几何参数对涡轮榫连接微动疲劳寿命的影响：试验_蒋康河.pdf

文章编号：1000-8055（2023）06-1474-07doi：10.13224/ki.jasp.20230090几何参数对涡轮榫连接微动疲劳寿命的影响：试验蒋康河1，鄢林2，陈竞炜1，徐鲁兵1，毛建兴3，4，5，胡殿印3，4，5，王荣桥2，4，5（1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲412002；2.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；3.北京航空航天大学航空发动机研究院，北京100191；4.中小型航空发动机联合研究中心，北京100191；5.北京航空航天大学航空发动机结构强度北京市重点实验室，北京100191）摘要：针对涡轮榫连接结构微动疲劳行为及损伤表征开展了试验研究。设计了具有不同压力角、齿形角和齿距的 7 种榫连接结构，在高低周载荷下开展了疲劳试验，所有构型的榫头第 2 齿发生微动疲劳失效，并根据试验结果总结了榫连接结构几何参数对微动疲劳的影响规律：随着压力角、齿距的增大，微动疲劳寿命逐步降低；而随着齿形角增大，微动疲劳寿命先基本不变，后大幅增加。试验结果为揭示高低周复合疲劳载荷下的榫连接结构失效机理提供了重要依据，为榫连接结构微动疲劳损伤控制参量选取和模型验证提供了数据支撑。关键词：榫连接结构；微动疲劳；高低周载荷；裂纹萌生；几何参数中图分类号：V231.95文献标志码：AEffectofgeometricparametersonfrettingfatiguelifeofturbineattachment:testJIANGKanghe1，YANLin2，CHENJingwei1，XULubing1，MAOJianxing3，4，5，HUDianyin3，4，5，WANGRongqiao2，4，5（1.HunanAviationPowerplantResearchInstitute，AeroEngineCorporationofChina，ZhuzhouHunan412002，China；2.SchoolofEnergyandPowerEngineering，BeihangUniversity，Beijing100191，China；3.ResearchInstituteofAero-Engine，BeihangUniversity，Beijing100191，China；4.UnitedResearchCenterofMid-SmallAero-Engine，Beijing100191，China；5.BeijingKeyLaboratoryofAero-EngineStructureandStrength，BeihangUniversity，Beijing100191，China）Abstract:Testandsimulationstudieswereconductedtoinvestigatethefrettingfatiguebehaviourand damage characterization of turbine attachment.Seven types of turbine attachment with differentpressureangles,toothangles,andtoothspacingweredesigned,andfatiguetestswerecarriedoutunderhighandlowcycleloads.Thesecondtoothofthetenonofalltypessufferedfrettingfatiguefailure.Andtheeffectofthegeometricparametersofthetenononfrettingfatiguewasobtained:withtheincreaseof收稿日期：2023-02-20基金项目：国家自然科学基金（51875020，51905020，52022007）；国家科技重大专项（J2019-0009-0077）作者简介：蒋康河（1989），男，高级工程师，博士，主要从事中小型涡轴发动机涡轮结构设计研究。通信作者：毛建兴（1989），男，副研究员、博士生导师，博士，主要从事结构强度可靠性研究。E-mail：引用格式：蒋康河,鄢林,陈竞炜,等.几何参数对涡轮榫连接微动疲劳寿命的影响：试验J.航空动力学报,2023,38（6）：1474-1480.JIANGKanghe,YANLin,CHENJingwei,etal.Effectofgeometricparametersonfrettingfatiguelifeofturbineattachment:testJ.JournalofAerospacePower,2023,38（6）：1474-1480.