CN104535324B - 一种发动机低循环寿命控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种发动机低循环寿命控制方法，属于航空发动机可靠性设计技术领域，是将发动机的工作转速区间按特殊方法进行分类，对发动机实际使用的转速，应用该分类方法得到几种典型的发动机低循环谱；再将低循环谱按计算方法换算到标准低循环次数，要求工作累计的标准低循环次数不超过设计指标；本发明能够有效地对发动机低循环疲劳寿命进行监控，对保障发动机在寿命期内安全可靠地工作具有重要意义，该控制方法在实际应用中具有广泛的适应性，能够在各型发动机上进行应用，实现良好的技术效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机可靠性设计技术领域，具体涉及一种发动机低循环寿命控制方法。
背景技术
目前，国产发动机一般采用限制总工作时间的方法进行寿命控制，即规定发动机的工作时间不超过一定小时数，工作达到规定的小时数后进行一个寿命期的修理；一种发动机在使用初期也采用这种方法进行寿命控制，用于保障其寿命期内安全可靠地工作；随着发动机后续使用工况的改变，发动机低循环使用载荷急剧增加，导致低循环疲劳寿命不能满足发动机可靠性要求；为了保障发动机工作的可靠性，急需一种低循环疲劳寿命的控制方法，以实现对发动机的低循环寿命的有效控制。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明提出一种发动机低循环寿命控制方法，以达到保障发动机在寿命期内安全可靠的目的。
一种发动机低循环寿命控制方法，方法包括以下步骤：
步骤1、对被测发动机寿命薄弱的部件进行低循环疲劳破坏实验，确定发动机的低循环使用寿命，即获得发动机的标准低循环次数总数；
步骤2、根据被测发动机的型号，确定该发动机不同转速载荷状态的各转速区间低循环谱；
步骤3、采用软件获得被测发动机各转速区间低循环谱的模拟疲劳寿命次数，并将步骤1获得的发动机的标准低循环次数总数除以被测发动机各转速区间低循环谱的模拟疲劳寿命次数，获得各转速区间低循环谱与标准低循环次数的换算系数；
步骤4、统计发动机每天实际飞行的各转速区间低循环谱的实际次数，将每天的各转速区间低循环谱的实际次数与对应的换算系数相乘并求和，获得发动机每天的标准低循环次数；
步骤5、将发动机各天的标准低循环次数进行累加，当累加次数达到被测发动机的标准低循环次数总数时，则该发动机达到安全使用寿命，需要进行维修或更换。
步骤1所述的破坏实验，当对多个同样的发动机部件进行实验时，将获得的各发动机的标准低循环次数求平均数，并除以寿命散度系数，获得最终的发动机的标准低循环次数总数，所述的部件个数为1～3个。
本发明优点：
本发明一种发动机低循环寿命控制方法，是将发动机的工作转速区间按特殊方法进行分类，对发动机实际使用的转速，应用该分类方法得到几种典型的发动机低循环谱；再将低循环谱按计算方法换算到标准低循环次数，要求工作累计的标准低循环次数不超过设计指标；本发明能够有效地对发动机低循环疲劳寿命进行监控，对保障发动机在寿命期内安全可靠地工作具有重要意义，该控制方法在实际应用中具有广泛的适应性，能够在各型发动机上进行应用，实现良好的技术效益和经济效益；
本发明应用于两种发动机上，控制方法合理有效，经过试验多台发动机的长年使用，未出现低循环疲劳破坏故障，达到预期效果，对保障发动机在寿命期内安全可靠地工作具有重要意义。
附图说明
图1是本发明一种实施例的发动机低循环寿命控制方法流程图；
