基于应力储备的压气机轮盘中心孔持久损伤评估方法与流程

1.本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及基于应力储备的压气机轮盘中心孔持久损伤评估方法。


背景技术：

2.轮盘是航空发动机最典型的关键件（注：关键件是指失效可能造成危险性发动机影响的零件），其主要由轮缘、辐板和轮毂三部分组成，轮盘的中心孔是轮盘设计最关注的关键部位之一。
3.为了保证航空发动机轮盘的使用安全，国外著名航空发动机公司常采用应力储备的强度设计方法来限制轮盘上的应力水平。这种方法一般是以名义应力（即平均应力）为基础，比如在20世纪60年代英国罗尔斯
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罗伊斯公司（简称r
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r公司）针对speymk202发动机制定egd－3应力标准。由于应力储备方法使用方便、简单有效，国内的发动机部分轮盘强度设计也借鉴了国外的应力储备标准，比如2001年出版的《航空发动机设计手册》中的压气机轮盘典型应力标准借鉴了egd－3应力标准，具体情况见表1。
4.表1压气机盘典型应力储备标准对比随着航空发动机推重比不断提升，使发动机轮盘承受的温度载荷不断提升，比如美国ge公司的f110发动机，采用压气机盘心引气的结构方式，该引气方式会导致引气流路附近的压气机轮盘中心孔的温度与轮缘温度相当，甚至超过轮缘温度。
5.轮盘在高温下长时间工作，其蠕变变形问题和持久应力断裂问题越来越得到设计人员的关注。因此，2018年出版的《航空燃气涡轮发动机结构强度设计准则》中的轮盘应力标准在表1基础上增加了蠕变强度储备和持久强度储备的内容（见表2），分析发现表2针对轮盘中心孔未给出持久强度储备要求。
6.表2轮盘典型应力标准（军用发动机）
中心孔在高温下工作时材料性能严重下降，同时承受着蠕变/持久与低循环疲劳载荷，若不考虑蠕变/持久效应，而仅按表 1开展中心孔屈服强度储备评估，无法保证轮盘高温下工作时的使用安全。
7.压气机中心孔在高温下工作，不仅需要考虑中心孔的低循环疲劳寿命损伤，还需要考虑中心孔的持久寿命损伤。持久寿命定义为在给定的工作温度和应力条件下，构件不发生持久失效（或应力断裂）的时间。
8.2018年出版的《航空燃气涡轮发动机结构强度设计准则》中要求轮盘工作温度下材料的持久应力-寿命曲线方程（）中表示曲线斜率的幂指数m≤7时，应进行持久强度储备和持久寿命评估，m的计算公式为：其中（t1，σ1）、（t2，σ2）分别为材料持久应力-寿命曲线上任意两点的坐标。
9.但是工程上发现所有压气机轮盘中心孔工作温度下表示曲线斜率的幂指数m》7，不满足评估持久寿命的条件。