第38卷第6期航空动力学报Vol.38No.62023年6月JournalofAerospacePowerJune2023pressureangleandtoothpitch,thefrettingfatiguelifegraduallydecreased;whilewiththeincreaseoftoothshapeangle,thefrettingfatiguelifewasfirstkeptbasicallythesame,andthenincreasedsignificantly.Criticalevidencewasprovidedtorevealthefailuremechanismundercombinedhighandlowcycleloads,meanwhileimportantdataweregeneratedfordeterminingthecontrollingparameterandvalidatingtheestablishedmodelofthefrettingfatigueforturbinetenons.Keywords:attachment；frettingfatigue；highandlowcycleload；crackinitiation；geometricparameter军、民用发动机长期将涡轮盘作为为数不多的断裂关键件和限寿件，要求长寿命（民机可达30000h）和高可靠性（涡轮盘的失效概率小于107109次/飞行小时）。现有发动机涡轮叶/盘普遍采用枞树形榫连接结构，以实现叶片和轮盘的可靠安装1-3。然而，由于枞树形结构具有多个承载接触面，其具有典型的多通道传力特征，失效过程不仅受到自身几何特征和载荷水平影响，同时还受到其他榫齿所分担的载荷比例影响，其寿命评估是涡轮叶/盘寿命评估的主要挑战4-6。在发动机工作时，枞树形多通道传力结构受到叶片离心力、热载荷等构成的低周疲劳载荷和由气动载荷诱发叶片横向振动及自身振动的小幅值、高频率载荷耦合作用，所导致的高低周复合疲劳将大幅增加榫连接结构的损伤累积速率，降低疲劳寿命。由于榫齿根部的圆角半径小，是应力集中部位，起裂容易在此发生。同时榫连接接触面易发生磨损，是典型的微动疲劳关键部位，通常在接触面边缘起裂7-9。已有多型在研榫接结构在整盘试验中出现微动疲劳失效的现象。因此，涡轮榫连接的疲劳失效问题具有载荷和结构的“双重复杂性”，是制约先进发动机研制的短板瓶颈之一。围绕榫连接结构的疲劳失效问题，国内外学者借助光弹测试与数值模拟分析，研究了榫连接结构参数对结构应力分布规律的影响。Uchino等10基于光弹试验研究了应力集中系数与榫连接拉削角度的正相关性。申秀丽等11采用光弹测试技术，分析齿形结构和齿形角度对榫连接结构接触面接触应力的影响。Meguid 等12开展了枞树形榫连接结构参数对结构应力分布的影响研究，确定关键结构参数为齿数、接触长度、接触角、上侧角、下侧角、拉削角、摩擦因数。Chan 等13基于数值模拟研究了榫连接冷却通道间隙和摩擦因数对榫连接结构应力分布的影响，认为摩擦因数对应力分布影响相对较小。Zboinski14-15针对枞树形榫接结构开展有限元仿真，得到最大应力梯度位于榫齿根部，且接触应力和摩擦力共同决定了接触面上的应力分布。Sinclair 等16-18采用有限元分析量化了榫接部位的接触应力并建立了基于磨损的寿命评估方法。从上述研究可以看出，现有研究在关键结构参数筛选及敏感性研究上并未形成统一认识，对各参数的影响规律尚不明确，且未能与疲劳寿命结果进行有效关联。因此，本文基于自主研制的涡轮榫连接高温高低周复合疲劳试验系统，开展不同结构参数影响下的涡轮榫连接构件级高低周复合疲劳试验，确定了某型发动机涡轮榫连接在高低周复合疲劳载荷下的失效模式，对比研究各结构参数对疲劳寿命的影响机理及规律，为建立疲劳寿命预测方法提供机理及数据支撑。1涡轮榫连接结构疲劳试验1.1试验材料及试验件本试验根据真实榫连接结构的材料确定试验件的选材，榫槽材料为镍基高温合金 GH4720Li，榫头材料为镍基单晶高温合金 DD412，相关力学性能数据见表 1。表1涡轮榫槽及榫头材料力学性能Table1Materialpropertiesoftheturbinemortiseandtenon材料温度/弹性模量/GPa 切变模量/GPa 泊松比GH4720Li23225.00.345GH4720Li600190.00.370GH4720Li650185.00.375DD41220129.9127.60.365DD412600114.5125.00.417DD412700108.0114.60.422为了研究不同结构几何参数下的榫连接结构的微动疲劳行为，以某型发动机涡轮榫连接结构原始构型为基础，设计 7 种不同构型的试验件。榫连接结构的几何参数参照 HB5965-2002枞树形榫头、榫槽尺寸标注与技术要求定义，如图 1第6期蒋康河等：几何参数对涡轮榫连接微动疲劳寿命的影响：试验1475所示，本文主要研究不同压力角、齿形角和齿距对微动疲劳的影响，7 种构型的上述尺寸参数如表 2 所示。