航空發(fā)動機的高溫蠕變分析

1、航空發(fā)動機的高溫蠕變分析饒壽期(北京航空航天大學(xué)北京100083)摘要:詳述了航空發(fā)動機主要零部件抗蠕變的設(shè)計要求綜合概括了有關(guān)蠕變的設(shè)計準(zhǔn)則和計算分析方法以及壽命預(yù)測方法。關(guān)鍵詞:航空發(fā)動機蠕變設(shè)計準(zhǔn)則壽命預(yù)測AnalysisofHighTemperatureCreepofAeroenginesRaoShouqi(BeijingUniversityofAeronauticsAstronauticsBeijing100083China)

2、Abstract:Designrequirementsresistancetothecreepofaeroenginecomponentsaredescribedindetail.Thedesigncriteriathecalculationanalysisthelifepredictionaresummarizedfthehightemperaturecreep.Keywds:aeroenginecreepdesigncriteria

3、lifeprediction1引言蠕變會導(dǎo)致航空發(fā)動機高溫零部件的塑性變形過大或產(chǎn)生蠕變應(yīng)力斷裂特別是隨著渦輪前溫度進一步提高其矛盾更加突出。例如在高溫環(huán)境下溫度只增加15e零件的蠕變壽命就會縮短一半。蠕變是材料的固有特性之一金屬材料的工作溫度超過其熔化溫度的40%時都會產(chǎn)生蠕變當(dāng)減小應(yīng)力或降低溫度時穩(wěn)定蠕變階段(第2階段)時間增長甚至加速蠕變階段(第3階段)可能不會發(fā)生當(dāng)增大應(yīng)力或升高溫度時蠕變的第2階段隨之縮短只有起始蠕變階段(第1

4、階段)和第3階段材料在很短時間內(nèi)就會斷裂。要求理想的高溫抗蠕變材料蠕變曲線具有很短第1階段和低速率第2階段以便延長產(chǎn)生限定變形量(如1%)的時間同時也要求有一個明顯的第3階段這樣可以預(yù)示材料在斷裂時有一定的塑性。蠕變變形和蠕變斷裂萌生于晶粒邊界并隨著晶粒滑移和分離而擴展因此蠕變斷裂是晶間斷裂。雖然蠕變是一種塑性流動現(xiàn)象但晶間斷裂過程卻使斷口具有脆性斷裂的外觀。蠕變斷裂通常是在沒有頸縮、也沒有預(yù)兆的情況下發(fā)生的。目前還不能可靠地預(yù)測蠕變斷

5、裂或持久斷裂的特性?？谷渥冃阅芰己玫牟牧媳仨毦哂性陂L期高溫作用下保持金相組織穩(wěn)定的性能。對于抗蠕變良好的合金抗氧化和抗腐蝕的能力通常也是它的重要屬性。較大的晶粒對于抵抗蠕變也可能是有利的因為晶粒越大大部分蠕變過程賴以發(fā)生的晶界長度也就越短。在航空渦噴渦扇發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則中蠕變強度的判據(jù)一般用蠕變強度極限或持久強度極限來表征。2種強度極限都是反映材料高溫性能的指標(biāo)其區(qū)別在于側(cè)重點不同。例如航空發(fā)動機高溫材料??6?在900e、100h時

6、的持久強度為314MPa而在同樣的溫度和時間條件下產(chǎn)生0.2%的蠕變應(yīng)變時其蠕變強度極限為196MPa。2航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)抗蠕變設(shè)計要求提供足夠的蠕變應(yīng)力斷裂壽命0是發(fā)動機主收稿日期:20030718作者簡介:饒壽期(1935))教授1959年畢業(yè)于北京航空學(xué)院從事航空發(fā)動機教學(xué)和研究工作在單晶和定向結(jié)晶等葉片的研究工作中曾獲部級科技進步獎等多項。10航空發(fā)動機2004年第30卷第1期(2)美國于1995年1月11日頒布的航空渦噴渦扇渦軸

7、渦槳發(fā)動機通用規(guī)范(JSGS87231A)中在結(jié)構(gòu)完整性中對熱部件蠕變設(shè)計要求的許多細節(jié)與MILSTD1783相近只是略有改動如第4.4.1.5.3節(jié)背景0中指出:對每個有蠕變限制的零件應(yīng)進行隨設(shè)計用法而變化的蠕變和應(yīng)力斷裂壽命分析預(yù)測應(yīng)根據(jù)指明可以得到滿意的高概率蠕變和應(yīng)力斷裂壽命(例如0.1%塑性蠕變壽命、0.127mm輪緣直徑增長、50%斷裂壽命等)的以往經(jīng)驗確定設(shè)計工作應(yīng)力。所有轉(zhuǎn)子的蠕變狀態(tài)應(yīng)以每個葉輪的蠕變?yōu)闇?zhǔn)而不是以每個葉

