CN112098247A - 一种航空发动机压气机进喘叶片剩余寿命估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种航空发动机压气机进喘叶片剩余寿命估算方法。该方法基于线性累积损伤方式，将复合疲劳损伤分为高周疲劳损伤和低周疲劳损伤两部分，利用实测叶片动应变数据和静应力数据，对喘振现象测试的应变历程进行循环计数，对每个循环进行疲劳损伤预测，计算累积损伤，估算叶片剩余寿命。

Description

一种航空发动机压气机进喘叶片剩余寿命估算方法

技术领域

本发明涉及航空发动机压气机领域，主要涉及用于航空发动机压气机进喘叶片剩余寿命的估算方法。

背景技术

对于民用宽体客机，通常配备双发大涵道比涡轮风扇发动机。航空发动机工作转速变化范围大，为了保证发动机的推力和效率，对压气机的增压比和稳定工作范围要求较高。当压气机总增压比大于5后，很难避免在全工作包线内不发生喘振。在初始瞬变阶段，喘振的非轴对称流动特性使非常大的横向负荷作用于转子和机匣，导致严重的叶片磨损和一系列进一步的破坏，甚至可能对压气机造成灾难性后果。为确保压气机安全可靠地工作，在设计加工阶段，往往需要开展叶片振动疲劳试验、喘振试验等。叶片在喘振试验过程中，会出现叶片动应力超过疲劳极限甚至屈服强度的情况，严重影响叶片的寿命和试验安全。因此，能够对叶片进喘累积损伤进行计算，并从而估算叶片进喘剩余寿命对于试验安全和后续试验件的设计等是非常有必要的。

名为“一种航空发动机涡轮叶片的高低周复合疲劳寿命预测方法”（公开号为“CN109885920A”）的发明专利申请提供了一种预测材料和涡轮叶片部件在高低周复合疲劳载荷下的寿命预测方法。该专利申请针对的是航空发动机涡轮叶片，基于线性累积损伤模型、服役载荷特征以及试验载荷谱等，考虑了高低周载荷之间的交互作用和耦合损伤，预测了涡轮叶片在高低周复合载荷作用下的疲劳寿命。该专利申请预测的是涡轮叶片在正常工作时的疲劳寿命。

然而，压气机叶片与涡轮叶片不同，压气机叶片在工作时可能发生喘振，喘振时压气机从失速到非失速往复变化，涡轮叶片正常工作下的疲劳寿命预测不能简单地应用于压气机喘振时叶片的疲劳寿命预测。

由此，在考虑安全性和经济性的前提下，计算喘振试验中压气机疲劳损伤以及估算叶片剩余寿命，为后续试验提供必要的支撑，是值得进一步探讨的问题。

发明内容

提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下具体实施方式中进一步的描述一些概念。本发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

根据本发明的一个实施例，提供了一种压气机进喘叶片剩余寿命估算方法，该方法包括：基于叶片动应变数据，计算叶片的高周疲劳损伤，该叶片动应变数据对应于第一压气机喘振试验中喘振现象期间产生的动态数据；基于叶片静应力数据，计算叶片的低周疲劳损伤，该叶片静应力数据对应于第二压气机喘振试验中喘振现象期间产生的静态数据；将高周疲劳损伤与低周疲劳损伤相加，获得叶片的高低周复合损伤；以及基于高低周复合损伤，估算叶片的剩余寿命；其中第一压气机喘振试验和第二压气机喘振试验是相同的压气机喘振试验或不同的压气机喘振试验。

根据本发明的另一实施例，提供了一种用于压气机进喘叶片剩余寿命估算的计算设备，该计算设备包括：处理器；存储器，该存储器存储有指令，该指令在被处理器执行时能执行上述方法。

通过阅读下面的详细描述并参考相关联的附图，这些及其他特点和优点将变得显而易见。应该理解，前面的概括说明和下面的详细描述只是说明性的，不会对所要求保护的各方面形成限制。

附图说明

为了能详细地理解本发明的上述特征所用的方式，可以参照各实施例来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中示出。然而应该注意，附图仅示出了本发明的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为该描述可以允许有其它等同有效的方面。

图1示出了根据本发明一实施例的压气机进喘叶片剩余寿命估算方法100的流程图；

图2示出了根据本发明一实施例的对于图1的步骤101所示出的计算叶片高周疲劳损伤的进一步描述的流程图200；

图3示出了根据本发明一实施例的对于图1的步骤102所示出的计算叶片低周疲劳损伤的进一步描述的流程图300；

图4示出了根据本发明的一实施例的可应用于本发明的各方面的计算设备400的框图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明，本发明的特点将在以下的具体描述中得到进一步的显现。

