CN110595709B - 一种透平发动机叶片许用振幅确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种透平发动机叶片许用振幅确定方法，包括以下步骤：分别进行叶片用材料标准光滑试验件常温准静态拉伸实验、叶片用材料标准光滑试验件高温准静态拉伸实验，以获取透平发动机叶片用材料的基础材料属性；分别进行叶片用材料标准光滑试验件常温高周疲劳实验、叶片用材料标准光滑试验件常温高周疲劳实验，以获得叶片用材料的等寿命曲线；进行实际叶片高周疲劳实验，以确定常温下叶片疲劳极限；引入疲劳寿命储备系数与监测点振幅之间的关系，确定实际叶片许用振幅。本方法的设计实验简单、成本低；所确定的许用振幅结果较精确，提高了结果精确度。

Description

一种透平发动机叶片许用振幅确定方法
技术领域
本发明属于透平机械技术领域，特别涉及一种透平发动机叶片许用振幅确定方法。
背景技术
汽轮机叶片在实际服役状态下因高转速而受到较大的离心载荷作用，此时若因不均匀的流场、静子导向叶片尾流激振等因素导致叶片发生共振，导致叶片在离心载荷引起的静态应力和叶片振动引起的交变应力共同作用下发生非对称循环疲劳失效，因此需要对汽轮机叶片在实际服役过程中因振动而发生的疲劳失效问题展开研究，进而确定透平发动机叶片许用振幅。而现有的透平发动机叶片许用振幅确定方法繁杂，所得结果精确度不一。
发明内容
本发明的目的是提供一种透平发动机叶片许用振幅确定方法，以解决现有技术中存在的透平发动机叶片许用振幅确定方法繁杂，所得结果精确度不一的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种透平发动机叶片许用振幅确定方法，包括以下步骤：
步骤1，分别进行叶片用材料标准光滑试验件常温准静态拉伸实验、叶片用材料标准光滑试验件高温准静态拉伸实验，以获取透平发动机叶片用材料的基础材料属性；
步骤2，分别进行叶片用材料标准光滑试验件常温高周疲劳实验、叶片用材料标准光滑试验件常温高周疲劳实验，以获得叶片用材料的等寿命曲线；
步骤3，进行实际叶片高周疲劳实验，以确定常温下叶片疲劳极限；
步骤4，引入疲劳寿命储备系数与监测点振幅之间的关系，确定实际叶片许用振幅。
所述步骤1中，基础材料属性包括弹性模量、屈服强度和抗拉强度。
所述步骤1中，叶片用材料标准光滑试验件常温准静态拉伸实验在电液伺服疲劳试验机上进行；叶片用材料标准光滑试验件高温准静态拉伸实验在带高温炉的电液伺服拉扭疲劳试验机上进行。
所述步骤2中，叶片用材料标准光滑试验件常温高周疲劳实验、叶片用材料标准光滑试验件高温高周疲劳实验分别进行应力比为R＝-1、R＝0及另外几组不同应力比R的高循环疲劳试验，其中一组应力比R应尽可能接近于1，通过控制载荷的变化得到不同应力比下的疲劳极限，获得叶片用材料的等寿命曲线。
所述步骤2中，叶片用材料标准光滑试验件常温高周疲劳实验在高频疲劳试验机上进行。
所述步骤3中，实际叶片高周疲劳实验在电磁激振器上完成，其控制方式为加速度闭环控制并人工监控叶片振幅的方式。
所述步骤3中，实际叶片高周疲劳实验采用扫频的方法获得透平叶片共振频率。
所述步骤3中，实际叶片高周疲劳实验中，叶片振动应力取决于叶片振幅，叶片试验过程中的振幅根据有限元谐响应分析获得。
所述步骤4具体为：
步骤401，根据叶片在常温下应力比R＝-1条件下测量的疲劳极限，并结合叶片用材料标准光滑试验件在常温下的Goodman等寿命曲线，认为叶片与叶片用材料标准光滑试验件在相同温度下Goodman等寿命曲线的斜率相同，即外推出叶片在常温下的等寿命曲线；