节距a节线伸根倒圆rb齿顶倒圆rd齿底倒圆rg齿形角压力角齿宽 m齿距 t底部倒圆ry1底部倒圆ry2楔形角中心线图1枞树型榫连接结构几何参数示意图Fig.1Geometricparametersoffir-typeattachment表2不同榫连接结构改变的尺寸参数Table2Dimensionalparameterschangedwithdifferentattachments编号压力角/（）齿形角/（）齿距 t/mmA027.5594.797A1-122.5594.797A1-232.5594.797A2-122.5554.797A2-222.5654.797A3-122.5655.297A3-222.5654.297注意到榫头在外部载荷作用下，使榫槽被撑开，具有向外翻转的趋势。在真实结构中，由于相邻叶片榫头同时对榫槽的挤压作用，使该翻转趋势受到一定限制；而在单轴加载试验中仅采用单一榫连接结构模拟真实情况，没有相邻叶片的约束，因此需要采用额外的措施来限制翻转趋势。常用的方法是增加榫槽两侧的刚度，比如加宽榫槽试验件的宽度。当榫槽试验件加宽后，受限于毛坯盘尺寸，单一毛坯盘的取样数量少，试验成本高。因此，本文设计了分体式榫槽试验件，即将榫连接结构周围小部分区域作为榫槽试验件，外侧置于加宽/加厚的榫槽夹具中，两者通过一对楔形面实现定位与承载，通过改变夹具的宽度保证试验件与真实榫接结构相对滑移距离和应力分布的一致，如图 2 所示，夹具宽度 Ws至少为真实榫槽宽度 Wr的 4 倍时，试验件的相对滑移量才与真实结构相一致。设计完成的榫连接结构试验件整体形状及尺寸如图 3 所示。1501209060300123456最大相对滑移距离/m真实结构相对滑移距离约30 mWs/Wr图2夹具宽度对相对滑移距离的影响规律Fig.2Effectoffixturewidthonrelativeslipdistance45154.480R3R30R202928(36.7353)R6R2R220.54.58.511085图3榫连接结构试验件几何模型及尺寸（单位：mm）Fig.3Geometricmodelanddimensionsofthespecimenforattachment（unit:mm）1.2试验装置本文采用型号为 MTSLandmark370.10 电液伺服疲劳试验机进行榫连接结构的疲劳试验。分别针对榫头试验件、榫槽试验件的楔形面夹持段适应性设计了榫头和榫槽夹具，如图 4（a）所示，试验装置总体布局如图 4（b）所示。榫头、榫槽夹具上下两端通过连接杆与夹持段连接，通过液压压紧的方式将夹持段与试验机的夹头连接。由于试验需在高温环境下进行，榫槽和榫头夹具、连接杆均采用高温合金 K465 制造，夹持段为耐高温不锈钢 310S。此外为保证上连接杆有足够的强度储备，在榫头夹具上设置有冷却通道防止1476航空动力学报第38卷热量向连接杆传递。试验采用高频感应炉进行加热，根据榫槽夹具外形绕制多匝感应线圈，完全包裹住榫连接部位；在榫槽试验件前后端面布贴热电偶以测量考核部位温度分布，实现对高频感应加热炉的温度控制，试验过程中控温精度优于5。1.3试验方案本文中GH4720Li/DD412 榫连接结构微动疲劳试验件有 7 种构型，每种构型各 4 套，共28套，每套各包括 1 个榫头试验件与 1 个榫槽试验件。采用上述试验件，以 100%转速下的应力状态为基准，开展轴向载荷控制的疲劳试验以评估不同结构尺寸榫连接结构微动疲劳寿命。在 630稳定温度场下，通过疲劳机施加同轴的高低周载荷，载荷谱如图 5 所示，其中 1 个低周加载循环耦合 1000 个 高 周 循 环，低 周 最 大 载 荷 Fl,max为68.2kN，应力比为 0.1，对应低周最小载荷 Fl,min为6.82kN，低周加载时间 tup为 2s，卸载时间 tdown为2s，等效频率为 0.25Hz；高周载荷幅值 Fh,a为3.41kN，加载频率 f 为 30Hz，1000 个循环总时间为 33.3s，高低周复合载荷谱等效周期为 37.3s。高低周载荷谱频率f=30 HztuptdownFh,aFl,maxFl,minn=1000个循环图5高低周载荷谱Fig.5Loadspectrumofhighandlowload2疲劳试验结果7 种构型的榫连接结构高低周载荷下的疲劳试验结果如表 3 和图 6 所示，其中寿命的循环数为经历图 5 所示高低周载荷谱的次数，变异系数Cv定义为19Cv=s x x式中 为子样中对数疲劳寿命的均值，s 为子样中对数疲劳寿命的标准差。各组的变异系数计算值均小于 0.0425，意味着试验结果达到置信度 90%，误差限度 5%的要求。从试验结果可以看出，榫连接结构的微动疲劳寿命对结构几何参数比较敏感，当结构几何参数发生变化时，寿命均值下限为 1791 次，上限为18283 次，两者相差约 10.2 倍。对各型榫连接结构的断裂位置进行统计分析，如图 7（a）所示，所夹持段榫头夹具螺纹连接榫头试件热电偶(含背面)榫槽试件榫槽夹具连接杆榫头夹具试验件榫槽夹具热电偶感应线圈水冷通道感应加热炉(a)榫连接结构试验件夹具(b)夹具及加热装置图4榫连接结构试验装置Fig.4Testdeviceforturbineattachment表3不同榫连接结构疲劳试验结果Table3Fatiguetestresultsfordifferentattachments编号 平均寿命/cycle 标准差/cycle 变异系数断裂位置A020755510.0369榫头下齿面A1-1688917170.0287榫头下齿面A1-217913300.0249榫头下齿面A2-1711524540.0414榫头下齿面A2-21499927310.0188榫头下齿面A3-167456570.0111榫头下齿面A3-21828347520.0249榫头下齿面第6期蒋康河等：几何参数对涡轮榫连接微动疲劳寿命的影响：试验1477有构型中榫头试验件均萌生裂纹并断裂，且裂纹位置未发生变化，均从第 2 齿接触面上边缘处萌生，呈现典型的微动疲劳失效特征，裂纹起始扩展方向几乎垂直于接触面。