本发明针对压气机进喘叶片，提出了一种叶片剩余寿命的估算方法。该方法基于线性累积损伤方式，将复合疲劳损伤分为高周疲劳损伤和低周疲劳损伤两部分，利用实测叶片动应变数据和静应力数据，对喘振现象测试的应变历程进行循环计数，对每个循环进行疲劳损伤预测，计算累积损伤，估算叶片剩余寿命。

在本发明的上下文中，以下术语具有本领域技术人员所了解的一般含义。为了清楚起见，在此进行进一步的说明。

压气机：压气机是燃气涡轮发动机中利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件。具体而言，压气机用来提高进入发动机内的空气压力，供给发动机工作时所需要的压缩空气，也可以为座舱增压、涡轮散热和其他发动机的起动提高压缩空气。

喘振：压气机喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频率，高振幅的震荡现象。这种低频率高振幅的气流振荡是一种很大的激振力来源，会导致发动机机件的强烈机械振动和热端超温，并在很短的时间内造成机件的严重损坏。一般而言，当压气机的流量减小时其压力升增加。通常在达到最大压力升之后进一步减小流量将导致压气机内流量的突然和确定的变化，超过这一点压气机将进入失速或喘振，通常将该点称之为“喘点”，对不同转速下这些喘点组成的线称为喘振边界。发生喘振时，整个环面的平均流量随时间而变化，从而整台压气机或多或少地从失速到非失速往复变化。当发动机在非设计状态工作时，压气机前面增压级和后面增压级的流通能力不匹配，因而造成了前喘后涡或前涡后喘的现象。

振动疲劳：零组件在发生振动时，其内部承受周期性交变应力，在一定周次后产生疲劳裂纹进而发生破坏。振动疲劳一般频率较高，破坏时间较短，需要尽力避免。

累积损伤：在交变载荷下零件产生的损伤，随着循环次数的增加而累积。

剩余寿命：在循环加载情况下，零件发生一定的损伤后，还能经历的循环加载次数。当零件累积损伤等于1时，零件产生疲劳破坏，发生疲劳失效。在本发明的上下文中，压气机叶片进喘的剩余寿命是指对于压气机喘振这样一个工作历程（加载历程），叶片还能承受的次数，相当于叶片还能再进喘几次。

图1示出了根据本发明一实施例的压气机进喘叶片剩余寿命估算方法100的流程图。压气机叶片在工作时，同时受到低频高幅值的离心载荷和高频低幅值的振动载荷作用，离心载荷导致低周疲劳失效，振动载荷导致高周疲劳失效。在本发明的方案中，通过压气机喘振试验，能够计算得到叶片的高周疲劳损伤和叶片的低周疲劳损伤。根据本发明的一个实施例，在压气机喘振试验的过程中，当检测到一次喘振现象，试验即终止，并得到试验过程中的压气机喘振试验叶片动应变数据和压气机喘振试验叶片静应力数据。压气机喘振试验叶片动应变数据对应于压气机喘振试验中发生喘振现象期间产生的动态数据，而压气机喘振试验叶片静应力数据对应于压气机喘振试验中发生喘振现象期间产生的静态数据。根据本发明的一个实施例，压气机喘振试验能够对喘振现象进行检测，并且该压气机喘振试验可由本领域的技术人员所熟知的专门设备来进行，以根据气流的变化和压气机的状态来判断是否进入喘振以及是否退出喘振。根据本发明的一个实施例，可针对压气机喘振试验叶片动应变数据和压气机喘振试验叶片静应力数据分别进行压气机喘振试验。例如，在一个压气机喘振试验中，获得叶片动应变数据，而在另一个压气机喘振试验中，获得叶片静应力数据。根据本发明的另一个实施例，压气机喘振试验叶片动应变数据和压气机喘振试验叶片静应力数据也可得自同一个压气机喘振试验。

同时，在喘振过程中，叶片动应力最高水平和进喘-退喘时间对叶片剩余寿命影响很大。例如，进喘后如果没有能在0.5s内及时退喘，而在5s内才完成退喘，则叶片的累计损伤会迅速增大，影响叶片剩余寿命。因此，在本发明的上下文中，喘振现象指的是从进喘到退喘的整个完整过程。