步骤402，根据叶片用材料标准光滑试验件在常温和高温下的疲劳极限结果，高温条件下的疲劳极限相对于常温条件下的疲劳极限衰减的试验现象，并结合叶片在常温下测得的疲劳极限值，设定实际情况下，叶片在高温条件下的性能衰减与材料标准试验件的衰减比例相同，推断出叶片在高温条件下的疲劳极限；并结合叶片用材料标准光滑试验件在高温下的Goodman等寿命曲线，认为叶片与叶片用材料标准光滑试验件在相同温度下Goodman等寿命曲线的斜率相同，外推出叶片在高温下的等寿命曲线；
步骤403，在有限元软件中对单个叶片进行分析，获得其在旋转状态下的应力分布以及叶片的各阶动频及在一阶共振状态下的应力分布；随后对叶片进行谐响应分析，在垂直于叶片方向施加简谐加速度激励，对其展开在一阶动频附近的谐响应分析；当谐响应激励的相位角反向时，在相位角相反的情况下，叶片上同一位置处的应力相反，即叶片上的各点在单纯振动情况下处于应力比R＝-1的载荷条件下；
步骤404，根据叶片在一阶动频下的谐响应分析结果，提取其在相位角为0°时沿叶片方向的应力数据，查找其应力最大值及对应的节点坐标及其节点编号；根据该编号查找静态载荷分析的沿叶片方向的应力分布数据，确定其最大应力值；叶片在实际工作状态下，若发生一阶共振，上述最大应力值即为振动载荷的应力均值；应力幅值与叶片振动的振幅成正比；
步骤405，由叶片在高温条件下材料疲劳等寿命曲线外推所获得的等寿命曲线，结合在实际服役状态下的应力状态，确定叶片的疲劳寿命储备系数，进而建立叶片监测点的振幅与叶片危险点的疲劳寿命储备系数之间的关系，当叶片监测点的振幅增大到绝对危险点振幅时，叶片危险点的疲劳寿命储备系数降低到1。
有益效果：本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明提出的一种透平发动机叶片许用振幅确定方法；充分考虑叶片的离心力载荷以及实际工作的温度条件，应力均值由离心力载荷所决定，应力幅值由叶片振动振幅所决定，更符合叶片实际服役情况，为实际叶片的工程应用提供了理论上的依据；
2.本发明提出的一种透平发动机叶片许用振幅确定方法，引入了疲劳寿命储备系数，将疲劳寿命储备系数与叶片振幅联系了起来，定义了绝对危险点振幅，将疲劳储备系数简便的用线段的比值来确定，更有助于理解与工程应用。
附图说明
图1是标准光滑疲劳试验件；
图2是叶片用材料疲劳极限Haigh图；
图3是高周疲劳试验控制系统简图；
图4是叶片应力与位移云图；
图5是常温光滑试验件疲劳等寿命曲线；
图6是高温光滑试验件疲劳等寿命曲线；
图7是叶片常温下按Goodman等寿命曲线外推结果；
图8是叶片高温下按Goodman等寿命曲线外推所得疲劳等寿命曲线；
图9是叶片服役状态疲劳寿命储备系数分析图；
图10是叶片绝对危险点疲劳寿命储备系数图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的一种透平发动机叶片许用振幅确定方法，包括：叶片用材料标准光滑试验件常温准静态拉伸实验、叶片用材料标准光滑试验件高温准静态拉伸实验、叶片用材料标准光滑试验件常温高周疲劳实验、叶片用材料标准光滑试验件高温高周疲劳实验、实际叶片高周疲劳实验、实际叶片许用振幅确定。所用试验器械包括电液伺服疲劳试验机、带高温炉电液伺服拉扭疲劳试验机、电磁激振器。本发明中所述的常温一般为25摄氏度左右，高温一般介于200摄氏度到2000摄氏度之间。
本发明的具体步骤如下：
步骤1，分别进行叶片用材料标准光滑试验件常温准静态拉伸实验、叶片用材料标准光滑试验件高温准静态拉伸实验，以获取透平发动机叶片用材料的基础材料属性，包括弹性模量、屈服强度和抗拉强度，用于为进行材料的高周疲劳试验，预估材料的初始疲劳强度提供依据；
其中，叶片用材料标准光滑试验件常温准静态拉伸实验在电液伺服疲劳试验机上进行；叶片用材料标准光滑试验件高温准静态拉伸实验在带高温炉的电液伺服拉扭疲劳试验机上进行。
步骤2，分别进行叶片用材料标准光滑试验件常温高周疲劳实验、叶片用材料标准光滑试验件常温高周疲劳实验，以获得叶片用材料的等寿命曲线；
