CN115356119A - 一种多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法，包括：开展多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命分析，确定所述多级低压涡轮转子中的低寿命盘级；在所述多级低压涡轮转子低循环寿命分析的基础上，确定所述低寿命盘级的考核部位；确定所述低寿命盘级的试验参数，所述试验参数包括试验转速、试验件连接方式和试验温度；对所述多级低压涡轮转子进行试验有效性分析，计算考核部位的试验器系数，如果试验器系数满足要求，则试验方案通过；如果若试验器系数不满足要求，则需要修改试验参数重新制定试验方案：根据方案通过下的试验转速、试验温度和试验件连接方式计算在试验状态下需要进行的低循环疲劳循环数，即完成试验方案设计。
Description
技术领域
本申请属于航空发动机疲劳试验技术领域，特别涉及一种多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法。
背景技术
为了验证低压涡轮能否满足发动机设计寿命要求，需要对低压涡轮转子进行低循环疲劳寿命考核试验。对于轴流式发动机，低压涡轮转子部件通常状态下为2～3级结构，大涵道比发动机涡轮转子部件为了实现较高的膨胀比，通常采用了3级以上的低压涡轮转子结构。
对于级数较少的低压涡轮转子结构，进行低循环疲劳寿命试验时，可以选取单级转子或者2～3级涡轮转子进行试验考核，转接段安装位置设置在试验件单侧或者中间，这种连接方式对低压涡轮转子的变形起到了限制，因此考核结果可作为发动机定型依据，但是对于3级以上甚至更多级数的低压涡轮转子来说，由于前后端低压涡轮转子尺寸结构差异较大，进行低循环疲劳寿命试验时，对多级低压涡轮转子的考核不够充分。此外，发动机工作状态下温度场会存在轴向梯度和径向梯度，对整个低压涡轮转子进行考核时需要兼顾每级转子的应力和寿命，但对于多级低压涡轮转子，如果想全部的低压涡轮转子加载到和发动机状态相同的温度，实现的难度很大。
为此，需要一种能够对整个低压涡轮转子进行低循环疲劳寿命进行有效考核的方法。
发明内容
本申请的目的是提供了一种多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
本申请的技术方案是：一种多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法，包括：
开展多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命分析，确定所述多级低压涡轮转子中的低寿命盘级；
在所述多级低压涡轮转子低循环寿命分析的基础上，确定所述低寿命盘级的考核部位；
确定所述低寿命盘级的试验参数，所述试验参数包括试验转速、试验件连接方式和试验温度；
对所述多级低压涡轮转子进行试验有效性分析，计算考核部位的试验器系数是否大于或等于1.0，如果试验器系数大于或等于1.0，则试验方案通过；如果若试验器系数不足或小1.0，则需要修改试验参数重新制定试验方案，其中：
试验器系数＝工作试状验态状对态应关关键键部部位件的应的力应力×盘盘工试验作温温度度时时的的最最小小极极限限拉拉伸伸强强度度
根据方案通过下的试验转速、试验温度和试验件连接方式计算在试验状态下需要进行的低循环疲劳循环数，即完成试验方案设计。
进一步的，所述多级低压涡轮转子的级数不少于3级。
进一步的，通过数值计算方法或有限元仿真方法确定所述低压涡轮转子低循环疲劳寿命的考核部位。
进一步的，根据多级低压涡轮转子的主循环转速、工作中的常用转速、强度设计点转速，确定所述多级低循环疲劳寿命考核的基准转速。
进一步的，从不同的连接位置设置转接段，形成不同的低寿命盘级的连接方式，将各连接方式的变形计算和发动机工作状态进行比较，选择最接近发动机工作状态的连接方式为试验件连接方式。
进一步的，选择发动机各工况寿命点温度最高的状态温度作为参考温度，通过比较该工况状态下各级盘的径向温差和轴向温差，选取温度最高的某级转子温度作为试验温度。
进一步的，在试验过程中采用均匀温度场，并通过转速进行补偿温度差异带来的应力及材质性能的变化。
进一步的，所述补偿方法为：
