晶涡轮叶片,形成了一系列该单晶涡轮叶片工程化制备生产用工艺规范和单晶叶片铸件验收暂行技术条件;单晶涡轮叶片试验件已通过了热冲击试验、振动疲劳试验、转子超温超转试验和发动机整机长期试车试验考核,经受住了严苛的考验。该单晶叶片的研制成功,填补了国内同类产品的空白,该研究成果也可用于其他高推比发动机。     

某型轿车后轴的疲劳强度研究

针对某型轿车后轴在做疲劳台架试验时扭杆发生断裂的问题,文中利用疲劳分析软件n Soft对后轴进行疲劳强度分析,从后轴的疲劳寿命云图中找出最易引起疲劳破坏的位置,分析扭杆断裂的原因并提出了解决方案:采用多材料组合设计的方式对后轴结构做适当调整。随后对改进后的后轴进行疲劳强度计算,并对比改进前后的分析结果,结果表明,改进后后轴的疲劳寿命明显提高。最后在疲劳台架进行试验验证,疲劳分析及试验结果均表明,改进后的后轴疲劳强度满足使用要求。     

复杂结构单晶涡轮叶片气膜孔制孔质量控制及改进研究

现代高性能发动机涡轮前温度高,涡轮叶片采用在单晶高温材料基础上设计多腔内冷结构,叶身表面排布呈众多空间分布的气膜孔。气膜孔加工是叶片制造的关键环节,对叶片的冷却效果和工作可靠性有直接影响。本文针对某高压涡轮转子叶片,基于某批次叶片的高周疲劳试验结果,对其进行了打孔质量分析,并对打孔质量的控制和改进方法进行了研究,研究表明通过过程控制可以有效避免孔相交,满足疲劳寿命要求。     

某燃气轮机涡轮叶片的模态和疲劳分析

燃气轮机作为大型舰船动力装置,是影响舰船上各种设备正常运行的重要原玉,转子叶片的疲劳损坏一直影响燃气轮机的正常工作.首先利用UG软件对某型燃气轮机涡轮叶片建立了三维实体模型,通过IGES交件载入HyperMesh软件中划分网格和施加约束,最后导入ANSYS软件中,对叶片进行了约束模态分析.分析了叶片的应力分布情况,并在此基础上完成了叶片的疲劳强度计算,为叶片的设计以及改进提供了参考.     

定向凝固合金涡轮叶片的低周疲劳寿命研究

对某发动机DZ4定向凝固高温合金涡轮叶片进行了有限元应力分析，应力分析中考虑了发动机实际工作过程中的离心载荷和不均匀温度引起的热负荷。利用应力分析结果和该材料的疲劳特性计算了1次飞行起落过程造成的发动机低循环疲劳损伤和900h飞行的总损伤，根据损伤等效原理，确定了试验规定条件下与900h飞行等效的试验谱以及试验寿命折算为飞行小时寿命的计算公式。     

提高涡轮叶片榫齿疲劳试验合格率的工艺研究

以提高某型涡轮叶片榫齿加工及疲劳合格率作为研究对象,通过对榫齿、榫头两端面磨削加工工艺特点和工艺缺陷进行分析,探讨了影响涡轮叶片疲劳合格率的因素,并提出了通过改善铸件毛料状态、改进热处理工艺、调整酸洗工艺等一系列的提高涡轮叶片疲劳合格率的措施。     

基于民航发动机状态数据的涡轮叶片剩余寿命评估

针对民航发动机的特点,提出一种基于涡轮叶片外场故障数据及快速存取记录器(Quick access recorder, QAR)历史数据的涡轮叶片剩余寿命评估方法。从发动机QAR数据中提取涡轮叶片使用载荷谱,进而借助寿命损耗模型估算涡轮叶片的累积损伤量,并进一步评估涡轮叶片的剩余寿命。以涡轮叶片的蠕变损伤失效模式为例验证方法的可行性,方法可推广应用于热机械疲劳以及疲劳-蠕变交互作用失效模式下的涡轮叶片剩余寿命估计问题,为有限信息条件下外场发动机涡轮叶片的寿命评估提供了一种可行的工程方法,可为民航发动机在翼寿命评估及送修方案的制定提供决策支持。     

