涡轮叶片耦合疲劳寿命预测与试验验证

由于; 徐健; 燕群; 张伟; 郭定文; 黄太誉

doi:10.13224/j.cnki.jasp.20210019

Chinese

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

涡轮叶片耦合疲劳寿命预测与试验验证

结构、强度、振动 | 更新时间：2025-04-07

- 涡轮叶片耦合疲劳寿命预测与试验验证
- Combined fatigue life prediction and experiment verification for turbine blade
- 航空动力学报 2022年37卷第5期页码：946-953
- 作者机构：
  
  中国飞机强度研究所航空声学与振动航空科技重点实验室，西安 710065
- 作者简介：
  
  由于（1989-），男，高级工程师，硕士，主要从事航空发动机强度分析与试验研究。
- 基金信息：
- DOI：10.13224/j.cnki.jasp.20210019
  中图分类号：
- 稿件说明：
移动端阅览
由于, 徐健, 燕群, 等. 涡轮叶片耦合疲劳寿命预测与试验验证[J]. 航空动力学报, 2022,37(5):946-953.

Yu YOU, Jian XU, Qun YAN, et al. Combined fatigue life prediction and experiment verification for turbine blade[J]. Journal of Aerospace Power, 2022, 37(5): 946-953.
由于, 徐健, 燕群, 等. 涡轮叶片耦合疲劳寿命预测与试验验证[J]. 航空动力学报, 2022,37(5):946-953. DOI： 10.13224/j.cnki.jasp.20210019.

Yu YOU, Jian XU, Qun YAN, et al. Combined fatigue life prediction and experiment verification for turbine blade[J]. Journal of Aerospace Power, 2022, 37(5): 946-953. DOI： 10.13224/j.cnki.jasp.20210019.

摘要

为了解决涡轮转子叶片在温度、离心力和气动/噪声联合载荷作用下的疲劳强度问题，开展了高低周复合载荷谱分解方法和基于高低周载荷的全时域蠕变损伤累积模型研究，提出了同时考虑蠕变损伤、低周疲劳损伤和高周疲劳损伤的耦合疲劳寿命预测方法。同时，通过正交载荷解耦和耦合载荷协调加载控制等关键技术的应用，开发了高温环境下的高低周复合疲劳试验平台。最终，基于设计的涡轮叶片模拟件，完成了耦合疲劳寿命预测和试验验证。结果表明：模拟试件的耦合疲劳寿命试验结果分散系数为1.01，耦合疲劳寿命的预测结果与试验结果偏差小于24%，从而验证了疲劳寿命预测模型的正确性，为我国航空发动机热端部件的疲劳强度设计和验证提供了有效的技术途径。

Abstract

In order to solve the fatigue strength problems of turbine rotor blade under the combined loads of temperature

centrifugal force and aerodynamic/acoustic

the decomposition method of a high⁃low cycle complex load spectrum and the full⁃time domain creep damage cumulative model based on the high⁃low cycle complex load were investigated.The combined fatigue life prediction method considering simultaneously the fatigue damage of creep

low cycle and high cycle was proposed.Meanwhile

the high⁃low cycle complex fatigue experiment platform was developed through application of the critical technologies

such as orthogonal loads decoupling and coordinated loading control of the complex load.Finally

taking a simulation specimen of a turbine blade as the research object

the combined fatigue life prediction and experiment verification were accomplished.Results showed that the scatter factor of experiment result of combined fatigue life was 1.01

and the deviation between the prediction result and the experiment result was less than 24%.The validity of fatigue life prediction model was verified

providing an effective technical approach to fatigue strength design and validation for aero⁃engine hot⁃end components.

关键词

Keywords

references

陶春虎 , 钟培道 , 王仁智 , 等 . 航空发动机转动部件的失效与预防 [M]. 北京 : 国防工业出版社 , 2008 .

王红 , 左华付 , 何训 , 等 . 某型航空发动机第三级涡轮叶片失效分析 [J]. 失效分析与预防 , 2007 , 2 （ 1 ）: 24 ⁃ 28 .

WANG Hong , ZUO Huafu , HE Xun ， et al . Failure analysis of 3rd turbine blade of aero⁃engines [J]. Failure Analysis and Prevention , 2007 , 2 （ 1 ）: 24 ⁃ 28 . （in Chinese）

COWLES B A . High cycle fatigue in aircraft gas turbines⁃an industry perspective [J]. International Journal of fracture , 1996 , 80 （ 2 ）: 147 ⁃ 163 .

WESER S , GAMPE U , RADDATZ M , et al . Advanced experimental and analytical investigations on combined cycle fatigue （CCF） of conventional cast and single⁃crystal gas turbine blades [R]. ASME Paper GT2011⁃45171 , 2011 .

陈立杰 , 冶铁强 , 谢里阳 . 涡轮叶片蠕变⁃疲劳交互作用下寿命预测方法综述 [J]. 航空制造技术 , 2004 , 47 （ 12 ）: 61 ⁃ 64,84 .