式中：nt为修正后的试验转速；n为基准转速；σw为工作应力；σT为试验应力；σbt为试验温度下的拉伸极限；σbw为工作温度下的拉伸极限。
本申请的多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法可用于航空发动机低循环疲劳寿命考核，该方法考虑了低压涡轮转子轴向、径向温度场梯度的变化以及多级低压涡轮转子连接变形，实现试验件状态即可模拟发动机真实工况的目的，可以达到对多级低压涡轮转子有效考核的目标。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请的多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验设计方法流程图。
图2为本申请一实施例中的第5级转子试验件不同连接位置示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
如图1所示，本申请提供的多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案确定过程主要包括以下步骤：
S10、低循环疲劳寿命分析
对多级低压涡轮转子进行低循环疲劳寿命分析，得到多级低压涡轮转子每一级转子的低循环疲劳寿命分析结果。
其中，对多级低压涡轮转子进行低循环疲劳寿命分析可通过有限元分析法或数值计算方法得到，本申请中不在赘述。
在本申请中，多级低压涡轮转子的级数不少于三级。在本申请以下实施例中，以5级低压涡轮转子为例进行说明。
S20、确定低压涡轮转子的考核部位
在多级低压涡轮转子低循环寿命分析的基础上，根据数值计算或有限元仿真计算结果，确定低压涡轮转子低循环疲劳寿命的考核部位。
以本申请该实施例中的5级低压涡轮转子为例，通过低循环寿命考核分析确定第5级涡轮转子为低寿命盘级，因此该实施例中需要考核的是第5级盘。通过数值计算或有限元仿真方法进一步分析可得到，在第5级转子中，其在叶跟或凸台突变处容易形成应力集中，因此考核部位通常位于前述的叶跟或凸台突变处哪里。
S30、确定试验参数，所述试验参数包括试验转速、试验件连接方式和试验温度。
S31、确定试验转速(基准转速)
综合分析该多级低压涡轮转子的主循环转速、工作中的常用转速、强度设计点转速，确定多级低循环疲劳寿命考核的基准转速。
例如在本申请该实施例中，试验转速采用主循环转速为基准转速。
S32、确定试验连接方式
从不同的连接位置设置转接段，形成不同的第5级转子试验件的连接方式，从而对该第5级转子试验件的低循环疲劳寿命考核位置进行考核。将各连接方式的变形计算和发动机工作状态进行比较，选择最接近发动机工作状态的连接方式，将其对应力和寿命的影响降到最低。
如图2所示即为本申请该实施例中对第5级转子试验件的不同连接位置示意图，在图2a中仅试验件仅为第5级转子，转阶段直接连接至第五级转子的前端；在图2b中试验件为第4级转子与第5级转子，转接段连接至第4级转子的前端，第4级转子的后端再与第5级转子连接；在图2c中试验件也为第4级转子与第5级转子，不同与图2b，转阶段连接至第4级转子与第5级转子之间，两者通过转阶段连接；在图2d中试验件为第3级转子至第5级转子，转阶段连接至第3级转子与第4级之间，第4级转子与第5级转子连接；在图2e中试验件为5级转子，第1级转子至第3级转子依次连接，第4级转子与第5级转子连接，转阶段连接至第4级转子与第5级转子之间。对于其他连接方式，本处不再赘述。
通过对上述5种连接方式的试验件进行低循环疲劳寿命考核，最后得出图2e中的连结方式变形与发动机工作状态变形最为接近，因此选择图2e中的连结方式作为第5级转子的试验考核连接方式。
S33、确定试验温度
选择发动机各工况寿命点温度最高的状态温度作为参考温度，通过比较该状态下各级盘径向温差和轴向温差，并且考虑发动机性能恶化带来的温度提高，选取了温度最高的某级转子温度作为试验温度。
例如，对于某型发动机来说，其在最大起飞工况下温度最高，因此将其最为参考温度。见表1，对比该工况下各级盘径向温差和轴向温差，选取了最高的5级盘转子温度作为试验温度。
表1多级低压涡轮转子温度
同时，兼顾低循环疲劳试验过程中因长试验周期导致温度保持和控制比较困难，确定在试验过程中采用均匀温度场，温度差异带来的应力及材质性能的变化通过转速进行补偿。