参考图1，在步骤101，基于压气机喘振试验叶片动应变数据，计算叶片的高周疲劳损伤。在步骤102，基于压气机喘振试验叶片静应力数据，计算叶片的低周疲劳损伤。在步骤103，将步骤101计算的高周疲劳损伤与步骤102计算的低周疲劳损伤相加，获得叶片的高低周复合损伤。在步骤104，基于步骤103获得的高低周复合损伤，来估算叶片剩余寿命。

图2示出了根据本发明一实施例的对于图1的步骤101所示出的计算叶片高周疲劳损伤的进一步描述的流程图200。在高周疲劳中，在循环应力水平较低时，（诸如振动载荷引起的）弹性应变起主导作用。本领域的技术人员可以理解，在喘振过程中，叶片会出现超过叶片疲劳极限的情况。疲劳极限是指经过无穷多次应力循环而不发生破坏时的最大应力值。材料在受到随时间而交替变化的荷载作用时，所产生的应力也会随时间作用交替变化，这种交变应力超过某一极限强度而且长期反复作用即会导致材料的破坏，这个极限称为材料的疲劳极限。通过图2的方法200，能够针对喘振过程期间出现的每次超过叶片疲劳极限的情况对叶片进行损伤情况的评估，从而得到累积的损伤，由此得到叶片的高周疲劳损伤。

在步骤201，基于压气机喘振试验叶片动应变数据，将叶片的贴片位置的动应变时间历程换算至叶片最危险点的动应变时间历程。本领的技术人员可以理解，由于在实际测试过程中无法在叶片的最危险点处进行准确的贴片，只能获得某易测点的数据，并应用相应的转换方式（诸如动应变测试标定或模态分析结果），将贴片位置的动应变时间历程转换成叶片最危险点处的动应变时间历程。

在步骤202，对该叶片最危险点的动应变时间历程进行计数，由此得到在整个喘振现象期间，超过叶片的疲劳极限的次数a。根据本发明的一个实施例，可以采用诸如雨流计数等方式对该叶片最危险点的动应变时间历程进行计数。

在步骤202中得到该次数之后，循环执行步骤203-206达该次数a。在每个循环i中，步骤203-206针对压气机喘振试验叶片动应变数据中对应于该次超过疲劳极限的数据来执行。即，在第一次循环中，针对压气机喘振试验叶片动应变数据中第一次发生叶片超过疲劳极限的数据来执行步骤203-206，在第二次循环中，针对压气机喘振试验叶片动应变数据中第二次发生叶片超过疲劳极限的数据来执行步骤203-206，以此类推。

在步骤203，统计该次超过叶片疲劳极限的持续时间t_i和相关的共振频率f_i（即超过疲劳极限时的共振频率），获得频次n_i=f_i×t_i。

在步骤204，针对该叶片最危险点的动应变时间历程，获得实测应变ε_i。

在步骤205，基于实测应变ε_i，结合叶片材料的弹性模量和寿命曲线，计算实测应变ε_i对应的疲劳寿命N_i。根据本发明的一个实施例，该寿命曲线可以为叶片的对应的高周S-N寿命曲线。

在步骤206，计算叶片的疲劳损伤。根据本发明的一个实施例，该疲劳损伤被计算为n_i/N_i。该疲劳损伤表示为该次超过叶片的疲劳极限所造成的疲劳损伤。

在步骤207，对每个循环中计算的疲劳损伤进行迭加，以获得多次循环中的叶片高周疲劳总损伤。根据本发明的一个实施例，叶片的高周疲劳总损伤被计算为∑n_i/N_i。通过此方式，能够在每个循环中对超过对应疲劳极限的叶片进行损伤情况的评估，从而得到累积的损伤。

根据本发明的一个实施例，在实践中，为了得到更为精确的数据，可进行一次以上的压气机喘振试验，以得到对应于多次喘振现象的多组压气机喘振试验叶片动应变数据。针对该多组压气机喘振试验叶片动应变数据，分别执行图2的步骤，以得到多个高周疲劳总损伤，并将该多个高周疲劳总损伤相加以得到最终的高周疲劳总损伤。

图3示出了根据本发明一实施例的对于图1的步骤102所示出的计算叶片低周疲劳损伤的进一步描述的流程图300。在低周疲劳中，在循环应力水平较高时，（诸如离心载荷引起的）塑性应变起主导作用。

在步骤301，基于压气机喘振试验叶片静应力数据，获得叶片的静应力S_static。一般而言，静应力指零件在工作过程中由外因（受力、温度变化等）作用而产生的不变化的应力。