其中，叶片用材料标准光滑试验件常温高周疲劳实验、叶片用材料标准光滑试验件高温高周疲劳实验分别进行应力比为R＝-1、R＝0及另外几组不同应力比R的高循环疲劳试验，其中一组应力比R应尽可能接近于1，通过控制载荷的变化得到不同应力比下的疲劳极限，获得叶片用材料的等寿命曲线。如图1是标准光滑疲劳试验件。常温部分的试验在高频疲劳试验机上进行，通过试验机自带的软件设定动载荷、静载荷变化上下限以及振动频率的衰减下限，以此来自动判别试验件损伤情况，并在试件表面出现裂纹时自动终止试验进行。在试验过程中，当循环次数达到设定值时试验机亦自动停止。试验中，取钢材料疲劳极限循环数为107次，钛合金材料疲劳极限循环次数为3*107次。试验机循环次数设定值为107(不同材料循环数一般不同，对于钢材料取循环数为107次、对于钛合金材料取循环数为3*107次)。动载、静载上下限均设为设定值的10％，振动频率衰减下限为6Hz。
叶片用材料高周疲劳试验利用升降法控制整个试验过程，下一级载荷水平取决于上一试样试验结果，当上一试验在107次循环之前发生断裂，则记为“破坏”，下一试样在低一级应力水平下进行；上一试样在107次循环后未发生断裂，则记为“越出”，下一试样在高一级应力水平下进行。根据疲劳试验，可以得出在应力比在R＝-1、R＝0及另外几组不同应力比R(其中一组应力比R应尽可能大一些)下叶片用材料高周疲劳试验在常温以及高温下的疲劳强度。叶片用材料疲劳极限的Haigh图如图2所示。
步骤3，进行实际叶片高周疲劳实验，以确定常温下叶片疲劳极限；
其中，实际叶片高周疲劳实验在电磁激振器上完成，其控制方式为加速度闭环控制并人工监控叶片振幅的方式；采用激光位移传感器监测工作叶片受迫振动过程中的振幅，以监测工作叶片受迫振动过程中的载荷；试验过程中，每半小时巡视一次，根据叶片振幅情况调节激振器激振加速度；试验系统控制简图如图3所示，将叶片安装在电磁激振器上后安装激光位移传感器，使其测点位于叶片存在应力集中处。
实际叶片高周疲劳实验采用扫频的方法获得透平叶片共振频率；在扫频同时启动激光位移传感器，记录整个扫频过程中叶片的振动情况，在扫频结束后将激光位移传感器所采集到的位移数据在MATLAB中进行频谱分析，获得叶片的共振频率。
实际叶片高周疲劳实验中，叶片振动应力取决于叶片振幅，叶片试验过程中的振幅根据有限元谐响应分析获得；高周疲劳时材料处于线弹性阶段，叶片振幅与应力呈线性关系。经有限元分析，获得监测点振幅与最大主应力之间的关系为σ1,max＝KAm，其中，σ1,max为最大主应力，Am为监测点振幅，K为常数，如图4所示。
实际叶片高周疲劳实验开始前首先采用渗透探伤剂探测叶片表面是否存在初始损伤。由于激振过程中振动台反馈控制导致振动台激振载荷变化以及空气阻力等的影响，叶片振幅会表现出小幅度波动，根据GJB150.1A-2009和GJB150.16A-2009规定，振动试验允差要求是±5％，即振幅波动不超过试验设定振幅的±5％即认为试验结果有效。根据透平叶片高周疲劳试验结果，绘制升降图，可确定最终常温下叶片疲劳极限。
步骤4，确定实际叶片许用振幅：为分析叶片在近似服役条件下的疲劳寿命，需要获得叶片在不同应力比下的疲劳数据，即建立叶片107循环数对应的疲劳等寿命曲线。根据叶片材料光滑标准试样在常温和高温条件下不同应力比的高周疲劳试验结果，建立Goodman直线和Gerber曲线形式的叶片材料疲劳等寿命曲线，如图5，图6所示。具体步骤为：
步骤401，根据叶片在常温下应力比R＝-1条件下测量的疲劳极限，并结合叶片用材料标准光滑试验件在常温下的Goodman等寿命曲线，认为叶片与叶片用材料标准光滑试验件在相同温度下Goodman等寿命曲线的斜率相同，即外推出叶片在常温下的等寿命曲线，如图7所示；