图2是本发明一种实施例的有限元应力分析模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。
本发明实施例中发动机低循环寿命控制方法，方法流程图如图1所示，方法包括以下步骤：
步骤1、对被测发动机寿命薄弱的部件进行低循环疲劳破坏实验，确定发动机的低循环使用寿命，即获得发动机的标准低循环次数总数；
发动机设计生产时，存在一些寿命薄弱的零部件，以寿命薄弱零部件允许的标准低循环次数作为发动机整机的标准低循环次数，能够保证发动机的低循环寿命在安全范围内。
本发明实施例中，以发动机的寿命最薄弱的零部件转子盘为例进行说明：
设计时按照发动机的理想状态使用载荷、温度场分布对转子盘进行了应力分析、温度载荷和低循环寿命分析，用ANSYS软件建立应力分析模型如图2所示，根据转子盘的工作转速、温度和循环状态载荷等转子盘的工况，进行应力计算分析，结果表明：对于转子盘的辐板和轮毂部分，周向应力最大点位于盘心附近；径向应力最大点位于封严臂齿根部附近，最大径向应力发生在最大状态瞬态过程的盘体径向温差最大时刻。
通过上述理论分析，进行转子盘的低循环疲劳破坏试验进行验证，并确定实际的标准低循环次数：
所述的转子盘可以选取1～3个新的进行试验，也可以选用已经工作过的转子盘进行破坏试验；本发明实施例中选用了3个在实际工作了h1小时、h2小时和h3小时的转子盘在旋转试验器上进行模拟试验，试验参数按照发动机的最高工作转速、最低转速以及温度场，确定了峰值转速、谷值转速、轮毂内孔边温度，轮缘榫槽底温度等，按照从谷值转速升速到峰值转速的工作模式进行试验。因为此时试验选取的加载荷参数为设计的标准低循环参数，因此试验结果代表了零件能够承受的标准低循环载荷；试验结果验证了转子盘试验件在封严篦齿根部均试验至出现裂纹，即发生了零件破坏，此时3个转子盘达到破坏的有效标准低循环次数分别为Z1次、Z2次、Z3次。
对转子盘进行安全寿命评定时，必须考虑构件材料低循环疲劳寿命分散度的影响，在有关强度计算资料中给出了构件的批准安全寿命的散度系数，见表1。
表1 试验件件数与安全寿命散度系数
| 试验件个数(件) | Kn |
| 1 | 3.0 |
| 2 | 2.5 |
| 3 | 2.0 |
根据选取3个发动机转子盘的外场实际使用情况和疲劳试验结果，并结合表1中寿命散度系数Kn为2，确定发动机转子盘的标准低循环次数为(Z1+Z2+Z3)÷3÷2＝Z标准次。以寿命薄弱的转子盘允许的标准低循环次数作为发动机整机的标准低循环次数，即得到最终发动机的标准低循环次数总数为Z标准次。
步骤2、根据被测发动机的型号，确定该发动机不同转速载荷状态的各转速区间低循环谱；
由于发动机在实际工作中的转速是不断变化的，不会按照设计和试验时的标准转速区间去工作，因此需要对转速区间进行分类，例如，将按设计的转速区间工作的最低谷值转速n1到最高峰值转速n12、n13、n14的划分为主循环，将较高的谷值转速n2到较高峰值转速n10以上的划分为慢车循环，以此类推划分出巡航循环；
本发明实施例中考虑到发动机工作时有两种转速载荷状态，区分为A状态和B状态。
发动机低循环载荷按照典型的A和B工作状态区间划分为3类循环共6个区间，见下表2和表3。
表2 A状态各转速区间低循环谱
表3 B状态各转速区间低循环谱
步骤3、采用软件获得被测发动机各转速区间低循环谱的模拟疲劳寿命次数，并将步骤1获得的发动机的标准低循环次数总数除以被测发动机各转速区间低循环谱的模拟疲劳寿命次数，获得各转速区间低循环谱与标准低循环次数的换算系数；