在步骤302，根据静应力S_static和寿命曲线，计算叶片的低周疲劳寿命N_low。根据本发明的一个实施例，该寿命曲线可以为叶片的对应的低周S-N寿命曲线。

在步骤303，循环计数，由此得到对应的循环次数n_low。根据本发明的一个实施例，在压气机喘振试验发生喘振现象的过程中，如果叶片的转速超过预定阈值，则计为一次，由此循环次数n_low加1。根据本发明的一个实施例，该预定阈值可被保守地设定为70%。当然，根据实际的试验需求，低于或超过70%的任意值也在本发明的范围之内。

在步骤304，计算叶片的低周疲劳损伤。根据本发明的一个实施例，根据步骤303累积得到的循环次数n_low，叶片的低周疲劳损伤被计算为n_low/N_low。

返回图1，参考步骤103，将叶片的高周疲劳总损伤与叶片的低周疲劳损伤相加以获得高低周复合损伤，即高低周复合损伤=∑n_i/N_i+n_low/N_low。在步骤104，基于步骤103获得的高低周复合损伤，来估算叶片剩余寿命。根据本发明的一个实施例，可以结合寿命分散系数来估算叶片的剩余寿命。根据本发明的一个实施例，叶片的剩余寿命可被计算为：(1/高低复合损伤)/寿命分散系数。例如，如果高低复合损伤为0.1，考虑到寿命分散系数（诸如5），则叶片的剩余寿命为(1/0.1)/5=2。该剩余寿命表示叶片还可以承受2次相同的加载历程（也就是喘振历程）。

综上，通过本发明的估算方法，能够合理预测压气机进喘叶片疲劳寿命，有效支撑压气机喘振试验以及适航取证。

图4示出了根据本发明的一个实施例的示例性计算设备的框图400，该计算设备是可应用于本发明的各方面的硬件设备的一个示例。参考图4，现在将描述一种计算设备400，该计算设备是可应用于本发明的各方面的硬件设备的一个示例。计算设备400可以是可被配置成用于实现处理和/或计算的任何机器，可以是但并不局限于工作站、服务器、桌面型计算机、膝上型计算机、平板计算机、个人数字处理、智能手机、车载计算机或者它们的任何组合。计算设备400可包括可经由一个或多个接口和总线402连接或通信的组件。例如，计算设备400可包括总线402、一个或多个处理器404、一个或多个输入设备406以及一个或多个输出设备408。该一个或多个处理器404可以是任何类型的处理器并且可包括但不限于一个或多个通用处理器和/或一个或多个专用处理器（例如，专门的处理芯片）。输入设备406可以是任何类型的能够向计算设备输入信息的设备并且可以包括但不限于鼠标、键盘、触摸屏、麦克风和/或远程控制器。输出设备408可以是任何类型的能够呈现信息的设备并且可以包括但不限于显示器、扬声器、视频/音频输出终端、振动器和/或打印机。计算设备400也可以包括非瞬态存储设备410或者与所述非瞬态存储设备相连接，所述非瞬态存储设备可以是非瞬态的并且能够实现数据存储的任何存储设备，并且所述非瞬态存储设备可以包括但不限于磁盘驱动器、光存储设备、固态存储器、软盘、软磁盘、硬盘、磁带或任何其它磁介质、光盘或任何其它光介质、ROM（只读存储器）、RAM（随机存取存储器）、高速缓冲存储器和/或任何存储芯片或盒式磁带、和/或计算机可从其读取数据、指令和/或代码的任何其它介质。非瞬态存储设备410可从接口分离。非瞬态存储设备410可具有用于实施上述方法和步骤的数据/指令/代码。计算设备400也可包括通信设备412。通信设备412可以是任何类型的能够实现与内部装置通信和/或与网络通信的设备或系统并且可以包括但不限于调制解调器、网卡、红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组，例如蓝牙设备、IEEE 1302.11设备、WiFi设备、WiMax设备、蜂窝通信设备和/或类似设备。

总线402可以包括但不限于工业标准结构（ISA）总线、微通道结构（MCA）总线、增强型ISA（EISA）总线、视频电子标准协会（VESA）局部总线和外部设备互连（PCI）总线。

计算设备400还可包括工作存储器414，该工作存储器414可以是任何类型的能够存储有利于处理器404的工作的指令和/或数据的工作存储器并且可以包括但不限于随机存取存储器和/或只读存储设备。