步骤402，根据叶片用材料标准光滑试验件在常温和高温下的疲劳极限结果，高温条件下的疲劳极限相对于常温条件下的疲劳极限衰减的试验现象，并结合叶片在常温下测得的疲劳极限值，设定实际情况下，叶片在高温条件下的性能衰减与材料标准试验件的衰减比例相同，推断出叶片在高温条件下的疲劳极限；并结合叶片用材料标准光滑试验件在高温下的Goodman等寿命曲线，认为叶片与叶片用材料标准光滑试验件在相同温度下Goodman等寿命曲线的斜率相同，外推出叶片在高温下的等寿命曲线，如图8所示；
步骤403，在有限元软件中对单个叶片进行分析，获得其在旋转状态下的应力分布以及叶片的各阶动频及在一阶共振状态下的应力分布；随后对叶片进行谐响应分析，在垂直于叶片方向施加简谐加速度激励，对其展开在一阶动频附近的谐响应分析；当谐响应激励的相位角反向时，在相位角相反的情况下，叶片上同一位置处的应力相反，即叶片上的各点在单纯振动情况下处于应力比R＝-1的载荷条件下；
步骤404，根据叶片在一阶动频下的谐响应分析结果，提取其在相位角为0°时沿叶片方向的应力数据，查找其应力最大值及对应的节点坐标及其节点编号；根据该编号查找静态载荷分析的沿叶片方向的应力分布数据，确定其最大应力值；由此可认为，叶片在实际工作状态下，若发生一阶共振，上述最大应力值即为振动载荷的应力均值；应力幅值与叶片振动的振幅成正比；
步骤405，根据图8给出的叶片在高温条件下材料疲劳等寿命曲线外推所获得的等寿命曲线，结合在实际服役状态下的应力状态，可确定叶片的疲劳寿命储备系数，如图9所示。图中，竖直的直线代表汽轮机叶片在实际服役状态下叶片一阶共振最大应力点可能的载荷状态，其应力均值保持不变。该直线上的任意一点对应的纵坐标即表示叶片在实际服役状态下的振动应力(应力幅值)，该应力与叶片振幅有关。该直线与叶片高温等寿命外推曲线的交点代表叶片服役条件下振动的绝对危险点，此时的应力幅值对应唯一一个监测点振幅，记为绝对危险点振幅。该点意味着若叶片在服役状态下监测点的振幅超过此振幅，对应的疲劳寿命小于107(钛合金为3*107)。以图中直线OQ1Q1’所描述的叶片应力状态为例，从原点O做一条直线，与竖直线相交于Q1点和与叶片高温等寿命曲线交于Q1’点。其中，Q1点代表叶片危险点此时所处的应力状态，根据该应力状态可以确定叶片危险点此时所处的应力比R，Q1’点代表当前应力比下叶片的疲劳等寿命曲线危险点。由此，可以计算出叶片危险点在该状态下的疲劳寿命储备系数为Rf＝OQ1'/OQ1。根据上述讨论，可确定叶片监测点的振幅与叶片危险点的疲劳寿命储备系数之间的关系，如图10所示。从图中可看出，在叶片服役状态下，随着监测点的一阶共振振幅的增大，叶片危险点的疲劳寿命储备系数迅速降低，当叶片监测点的振幅增大到绝对危险点振幅时，叶片危险点的疲劳寿命储备系数降低到1。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种透平发动机叶片许用振幅确定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，分别进行叶片用材料标准光滑试验件常温准静态拉伸实验、叶片用材料标准光滑试验件高温准静态拉伸实验，以获取透平发动机叶片用材料的基础材料属性；
步骤2，分别进行叶片用材料标准光滑试验件常温高周疲劳实验、叶片用材料标准光滑试验件高温高周疲劳实验，以获得叶片用材料的等寿命曲线；
步骤3，进行实际叶片高周疲劳实验，以确定常温下叶片疲劳极限；
步骤4，引入疲劳寿命储备系数与监测点振幅之间的关系，确定实际叶片许用振幅；具体为：
步骤401，根据叶片在常温下应力比R=-1条件下测量的疲劳极限，并结合叶片用材料标准光滑试验件在常温下的Goodman等寿命曲线，认为叶片与叶片用材料标准光滑试验件在相同温度下Goodman等寿命曲线的斜率相同，即外推出叶片在常温下的等寿命曲线；