8、片的蠕變?yōu)闇?zhǔn)等。這些與MILSTD1783不同的提法是值得研究的。(3)斯貝MK202發(fā)動機應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)(EGD3)的第2.1.3節(jié)中提出:只有在要求發(fā)動機作連續(xù)的或累計的長時間工作時才考慮蠕變通常將蠕變條件下的應(yīng)力與材料的0.1%蠕變強度作比較。但對某些按破壞條件而不是按變形限制來確定工作壽命的部件可與蠕變斷裂強度作比較。該標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則0提出:a.壓氣機。壓氣機轉(zhuǎn)子葉片的蠕變應(yīng)力規(guī)定:葉身彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的合成應(yīng)力應(yīng)小于規(guī)定的蠕變

9、強度銷接固定的葉片根部銷孔邊緣的名義拉伸應(yīng)力不應(yīng)超過規(guī)定蠕變強度的60%燕尾形榫頭根部所有應(yīng)力應(yīng)小于規(guī)定的蠕變強度。壓氣機靜子葉片在所有作用有蠕變應(yīng)力的條件下最大彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過規(guī)定的蠕變強度。b.渦輪。渦輪盤的平均周向應(yīng)力、在任意半徑上的徑向應(yīng)力的合力(離心力加熱載荷)以及盤樅樹形榫齒的擠壓應(yīng)力都必須小于規(guī)定的蠕變強度。渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉冠、伸根和葉根頸部的彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的合成應(yīng)力以及樅樹形榫齒的擠壓應(yīng)力不應(yīng)超過規(guī)定的蠕變強度。在所

10、有蠕變應(yīng)力的條件下渦輪導(dǎo)向葉片最大彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過規(guī)定的蠕變強度。c.該準(zhǔn)則對主軸及靜子結(jié)構(gòu)也都提出了蠕變的設(shè)計要求。(4)高效節(jié)能發(fā)動機文集第5分冊第5.1.4節(jié)中的設(shè)計準(zhǔn)則指出:蠕變)在一定溫度下長時間承受應(yīng)力的材料會發(fā)生某種形式的變形特別是在轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)中蠕變因素是一個重要的設(shè)計準(zhǔn)則。在渦輪設(shè)計中總?cè)渥兞肯拗圃?.2%。(5)有些設(shè)計指南在考慮蠕變時對設(shè)計應(yīng)力是用持久強度作為判別標(biāo)準(zhǔn)。例如對渦輪盤和葉片(包括葉身、緣板、伸根和榫頭)、

11、壓氣機盤和葉片等都規(guī)定了持久強度儲備。將在所研究狀態(tài)的工作溫度和持續(xù)時間的條件下相應(yīng)材料的持久強度極限與該條件下計算點工作應(yīng)力的比值稱為儲備系數(shù)對不同零件都規(guī)定了不同的儲備系數(shù)。4蠕變的計算分析方法高溫零部件蠕變變形和蠕變應(yīng)力計算是進行零部件壽命預(yù)測的重要組成部分。蠕變是與時間有關(guān)的塑性變形是非線性問題。同時在蠕變過程中應(yīng)力重新分配蠕變量與瞬時應(yīng)力水平有關(guān)而瞬時應(yīng)力水平又是時間的函數(shù)所以蠕變計算是較復(fù)雜的。用有限元法求解蠕變問題的基本思

12、路是:把蠕變經(jīng)歷的時間分成有限間隔$t1、$t2、按某種簡化方法求得每一時間間隔$ti內(nèi)的蠕變量所有時間間隔蠕變量的積累即為整個時間的蠕變量。在計算第i個時間間隔的$ti蠕變時一般采用顯式或隱式歐拉法。曾對渦輪盤和葉片(包括定向結(jié)晶和單晶)用ANSYS和MARC等程序進行了大量的計算得出了可信結(jié)果[1]。計算蠕變時首先要確定蠕變律在大多數(shù)工程應(yīng)用中采用Nton的表達式:Ec=ARntp式中A、n和p為不同溫度下的材料常數(shù)可由材料的單軸蠕

13、變試驗擬合出來。循環(huán)蠕變分析是研究蠕變的重要課題。發(fā)動機是在多種變工況下工作的因此預(yù)測蠕變壽命時必須研究發(fā)動機在變動溫度和變動應(yīng)力下的循環(huán)蠕變特性。這種循環(huán)蠕變特性和恒定溫度與恒定應(yīng)力狀態(tài)下的靜態(tài)蠕變特性相比對于不同材料其結(jié)論也不同。在簡單循環(huán)載荷譜下曾對單晶渦輪葉片作過循環(huán)蠕變計算并與靜態(tài)蠕變作了對比分析[2]。發(fā)動機工作時部件的應(yīng)力狀態(tài)是熱彈塑性加蠕變即產(chǎn)生疲勞和蠕變需要考慮它們的交互作用蠕變會降低低循環(huán)疲勞壽命。5高溫蠕變試驗進行