软件组件可位于工作存储器414中，这些软件组件包括但不限于操作系统416、一个或多个应用418、驱动程序和/或其它数据和代码。用于实现本发明上述方法和步骤的指令可包含在所述一个或多个应用418中，并且可通过处理器404读取和执行所述一个或多个应用418的指令来实现本发明的上述方法100。

也应该认识到可根据具体需求而做出变化。例如，也可使用定制硬件、和/或特定组件可在硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语音或其任何组合中实现。此外，可采用与其它计算设备、例如网络输入/输出设备等的连接。例如，可通过具有汇编语言或硬件编程语言（例如，VERILOG、VHDL、C++）的编程硬件（例如，包括现场可编程门阵列（FPGA）和/或可编程逻辑阵列（PLA）的可编程逻辑电路）利用根据本发明的逻辑和算法来实现所公开的方法和设备的部分或全部。

尽管目前为止已经参考附图描述了本发明的各方面，但是上述方法和设备仅是示例，并且本发明的范围不限于这些方面，而是仅由所附权利要求及其等同物来限定。各种组件可被省略或者也可被等同组件替代。另外，也可以在与本发明中描述的顺序不同的顺序实现所述步骤。此外，可以按各种方式组合各种组件。也重要的是，随着技术的发展，所描述的组件中的许多组件可被之后出现的等同组件所替代。

Claims (10)

1.一种压气机进喘叶片剩余寿命估算方法，包括：

基于叶片动应变数据，计算叶片的高周疲劳损伤，所述叶片动应变数据对应于第一压气机喘振试验中喘振现象期间产生的动态数据；

基于叶片静应力数据，计算所述叶片的低周疲劳损伤，所述叶片静应力数据对应于第二压气机喘振试验中喘振现象期间产生的静态数据；

将所述高周疲劳损伤与所述低周疲劳损伤相加，获得所述叶片的高低周复合损伤；以及

基于所述高低周复合损伤，估算所述叶片的剩余寿命，所述剩余寿命表示所述叶片还能再承受喘振的次数；

其中所述第一压气机喘振试验和所述第二压气机喘振试验是相同的压气机喘振试验或不同的压气机喘振试验。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喘振现象包括所述叶片从进喘到退喘的整个过程。

3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，计算叶片的高周疲劳损伤进一步包括：

将所述叶片的贴片位置的动应变时间历程换算至所述叶片的最危险点的动应变时间历程；以及

对所述叶片的最危险点的动应变时间历程进行计数，由此得到在所述第一压气机喘振试验发生的喘振现象期间，超过叶片的疲劳极限的次数。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，计算叶片的高周疲劳损伤进一步包括：

循环执行以下步骤，直到循环次数达到所述次数，其中在每个循环i中，针对所述叶片动应变数据中对应于该次超过所述叶片的疲劳极限的数据来执行以下步骤：

统计超过所述叶片的疲劳极限的持续时间t_i和相关的共振频率f_i，获得频次n_i=f_i×t_i；

针对所述叶片的最危险点的动应变时间历程，获得实测应变ε_i；

基于实测应变ε_i，结合所述叶片的材料的弹性模量和所述叶片的高周S-N寿命曲线，计算与实测应变ε_i对应的疲劳寿命N_i；以及

计算所述叶片的疲劳损伤，所述疲劳损伤被计算为n_i/N_i。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，计算叶片的高周疲劳损伤进一步包括：

将每个循环中计算得到的疲劳损伤进行迭加，以获得所述叶片的高周疲劳总损伤，所述叶片的高周疲劳总损伤被计算为∑n_i/N_i。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，计算所述叶片的低周疲劳损伤进一步包括：

基于所述叶片静应力数据，获得所述叶片的静应力；

根据所述静应力和所述叶片的低周S-N寿命曲线，计算所述叶片的低周疲劳寿命N_low；

获得循环次数n_low；以及

计算所述叶片的低周疲劳损伤，所述低周疲劳损伤被计算为n_low/N_low。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，获得循环次数n_low进一步包括：在所述第二压气机喘振试验中发生的喘振现象期间，如果所述叶片的转速超过预定阈值，则计为一次，由此循环次数n_low加1。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预定阈值为70%或为超过70%的任意值。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述高低周复合损伤，估算所述叶片的剩余寿命进一步包括：基于所述高低周复合损伤以及寿命分散系数，获得所述叶片的剩余寿命。

10.一种用于压气机进喘叶片剩余寿命估算的计算设备，包括：

处理器；

存储器，所述存储器存储有指令，所述指令在被所述处理器执行时能执行如权利要求1-9所述的方法。

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