温度对材料性能影响和温度应力通过转速补偿，补偿方法为：
式中：nt为修正后的试验转速，r/min；
n为基准转速，r/min；
σw为工作应力，MPa；
σT为试验应力(4725r/min)，MPa；
σbt为试验温度下的拉伸极限，MPa；
σbw为工作温度下的拉伸极限，MPa。
S40、试验有效性分析：
参考相关标准，引入试验器系数对多级低压涡轮转子进行试验有效性分析，计算考核部位的试验器系数是否大于或等于1.0，如果试验器系数大于或等于1.0，则试验方案通过；如果若试验器系数不足或小1.0，则需要修改试验参数重新制定试验方案。
其中，
S50、试验方案确定：
将方案通过下的试验转速、试验温度和转子连接方式确定下来，计算在试验状态下需要进行的低循环疲劳循环数，即可完成试验方案设计。
本申请的多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法可用于航空发动机低循环疲劳寿命考核，该方法考虑了低压涡轮转子轴向、径向温度场梯度的变化以及多级低压涡轮转子连接变形，实现试验件状态即可模拟发动机真实工况的目的，可以达到对多级低压涡轮转子有效考核的目标。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法，其特征在于，包括：
开展多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命分析，确定所述多级低压涡轮转子中的低寿命盘级；
在所述多级低压涡轮转子低循环寿命分析的基础上，确定所述低寿命盘级的考核部位；
确定所述低寿命盘级的试验参数，所述试验参数包括试验转速、试验件连接方式和试验温度；
对所述多级低压涡轮转子进行试验有效性分析，计算考核部位的试验器系数是否大于或等于1.0，如果试验器系数大于或等于1.0，则试验方案通过；如果若试验器系数不足或小1.0，则需要修改试验参数重新制定试验方案，其中：
根据方案通过下的试验转速、试验温度和试验件连接方式计算在试验状态下需要进行的低循环疲劳循环数，即完成试验方案设计。
2.如权利要求1所述的多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法，其特征在于，所述多级低压涡轮转子的级数不少于3级。
3.如权利要求1或2所述的多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法，其特征在于，通过数值计算方法或有限元仿真方法确定所述低压涡轮转子低循环疲劳寿命的考核部位。
4.如权利要求3所述的多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法，其特征在于，根据多级低压涡轮转子的主循环转速、工作中的常用转速、强度设计点转速，确定所述多级低循环疲劳寿命考核的基准转速。
5.如权利要求4所述的多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法，其特征在于，从不同的连接位置设置转接段，形成不同的低寿命盘级的连接方式，将各连接方式的变形计算和发动机工作状态进行比较，选择最接近发动机工作状态的连接方式为试验件连接方式。
6.如权利要求5所述的多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法，其特征在于，选择发动机各工况寿命点温度最高的状态温度作为参考温度，通过比较该工况状态下各级盘的径向温差和轴向温差，选取温度最高的某级转子温度作为试验温度。
7.如权利要求6所述的多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法，其特征在于，在试验过程中采用均匀温度场，并通过转速进行补偿温度差异带来的应力及材质性能的变化。
8.如权利要求7所述的多级低压涡轮转子低循环疲劳寿命试验方案设计方法，其特征在于，所述补偿方法为：
式中：nt为修正后的试验转速；n为基准转速；σw为工作应力；σT为试验应力；σbt为试验温度下的拉伸极限；σbw为工作温度下的拉伸极限。
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