试验后发现接触面表面压痕明显，如图 7（b）试验过程中磨损显著，可见微动疲劳中的磨损不可忽视。第1齿第2齿磨损凹坑磨屑接触面91(a)微动疲劳裂纹形式(b)微动磨损现象图7榫连接结构微动疲劳失效示意图Fig.7Schematicdiagramoffrettingfatiguefailureofattachment3几何参数对微动疲劳寿命的影响规律进一步对试验结果进行分组分析，以获得榫连接结构几何参数对微动疲劳寿命的影响规律。1）通过 A0、A1-1 和 A1-2 三组试验数据对比分析，榫接结构几何参数压力角对微动疲劳寿命影响规律，如图 8（a）所示：随着压力角增大，由于分担到齿面的载荷增加，微动疲劳寿命逐步降低。当压力角由 22.5变为 27.5时，即压力角增大 5，寿命缩短约 69.9%。2）通过 A1-1、A2-1 和 A2-2 三组试验数据对比分析，榫接结构几何参数齿形角对微动疲劳寿命影响规律,如图 8（b）所示：齿形角增大，由于齿宽增加，应力水平降低，寿命先基本不变，后大幅增加。当齿形角由 60变为 65时，即齿形角增大5，寿命增加 1.18 倍。3）通过 A2-2、A3-1 和 A3-2 三组试验数据对比分析，榫接结构几何参数齿距对微动疲劳寿命影响规律,如图 8（c）所示：随着齿距增加，第 2 齿的最小截面减小，应力集中加剧，微动疲劳寿命减小。当齿形距由 4.297mm 变为 5.297mm 时，即齿距增大 1mm，寿命缩短约 63.1%。20.022.525.027.530.032.535.002.55.07.510.05055606570051015204.004.254.504.755.005.255.5005101520寿命/103 cycle寿命/103 cycle寿命/103 cycle压力角/()(a)压力角的影响齿形角/()(b)齿形角的影响齿距/mm(c)齿距的影响A0榫连接几何构型均值标准差最小最大均值寿命/103 cycle30101A1-1 A1-2 A2-1 A2-2 A3-1 A3-2图6不同榫连接结构疲劳试验结果Fig.6Fatiguetestresultsfordifferentattachments1478航空动力学报第38卷20.022.525.027.530.032.535.002.55.07.510.05055606570051015204.004.254.504.755.005.255.5005101520寿命/103 cycle寿命/103 cycle寿命/103 cycle压力角/()(a)压力角的影响齿形角/()(b)齿形角的影响齿距/mm(c)齿距的影响图8榫连接结构几何参数对微动疲劳寿命的影响Fig.8Effectofgeometricalparametersofattachmentonthefrettingfatiguelife4结论本文在高低周载荷下开展了不同构型榫连接结构疲劳试验，确定了某型发动机涡轮榫连接的失效模式，通过构件级疲劳试验量化了各结构参数对疲劳寿命的影响规律，主要结论如下：1）设计了一种分体式榫槽试验件，将榫连接结构置于加宽/加厚的榫槽夹具中，两者通过一对楔形面实现定位与承载，实现了真实榫连接试验件的稳定、可靠夹持。2）在高低周载荷下，该型榫连接结构的失效形式均为发生于榫头接触面的微动疲劳失效，裂纹从第 2 齿接触面上边缘处萌生，起始扩展方向垂直于接触面。3）依据疲劳试验结果量化了关键结构参数对微动疲劳寿命的影响规律。在控制单一变量条件下，压力角增大，微动疲劳寿命逐步降低；齿形角增大，微动疲劳寿命先基本不变，后大幅增加；随着齿距增加，微动疲劳寿命逐渐降低。参考文献：WANGRQ，WEIJM，HUDY，etal.Investigationonexperimen-talloadspectrumforhighandlowcyclecombinedfatiguetestJ.PropulsionandPowerResearch，2013，2(4):235-242.1RAYKOWSKIA，HADERM.Blastcleaningofgasturbinecom-ponents:depositremovalandsubstratedeformationJ.Wear，2001，249(1):126-131.2XIEML，ZHONGPD.Analysisoffracturefailureoffir-treeser-rationsofstage:turbinedisksJ.EngineeringFailureAnalysis，2000，7(4):249-260.3陈光.航空燃气涡轮发动机结构设计M.北京:北京航空4航天大学出版社，1994.郑旭东，蔚夺魁，王兆丰，等.