本发明实施例中，将发动机实际工作的转速区间共划分为A状态和B状态区间3类循环共6个区间，将6个转速区间的载荷，按照材料的疲劳数据，计算每个转速区间的低循环疲劳寿命与标准低循环寿命的系数K。
例如，在按设计的转速区间工作的最低谷值转速n1到最高峰值转速n12、n13、n14的划分为A状态主循环，本发明实施例中采用材料手册中的疲劳数据，使用ANSYS软件建立应力模型计算得A状态主循环次数为ZA1，将标准循环Z标准与ZA1相比，得到A状态主循环与标准低循环疲劳寿命的换算系数K1，按此计算方法得到其余5个转速区间的循环与标准低循环疲劳寿命的换算系数分别为K2、K3、K4、K5、K6。各种循环谱下的低循环疲劳寿命与标准低循环疲劳寿命的换算系数见表4。
表4 各循环谱与标准低循环换算关系
步骤4、统计发动机每天实际飞行的各转速区间低循环谱的实际次数，将每天的各转速区间低循环谱的实际次数与对应的换算系数相乘并求和，获得发动机每天的标准低循环次数；
本发明实施例中，根据表2和表3的区间定义，应用峰谷值检测、雨流计数等方法，去除伪读数后，将外场发动机飞参数据进行判读，得到每台发动机6个区间有效的循环谱C1、C2、C3、C4、C5、C6次数。
本发明实施例中，按表4中的6种循环类型，对每日飞行及地面开车生成的飞参数据进行循环统计计数，获取当日发动机各种循环的使用情况；根据各类循环与标准低循环的换算关系，计算当日发生的当量标准循环数，公式如下：
Z当量＝C1×K1+C2×K2+C3×K3+C4×K4+C5×K5+C6×K6 (1)
步骤5、将发动机各天的标准低循环次数进行累加，当累加次数达到被测发动机的标准低循环次数总数时，则该发动机达到安全使用寿命，需要进行维修或更换。
将每日发生的当量标准循环数与之前消耗的当量基准循环数相累加，从而对每台发动机进行个性化的低循环寿命管理，用计算公式表示如下：
其中，n表示天数。
当每天Z当量累计相加小于Z标准时，能够保证发动机安全可靠的工作，当发动机每天Z当量累计相加接近或达到Z标准时，质控部门需要提醒使用方，发动机低循环寿命到寿，则需要更换转子盘进行修理，保障发动机的低循环寿命安全。
目前，该低循环疲劳寿命控制方法已经应用于两种发动机上，控制方法合理有效，经过多台发动机长年的使用，未出现低循环疲劳破坏故障，达到预期效果。
Claims (2)
1.一种发动机低循环寿命控制方法，其特征在于，方法包括以下步骤：
步骤1、对被测发动机寿命薄弱的部件进行低循环疲劳破坏实验，确定发动机的低循环使用寿命，获得发动机的标准低循环次数总数；
步骤2、根据被测发动机的型号，确定该发动机不同转速载荷状态的各转速区间低循环谱；
步骤3、采用软件获得被测发动机各转速区间低循环谱的模拟疲劳寿命次数，并将步骤1获得的发动机的标准低循环次数总数除以被测发动机各转速区间低循环谱的模拟疲劳寿命次数，获得各转速区间低循环谱与标准低循环次数的换算系数；
步骤4、统计发动机每天实际飞行的各转速区间低循环谱的实际次数，将每天的各转速区间低循环谱的实际次数与对应的换算系数相乘并求和，获得发动机每天的标准低循环次数；
步骤5、将发动机各天的标准低循环次数进行累加，当累加次数达到被测发动机的标准低循环次数总数时，则该发动机达到安全使用寿命，需要进行维修或更换。
2.根据权利要求1所述的发动机低循环寿命控制方法，其特征在于，步骤1所述的破坏实验，当对多个同样的发动机部件进行实验时，将获得的各发动机的标准低循环次数求平均数，并除以寿命散度系数，获得最终的发动机的标准低循环次数总数，所述的部件个数为1～3个。
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