航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫蠕變分析

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)主要零部件抗蠕變的設(shè)計(jì)要求綜合概括了有關(guān)蠕變的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和計(jì)算分析方法以及壽命預(yù)測(cè)方法。關(guān)鍵詞:航空發(fā)動(dòng)機(jī)蠕變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則壽命預(yù)測(cè)AnalysisofHighTemperatureCreepofAeroenginesRaoShouqi(BeijingUniversityofAeronauticsAstronauticsBeijing100083China)

2、Abstract:Designrequirementsresistancetothecreepofaeroenginecomponentsaredescribedindetail.Thedesigncriteriathecalculationanalysisthelifepredictionaresummarizedfthehightemperaturecreep.Keywds:aeroenginecreepdesigncriteria

3、lifeprediction1引言蠕變會(huì)導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫零部件的塑性變形過(guò)大或產(chǎn)生蠕變應(yīng)力斷裂特別是隨著渦輪前溫度進(jìn)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(huì)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(guò)其熔化溫度的40%時(shí)都會(huì)產(chǎn)生蠕變當(dāng)減小應(yīng)力或降低溫度時(shí)穩(wěn)定蠕變階段(第2階段)時(shí)間增長(zhǎng)甚至加速蠕變階段(第3階段)可能不會(huì)發(fā)生當(dāng)增大應(yīng)力或升高溫度時(shí)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(shí)間內(nèi)就會(huì)斷裂。要求理想的高溫抗蠕變材料蠕變曲線(xiàn)具有很短第1階段和低速率第2階段以便延長(zhǎng)產(chǎn)生限定變形量(如1%)的時(shí)間同時(shí)也要求有一個(gè)明顯的第3階段這樣可以預(yù)示材料在斷裂時(shí)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(kuò)展因此蠕變斷裂是晶間斷裂。雖然蠕變是一種塑性流動(dòng)現(xiàn)象但晶間斷裂過(guò)程卻使斷口具有脆性斷裂的外觀(guān)。蠕變斷裂通常是在沒(méi)有頸縮、也沒(méi)有預(yù)兆的情況下發(fā)生的。目前還不能可靠地預(yù)測(cè)蠕變斷

5、裂或持久斷裂的特性。抗蠕變性能良好的材料必須具有在長(zhǎng)期高溫作用下保持金相組織穩(wěn)定的性能。對(duì)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(duì)于抵抗蠕變也可能是有利的因?yàn)榫ЯＴ酱蟠蟛糠秩渥冞^(guò)程賴(lài)以發(fā)生的晶界長(zhǎng)度也就越短。在航空渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中蠕變強(qiáng)度的判據(jù)一般用蠕變強(qiáng)度極限或持久強(qiáng)度極限來(lái)表征。2種強(qiáng)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(diǎn)不同。例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫材料??6?在900e、100h時(shí)

6、的持久強(qiáng)度為314MPa而在同樣的溫度和時(shí)間條件下產(chǎn)生0.2%的蠕變應(yīng)變時(shí)其蠕變強(qiáng)度極限為196MPa。2航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)抗蠕變?cè)O(shè)計(jì)要求提供足夠的蠕變應(yīng)力斷裂壽命0是發(fā)動(dòng)機(jī)主收稿日期:20030718作者簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)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(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)等多項(xiàng)。10航空發(fā)動(dòng)機(jī)2004年第30卷第1期(2)美國(guó)于1995年1月11日頒布的航空渦噴渦扇渦軸

7、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范(JSGS87231A)中在結(jié)構(gòu)完整性中對(duì)熱部件蠕變?cè)O(shè)計(jì)要求的許多細(xì)節(jié)與MILSTD1783相近只是略有改動(dòng)如第4.4.1.5.3節(jié)背景0中指出:對(duì)每個(gè)有蠕變限制的零件應(yīng)進(jìn)行隨設(shè)計(jì)用法而變化的蠕變和應(yīng)力斷裂壽命分析預(yù)測(cè)應(yīng)根據(jù)指明可以得到滿(mǎn)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(zhǎng)、50%斷裂壽命等)的以往經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)計(jì)工作應(yīng)力。所有轉(zhuǎn)子的蠕變狀態(tài)應(yīng)以每個(gè)葉輪的蠕變?yōu)闇?zhǔn)而不是以每個(gè)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)作連續(xù)的或累計(jì)的長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)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(qiáng)度作比較。但對(duì)某些按破壞條件而不是按變形限制來(lái)確定工作壽命的部件可與蠕變斷裂強(qiáng)度作比較。該標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則0提出:a.壓氣機(jī)。壓氣機(jī)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(qiáng)度銷(xiāo)接固定的葉片根部銷(xiāo)孔邊緣的名義拉伸應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)規(guī)定蠕變強(qiáng)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(qiáng)度。壓氣機(jī)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(guò)規(guī)定的蠕變強(qiáng)度。b.渦輪。渦輪盤(pán)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(pán)樅樹(shù)形榫齒的擠壓應(yīng)力都必須小于規(guī)定的蠕變強(qiáng)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(shù)形榫齒的擠壓應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)規(guī)定的蠕變強(qiáng)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(guò)規(guī)定的蠕變強(qiáng)度。c.該準(zhǔn)則對(duì)主軸及靜子結(jié)構(gòu)也都提出了蠕變的設(shè)計(jì)要求。(4)高效節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)文集第5分冊(cè)第5.1.4節(jié)中的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則指出:蠕變)在一定溫度下長(zhǎng)時(shí)間承受應(yīng)力的材料會(huì)發(fā)生某種形式的變形特別是在轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)中蠕變因素是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在渦輪設(shè)計(jì)中總?cè)渥兞肯拗圃?.2%。(5)有些設(shè)計(jì)指南在考慮蠕變時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)應(yīng)力是用持久強(qiáng)度作為判別標(biāo)準(zhǔn)。例如對(duì)渦輪盤(pán)和葉片(包括葉身、緣板、伸根和榫頭)、

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

12、路是:把蠕變經(jīng)歷的時(shí)間分成有限間隔$t1、$t2、按某種簡(jiǎn)化方法求得每一時(shí)間間隔$ti內(nèi)的蠕變量所有時(shí)間間隔蠕變量的積累即為整個(gè)時(shí)間的蠕變量。在計(jì)算第i個(gè)時(shí)間間隔的$ti蠕變時(shí)一般采用顯式或隱式歐拉法。曾對(duì)渦輪盤(pán)和葉片(包括定向結(jié)晶和單晶)用ANSYS和MARC等程序進(jìn)行了大量的計(jì)算得出了可信結(jié)果[1]。計(jì)算蠕變時(shí)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(dá)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?cè)囼?yàn)擬合出來(lái)。循環(huán)蠕變分析是研究蠕變的重要課題。發(fā)動(dòng)機(jī)是在多種變工況下工作的因此預(yù)測(cè)蠕變壽命時(shí)必須研究發(fā)動(dòng)機(jī)在變動(dòng)溫度和變動(dòng)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(duì)于不同材料其結(jié)論也不同。在簡(jiǎn)單循環(huán)載荷譜下曾對(duì)單晶渦輪葉片作過(guò)循環(huán)蠕變計(jì)算并與靜態(tài)蠕變作了對(duì)比分析[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)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(huì)降低低循環(huán)疲勞壽命。5高溫蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行