针对叶片阻尼台断裂故障的试验方法

□ 田 齐 □ 张振宇 □ 李 季

中国航发西安航空发动机有限公司 西安 710021

1 试验原理

叶片是航空发动机的关键件,所处的工作环境十分复杂,会受到较高的离心载荷、气动载荷、高温载荷、声学载荷、机械振动载荷的影响,静动应力均较大。由于振动的影响,叶片往往会产生高周疲劳,引发裂纹,甚至断裂,严重影响航空发动机的安全性。阻尼台常用于提高航空发动机叶片的高周疲劳可靠性,其加工质量及结构设计的合理性对于叶片的可靠性和疲劳寿命而言至关重要。

航空发动机叶片的疲劳寿命和疲劳强度一般需要通过试验方法获取。试验时,利用激振设备使叶片在某阶固有频率下产生共振,从而承受振动应力,达到考核叶片强度的目的。对于在外场使用时出现断裂故障的叶片,往往需要定点考核某些局部位置,因此需要设计合理的试验方案,使载荷准确地加载至预定部位,从而达到故障复现和进行改进验证的目的。

2 故障情况

某型航空发动机风扇叶片在外场使用时发生断裂故障,断口分析后判断原因为疲劳裂纹,起始于叶盆侧阻尼台与叶身转接处。对工艺过程复查后发现,该叶片在进行阻尼台工作面耐磨涂层焊接时,由于工艺参数控制不当,导致阻尼台前缘与叶身转接处发生电击伤,烧伤叶片。为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与烧伤叶片进行疲劳强度对比试验。

3 试验方案

阻尼台位于叶身上半部,根据以往叶片疲劳试验的经验,仅固定榫头在各阶振型下都很难将载荷施加至阻尼台根部,并且很难实现高应力加载,无法对目标位置进行考核。采用榫头和阻尼台同时固持的方式,可以形成以阻尼台为固持点的振型,比较容易实现对阻尼台施加振动载荷。

按照拟定的试验固持方式,采用ANSYS有限元分析软件开展叶片模态计算。计算表明,叶片在一阶扭转振型下的最大应力区位于叶盆侧阻尼台前缘与叶身转接处,与损伤部位基本一致,因此将一阶扭转振型确定为试验振型。一阶扭转振型下最大应力区域集中,应力分布梯度较大,应力分布云图如图1所示。

选择合适叶片振型并将载荷准确地施加至目标位置,这是试验的中心环节,对试验结果是否可信至关重要,夹具设计与试验过程中的载荷控制都必须满足这一要求。

叶片故障位置位于叶盆侧阻尼台前缘与叶身转接处,为了能够在故障位置施加较大振动应力,采用同时固持阻尼台和榫头的方式。其中,榫头部位采用后顶式结构固持,阻尼台部分采用上下压紧式结构固持。由于阻尼台的特殊外形结构导致固持较困难,因此笔者对叶盆侧和叶背侧阻尼台的局部进行修整,形成两个平行面,以保正固持的可操作性和稳定性。叶片固持方式如图2所示。

▲图1 一阶扭转振型应力分布云图

▲图2 叶片固持方式

4 试验过程

试验采用电磁振动台作为激励源,试验系统如图3所示。为了验证试验方案的可行性,选取一件叶片,在高应力下使叶片快速断裂,并观察裂纹情况。结果表明,裂纹位置与外场断裂位置一致,裂纹穿过电击伤区域。裂纹位置如图4所示。

根据钛合金材料的疲劳特性,选取3×107次作为循环基数,将110 MPa作为起始应力,将20 MPa作为应力台阶,采用逐级加载的方式对试验载荷进行确定。为了得到叶片的最低疲劳强度,选取三件烧伤叶片进行试验。逐级加载试验结果见表1。

表1 逐级加载试验结果

▲图3 试验系统▲图4 裂纹位置

根据逐级加载试验原理,将3×107次作为循环基数的中值疲劳强度,为140 MPa。考虑到累积损伤对叶片疲劳强度的影响,应将疲劳强度值适当提高,定为150 MPa。

从正常和烧伤两种类型的叶片中分别选取六件进行疲劳强度对比试验,将150 MPa作为初始应力,将20 MPa作为应力台阶,选取3×107次为循环基数,进行逐级加载。若在某一应力下通过3×107次疲劳强度考核,则增大应力继续试验,直至叶片出现工程可见裂纹或频率降低1%。疲劳对比试验结果见表2。

表2 疲劳对比试验结果

5 试验数据分析

叶片疲劳性能的优劣,除了表现为较高的疲劳寿命外,还要有较好的均匀性。根据试验数据及疲劳统计方法,需进行母体平均值检验。

母体平均值检验是t分布原理的应用,也称为t检验。母体平均值代表产品的平均水平。进行对比试验的两组叶片的疲劳寿命,可以看作是从两个母体中分别抽取的两个子样。根据两个子样来检验两个母体的平均值是否相同,如果相同,那么就疲劳寿命而言,可以认为这两个子样来自平均值相同的两个母体;反之,认为两个子样来自平均值不相同的两个母体,试验结果存在条件误差。

母体中随机抽取一个样本数为n的子样,即取得n个疲劳寿命观测数据,这n个数据的平均值即为子样平均值。根据表2中数据,正常叶片子样平均值为7.477 1,烧伤叶片子样平均值为7.230 1。

根据数理统计学原理,用各个偏差二次方的总和除以自由度,即子样方差来度量分散性。根据表2中数据,正常叶片子样方差为0,烧伤叶片子样方差为0.049。

F=0.049/0=+∞,取显著度为5%,查相关资料得显著度为5%时的统计量F0.05为9.6。

可知F大于F0.05,说明两个子样方差有明显差异,可以认为两个子样来自不同的母体,即两种叶片疲劳寿命存在明显差异。

由表2数据可知,在150 MPa应力水平下,正常叶片全部通过了3×107次疲劳强度考核,烧伤叶片均未通过3×107次疲劳强度考核,且正常叶片子样平均值大于烧伤叶片子样平均值,说明烧伤叶片疲劳强度明显低于正常叶片。

6 结束语

笔者通过设计合理的试验夹具,结合ANSYS软件计算,复现了叶片在外场使用时的断裂模式,确认了由于工艺参数控制不当而导致叶盆侧阻尼台前缘与叶身转接处的电击伤为叶片断裂的主因。

采用榫头和阻尼台同时固持的方式,实现了在高阶模态下对叶片阻尼台部位进行疲劳强度考核,并准确地实现了应力载荷的施加。

在叶片一阶扭转振型下完成了正常叶片和烧伤叶片疲劳强度对比试验。试验结果表明,叶盆侧阻尼台前缘与叶身转接处的电击伤对叶片疲劳强度的降低有较为明显的影响,为后续评价其它烧伤叶片是否可用提供了依据。