航空发动机Ⅰ级涡轮叶片断裂故障分析

某航空发动机Ⅰ级涡轮工作叶片断裂是一项重大故障。本文以光弹性技术为主，从结构、工艺、材料等方面进行综合分析，确定故障的主要原因是离心应力和振动应力组成的变幅应力过大而引起的疲劳断裂。同时提出开卸荷槽的结构措施以及喷丸、调整叶冠装配间隙等工艺措施，大大提高了叶片伸根部分的抗疲劳强度。排故措施经过零件的振动疲劳试验和发动机台架试验证实，并已在新旧发动机中应用，取得良好效果。     

镍基单晶涡轮叶片榫头疲劳裂纹扩展寿命研究

设计航空发动机涡轮叶片榫头/榫槽接触模拟试验件,基于涡轮叶片的实际工况,进行了榫头/榫槽接触疲劳试验。基于Paris公式提出了榫头接触疲劳裂纹扩展寿命模型,并采用晶体滑移有限元程序对涡轮榫头/榫槽接触进行了有限元模拟。有限元分析得到的疲劳裂纹扩展寿命与试验结果相符,表明提出的疲劳裂纹扩展寿命模型可用于指导分析榫头寿命。     

涡轮冷却叶片低周疲劳可靠性协同分析

考虑材料性能和载荷的分散性,运用分布式协同响应面法对涡轮冷却叶片低周疲劳可靠性进行协同分析。运用有限元分析软件,对涡轮冷却叶片进行流-热-固耦合分析;利用人工神经网络构建其平均应力和总应变幅的响应面模型;结合GH4133镍基高温合金的疲劳试验数据,运用线性异方差回归分析方法构建材料寿命响应面模型;以叶片的平均应力和总应变幅作为输入变量,代入到材料寿命响应面模型中得到叶片低周疲劳寿命分布式协同响应面模型;将获得分布式协同响应面模型代替有限元分析模型和材料疲劳试验进行Monte Carlo可靠性分析,得到了不同可靠度下的叶片低周疲劳寿命。与传统响应面方法相比,分布式协同响应面法降低了响应面的非线性程度,提高了分析精度。     

汽车转向桥弯曲疲劳强度研究

提出了疲劳破坏是汽车转向桥实际工作中主要存在的一个问题，对某型客车转向桥进行了结构的改进设计，并建立了其有限元分析模型，使用通用有限元分析软件ANSYS进行了静力及疲劳强度计算，在自行研制的液压激振试验台上进行了试验验证。有限元分析及试验结果均表明，改进后的转向桥疲劳强度能满足使用要求。     

外物损伤对钛合金TC4高周疲劳强度的影响研究

航空发动机风扇/压气机叶片工作时易遭受毫米级尺度硬物冲击产生的外物损伤(foreign object damage,FOD),在高频振动疲劳载荷作用下,FOD极易诱使裂纹萌生并快速扩展,引起叶片的疲劳断裂失效。利用空气炮试验系统,开展了TC4平板试样的FOD模拟试验,对冲击损伤的宏观和微观特征进行了分析,冲击损伤区域有较明显的塑性变形、微裂纹和褶皱等特征。试验研究了FOD对TC4合金高周疲劳强度影响,得到了损伤大小对疲劳强度的影响规律。研究结果表明冲击损伤为疲劳裂纹的萌生提供了有利条件,基于光滑缺口假设的传统缺口疲劳理论在进行FOD试样的疲劳强度预测时能反映冲击损伤对疲劳强度的影响规律,但存在一定的误差。