CHEN Lijie , YE Tieqiang , XIE Liyang . Overview on life prediction methods of turbine blade for creep/fatigue interaction [J]. Aeronautical Manufacturing Technology , 2004 , 47 （ 12 ）: 61 ⁃ 64,84 . （in Chinese）

高靖云 , 张成成 , 侯乃先 , 等 . 考虑应力松弛的单晶涡轮叶片蠕变疲劳寿命预测 [J]. 航空动力学报 , 2016 , 31 （ 3 ）: 539 ‑ 547 .

GAO Jingyun , ZHANG Chengcheng , HOU Naixian , et al . Creep‑fatigue life prediction of single crystal turbine blade with the influence of stress relaxation [J]. Journal of Aerospace Power , 2016 , 31 （ 3 ）: 539 ⁃ 547 . （in Chinese）

ROGGE T , BERGER R , POHLE L , et al . Efficient structural analysis of gas turbine blades [J]. Aircraft Engineering and Aerospace Technology , 2016 , 90 （ 9 ）: 1305 ⁃ 1316 .

李骏 , 宋友辉 , 刘汉斌 , 等 . 涡轮叶片⁃榫头⁃轮盘的蠕变与低循环疲劳寿命预测 [J]. 推进技术 , 2015 , 36 （ 11 ）: 1699 ⁃ 1704 .

LI Jun , SONG Youhui , LIU Hanbin , et al . Creep and low cycle fatigue life prediction for turbine blade⁃tenon⁃disk structure [J]. Journal of Propulsion Technology , 2015 , 36 （ 11 ）: 1699 ⁃ 1704 . （in Chinese）

ZHU Shunpeng , YUE Peng , YU Zhengyong . A combined high and low cycle fatigue model for life prediction of turbine blades [J]. Materials , 2017 , 10 （ 7 ）: 698 ⁃ 712 .

HOU N X , WEN Z X , YU Q M , et al . Application of a combined high and low cycle fatigue life model on life prediction of SC blade [J]. International Journal of Fatigue , 2009 , 31 （ 4 ）: 616 ⁃ 619 .

ZHENG X , ENGLER⁃PINTO Jr . C C,SU X, et al.Modeling of fatigue damage under superimposed high⁃cycle and low‑cycle fatigue loading for a cast aluminum alloy[J]. Materials Science and Engineering A , 2013 , 560 （ 10 ）: 792 ‑ 801 .

HAN Lei , HUANG Dawei , YAN Xiaojun , et al . Combined high and low cycle fatigue life prediction model based on damage mechanics and its application in determining the aluminized location of turbine blade [J]. International Journal of Fatigue , 2019 , 127 （ 5 ）: 120 ⁃ 130 .

彭立强 , 王健 . 涡轮叶片高温多轴低周疲劳/蠕变寿命研究 [J]. 航空动力学报 , 2009 , 24 （ 7 ）: 1549 ⁃ 1555 .

PENG Liqiang , WANG Jian . Research on low cycle⁃multiaxial fatigue⁃creep life prediction at high temperature for turbine blade [J]. Journal of Aerospace Power , 2009 , 24 （ 7 ）: 1549 ‑ 1555 . （in Chinese）

HU Dianyin , WANG Rongqiao . Combined fatigue experiments on full scale turbine components [J]. Aircraft Engineering and Aerospace Technology , 2013 , 385 （ 1 ）: 4 ⁃ 9 .

SHI D , LI Z , YANG X . Accelerated LCF⁃creep experimental methodology for durability life evaluation of turbine blade [J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures , 2018 , 41 （ 5 ）: 1196 ⁃ 1207 .

THIELE M , WESER S , GAMPE U , et al . Advancement of experimental methods and cailletaud material model for life prediction of gas turbine blades exposed to combined cycle fatigue [R]. ASME Paper GT2012⁃68452 , 2012 .

侯静泳 , 蔡肇云 , 屠一鹤 . TC⁃11钛合金高低周复合疲劳及损伤累积研究 [J]. 航空动力学报 , 1992 , 7 （ 2 ）: 135 ⁃ 138 .

HOU Jingyong , CAI Zhaoyun , TU Yihe . Research on high⁃low cycle complex fatigue and accumulative damage for Ti⁃alloy TC11 [J]. Journal of Aerospace Power , 1992 , 7 （ 2 ）: 135 ⁃ 138 . （in Chinese）

《中国航空材料手册》编委会 . 中国航空材料手册:第2卷 [M]. 北京 : 中国标准出版社 , 2001 .

由于 , 张伟 , 燕群 , 等 . 基于高低周复合疲劳试验技术的叶片失效故障复现 [J]. 推进技术 , 2020 , 41 （ 5 ）: 1130 ⁃ 1137 .

YOU Yu , ZHANG Wei , YAN Qun , et al . Blade failure recurrence based on high⁃low cycle complex fatigue experiment technique [J]. Journal of Propulsion Technology , 2020 , 41 （ 5 ）: 1130 ⁃ 1137 . （in Chinese）

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

基于自适应MOMEDA滚动轴承故障特征提取方法

组合式弹性金属密封泄漏特性实验研究与结构优化

与发动机匹配的旁路式双喉道气动矢量喷管数值模拟研究

考虑多源不确定性的复合材料风扇叶片高周疲劳失效概率评估

基于三维接触摩擦单元的套齿连接解析建模研究