步骤402，根据叶片用材料标准光滑试验件在常温和高温下的疲劳极限结果，高温条件下的疲劳极限相对于常温条件下的疲劳极限衰减的试验现象，并结合叶片在常温下测得的疲劳极限值，设定实际情况下，叶片在高温条件下的性能衰减与材料标准试验件的衰减比例相同，推断出叶片在高温条件下的疲劳极限；并结合叶片用材料标准光滑试验件在高温下的Goodman等寿命曲线，认为叶片与叶片用材料标准光滑试验件在相同温度下Goodman等寿命曲线的斜率相同，外推出叶片在高温下的等寿命曲线；
步骤403，在有限元软件中对单个叶片进行分析，获得其在旋转状态下的应力分布以及叶片的各阶动频及在一阶共振状态下的应力分布；随后对叶片进行谐响应分析，在垂直于叶片方向施加简谐加速度激励，对其展开在一阶动频附近的谐响应分析；当谐响应激励的相位角反向时，在相位角相反的情况下，叶片上同一位置处的应力相反，即叶片上的各点在单纯振动情况下处于应力比R=-1的载荷条件下；
步骤404，根据叶片在一阶动频下的谐响应分析结果，提取其在相位角为0°时沿叶片方向的应力数据，查找其应力最大值及对应的节点坐标及其节点编号；根据该节点编号查找静态载荷分析的沿叶片方向的应力分布数据，确定其最大应力值；叶片在实际工作状态下，若发生一阶共振，上述最大应力值即为振动载荷的应力均值；应力幅值与叶片振动的振幅成正比；
步骤405，由叶片在高温条件下材料疲劳等寿命曲线外推所获得的等寿命曲线，结合在实际服役状态下的应力状态，确定叶片的疲劳寿命储备系数，进而建立叶片监测点的振幅与叶片危险点的疲劳寿命储备系数之间的关系，当叶片监测点的振幅增大到绝对危险点振幅时，叶片危险点的疲劳寿命储备系数降低到1。
2.根据权利要求1所述的透平发动机叶片许用振幅确定方法，其特征在于：所述步骤1中，基础材料属性包括弹性模量、屈服强度和抗拉强度。
3.根据权利要求1所述的透平发动机叶片许用振幅确定方法，其特征在于：所述步骤1中，叶片用材料标准光滑试验件常温准静态拉伸实验在电液伺服疲劳试验机上进行；叶片用材料标准光滑试验件高温准静态拉伸实验在带高温炉的电液伺服拉扭疲劳试验机上进行。
4.根据权利要求1所述的透平发动机叶片许用振幅确定方法，其特征在于：所述步骤2中，叶片用材料标准光滑试验件常温高周疲劳实验、叶片用材料标准光滑试验件高温高周疲劳实验分别进行应力比为R=-1、R=0及另外几组不同应力比R的高循环疲劳试验，其中一组应力比R应尽可能接近于1，通过控制载荷的变化得到不同应力比下的疲劳极限，获得叶片用材料的等寿命曲线。
5.根据权利要求1或4所述的透平发动机叶片许用振幅确定方法，其特征在于：所述步骤2中，叶片用材料标准光滑试验件常温高周疲劳实验在高频疲劳试验机上进行，通过试验机自带的软件设定动载荷、静载荷变化上下限以及振动频率的衰减下限，以此来自动判别试验件损伤情况，并在叶片用材料标准光滑试验件表面出现裂纹时自动终止试验进行。
6.根据权利要求1所述的透平发动机叶片许用振幅确定方法，其特征在于：所述步骤3中，实际叶片高周疲劳实验在电磁激振器上完成，其控制方式为加速度闭环控制并人工监控叶片振幅的方式；采用激光位移传感器监测工作叶片受迫振动过程中的振幅，以监测工作叶片受迫振动过程中的载荷；试验过程中，每半小时巡视一次，根据叶片振幅情况调节激振器激振加速度；将叶片安装在电磁激振器上后安装激光位移传感器，使其测点位于叶片存在应力集中处。
7.根据权利要求1所述的透平发动机叶片许用振幅确定方法，其特征在于：所述步骤3中，实际叶片高周疲劳实验采用扫频的方法获得透平叶片共振频率。
8.根据权利要求1所述的透平发动机叶片许用振幅确定方法，其特征在于：所述步骤3中，实际叶片高周疲劳实验中，叶片振动应力取决于叶片振幅，叶片试验过程中的振幅根据有限元谐响应分析获得。
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