技术实现要素：

10.有鉴于此，本发明提供基于应力储备的压气机轮盘中心孔持久损伤评估方法，通过限制在高温环境下工作的压气机中心孔持久强度应力储备，使得轮盘中心孔在高温环境下工作的持久损伤在可控范围内，能够确保轮盘中心孔的安全可靠和轮盘高温下的使用安全。
11.基于应力储备的压气机轮盘中心孔持久损伤评估方法，包括如下步骤：步骤1、计算不同工况下压气机轮盘中心孔平均温度；步骤2、判断不同工况下轮盘中心孔平均温度对应的材料屈服强度或拉伸强度相比室温状态材料屈服强度或拉伸强度下降是否有超过预设阈值；步骤3、针对步骤2中下降超过预设阈值的n个工况，计算压气机的轮盘中心孔的持久强度储备，其中，为在第j工况的中心孔平均周向应力，为在第j工况对应的工作时间内和温度条件下构件不发生破坏的最大恒定应力；步骤4、计算当量持久储备
式中：为在最高温度工况下持久应力-寿命曲线的幂指数；n为计算的工况数量；当量持久储备应满足大于等于持久强度储备标准值，确定压气机中心孔持久强度储备满足要求。
12.进一步地，步骤1中预设阈值的取值为10%。
13.进一步地，步骤1中利用有限元的计算结果，采用路径积分求得中心孔的平均温度。
14.进一步地，步骤3中的中心孔平均周向应力是采用有限元计算轮盘应力，根据路径积分求得中心孔的平均周向应力。
15.进一步地，步骤4中持久强度储备标准值的取值为1.3。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过限制在高温环境下工作的压气机中心孔持久强度应力储备，使得轮盘中心孔在高温环境下工作的持久损伤在可控范围内，能够确保轮盘中心孔的安全可靠和轮盘高温下的使用安全。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
18.图1为实施例1或2中基于应力储备的压气机轮盘中心孔持久损伤评估方法流程图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
20.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
21.实施例1参见图1，基于应力储备的压气机轮盘中心孔持久损伤评估方法，包括如下步骤：步骤1、计算不同工况下压气机轮盘中心孔平均温度；步骤2、判断不同工况下轮盘中心孔平均温度对应的材料屈服强度或拉伸强度相比室温状态材料屈服强度或拉伸强度下降是否有超过预设阈值；步骤3、针对步骤2中下降超过预设阈值的n个工况，计算压气机的轮盘中心孔的持久强度储备，其中，为在第j工况的中心孔平均周向应力，为在第j工况对应的工作时间内和温度条件下构件不发生破坏的最大恒定应力；
步骤4、计算当量持久储备式中：为在最高温度工况下持久应力-寿命曲线的幂指数；n为计算的工况数量；当量持久储备应满足大于等于持久强度储备标准值，确定压气机中心孔持久强度储备满足要求。
22.在本实施例中，通过计算不同工况下压气机轮盘中心孔平均温度，并判断每个工况下中心孔平均温度对应的材料屈服强度或拉伸强度相比室温状态材料屈服强度或拉伸强度下降是否有超过预设阈值，对于超过预设阈值的n个工况分别计算轮盘中心孔的持久强度储备，再根据n个轮盘中心孔的持久强度储备和最高温度工况下持久应力-寿命曲线的幂指数m1计算压气机轮盘中心孔的当量持久储备；若当量持久储备大于持久强度储备标准值，表示中心孔的应力储备能够满足高温环境下工作的压气机中心孔持久强度应力储备，使得轮盘中心孔在高温环境下工作的持久损伤在可控范围内，保证轮盘中心孔的安全可靠，保证轮盘高温下工作时的使用安全。
23.本实施例中的预设阈值是作为中心孔是否在高温下工作的判断依据，预设阈值的取值可根据压气机材料性能和结构参数确定。若超过对应的预设阈值，说明中心孔在高温下工作，应进行持久强度评估，计算对应的当量持久储备应是否满足要求。
24.通过本实施例的评估方法，可以规避在轮盘设计初期不可能进行细致、精确的强度计算和寿命分析的问题；而且用应力储备的方法反复估算较为方便。采用持久强度储备标准值作为判断依据，不仅可尽快确定轮盘中心孔宏观结构尺寸，节省人力、物力，又能提高材料的利用率，达到减小轮盘尺寸和减轻轮盘重量的要求。
25.实施例2参见图1，本实施例通过对某一型号的航空发动机进行基于应力储备的压气机轮盘中心孔持久损伤评估，对本发明的方法和效果进行说明。该发动机压气机第1级轮盘材料为tc17（α-β型两相钛合金），其部分材料性能见表3。
26.表3tc17部分材料性能数据由表3可知，室温20℃时，tc17材料拉伸强度为1200mpa；200℃时，tc17材料拉伸强度为1000mpa。
27.具体步骤如下：第一步：计算压气机轮盘中心孔平均温度对该型发动机所有的典型稳定状态（即：工况）的温度进行有限元计算，利用有限元的计算结果，采用路径积分可方便的求得中心孔的平均温度。
28.第二步：判断是否开展持久强度储备评估本实施例中预设阈值的取值为10%，即当轮盘中心孔平均温度引起材料屈服或拉伸强度性能（、或）相比室温状态下降超过10%时，说明中心孔在高温下工作，应进行持久强度评估。
29.由表3可知当温度达到200℃时，tc17材料温度引起的屈服或拉伸强度性能下降约（1200-1000）/1200≈16.7%，性能下降已经超过10%，应进行持久强度评估。
30.第三步：开展持久强度储备评估选择应开展持久强度评估的发动机状态（即下降超过预设阈值的n个工况），采用有限元计算轮盘应力，利用有限元的计算结果，采用路径积分可方便的求得中心孔平均周
向应力。
31.计算压气机的轮盘中心孔的持久强度储备，其中，为在第j工况的中心孔平均周向应力，为在第j工况对应的工作时间内和温度条件下构件不发生破坏的最大恒定应力。
32.第四步：计算当量持久储备采用基于在n工况持久静载条件下等强度储备当量状态的假设，将所有状态换算成一个状态，换算状态的当量持久储备应满足大于等于持久强度储备标准值。
33.具体可按以下步骤得到：a）确定换算状态使用等强度储备当量状态假设，取最高温度状态为换算状态。
34.b）当量持久储备确定为：式中：为在最高温度工况下持久应力-寿命曲线的幂指数；n为计算的工况数量；当量持久储备应满足大于等于持久强度储备标准值，确定压气机中心孔持久强度储备满足要求。本实施例中持久强度储备标准值的取值为1.3。若当量持久储备应满足小于持久强度储备标准值，则应改进设计，如进行中心孔降温、换材、加厚等改进措施。
35.本技术中推荐压气机中心孔在高温下工作时持久强度储备标准值的取值为1.3，其内在取值原理有a）~c）三个方面：a）为保证安全通常轮盘应力储备必须大于1，航空发动机是在保证安全的基础上又要考虑重量不能太大，所以持久强度储备一般不大于1.5；（注：不同发动机由于结构、载荷、用法等不同，中心孔的持久强度储备应力标准是可以调整的，但是应在1~1.5的范围内）；b）gjb241a-2010第3.3.2.3.5（转子超转）要求：转子应有足够的强度承受转子转速为稳态最高允许转速的115%。考虑在弹性范围内轮盘应力与转速的平方成正比的关系，即，其中表示转速为时的轮盘应力，表示转速为时的轮盘应力。
36.转速115%的平方约等于1.3，即115%的转速储备与1.3的应力储备效果基本相同，因此表2中任意半径上的径向应力（有热载）持久储备要求也为1.3，其内在原理与本标准基本一致。
37.c）通过选取8种压气机轮盘常用材料（tc4、tc17、tc11、ta12、ta19、gh4169、fgh95、fgh96），根据这些材料的持久性能数据，将其中30h和100h的持久性能数据分别除以1.3，大多数材料得到的应力水平仍分别低于300h和1000h的持久性能数据。说明假如压气机中心孔取1.3的持久强度储备，大多数材料中心孔位置的持久寿命可以达到5倍甚至更多，此时持久损伤基本可以忽略，或者可以理解设计过程中已经考虑了中心孔在高温下工作时材料性能的下降。
38.以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。