某型航空发动机涡轮叶片和轮盘榫齿裂纹故障力学分析J.航空发动机，2005，31(3):35-38.ZHENGXudong，YUDuokui，WANGZhaofeng，etal.Mechani-calanalysisofcrackfailuresinturbinebladeanddiskserrationofanaeroengineJ.Aeroengine，2005，31(3):35-38.(inChinese)5古远兴.高低周复合载荷下燕尾榫结构微动疲劳寿命研究D.南京:南京航空航天大学，2007.GUYuanxing.Researchonfrettingfatiguelifeofdovetailjointun-derHCF-LCFloadD.Nanjing:NanjingUniversityofAeronau-ticsandAstronautics，2007.(inChinese)6姚华兴，闫沙林.航空发动机涡轮盘榫齿裂纹故障研究J.航空动力学报，1991，6(1):51-53.YAOHuaxing，YANShalin.AresearchoncrackedfailuresofFir-treeserrationinaeroengineturbinediscJ.JournalofAerospacePower，1991，6(1):51-53.(inChinese)7宋兆泓.航空发动机典型故障分析M.北京:北京航空航天大学出版社，1993.8魏大盛，王延荣.榫连结构接触面几何构形对接触区应力分布的影响J.航空动力学报，2010，25(2):407-411.WEIDasheng，WANGYanrong.Effectsofprofileofcontactsur-facesonthestressdistributionfortenonjointinginbladediskass-esmbliesJ.JounalofAerospacePower，2010，25(2):407-411.(inChinese)9UCHINOK，KAMIYAMAT，INAMURUT，etal.Three-dimen-sionalphotoelasticanalysisofaeroenginerotarypartsC/Proceed-ings of International Symposiumon Photoelasticity.New York:Springer，1986:209-214.10张野，申秀丽.榫接结构接触面几何形式对接触应力的影响J.航空动力学报，2016，31(12):2949-2956.ZHANGYe，SHENXiuli.Influenceoftenonstructurecontactsur-face geometry on contact stressJ.Journal of Aerospace Power，2016，31(12):2949-2956.(inChinese)11MEGUIDSA，KANTHPS，CZEKANSKIA.Finiteelementanal-ysisoffir-treeregioninturbinediscsJ.FiniteElementsinAnaly-sisandDesign，2000，35(4):305-317.12CHANSK，TUBAIS.Afiniteelementmethodforcontactprob-lemsofsolidbodies:PartapplicationtoturbinebladefasteningsJ.InternationalJournalofMechanicalScience，1971，13(7):627-639.13ZBOINSKIG.Physicalandgeometricalnon-linearitiesincontactproblems of elastic blade attachmentsJ.Mechanics EngineeringScience，1995，209(4):273-286.14ZBOINSKIG.FiniteelementcomputerprogramforincrementalanalysisoflargethreedimensionalfractionalcontactproblemsoflinearelasticityJ.ComputerStructure，1993，46(4):679-687.15SINCLAIRGB，CORMIERNG.Contactstressesindovetailat-tachments:alleviationviaprecisioncrowningJ.JournalofEngi-neeringforGasTurbinesandPower，2003，125(4):1033-1041.16SINCLAIRGB，CORMIERNG，GRIFFINJH，etal.Contactstressesindovetailattachments:finiteelementmodelingJ.Jour-nalofEngineeringforGasTurbinesandPower，2002，124(1):182-189.17SINCLAIRGB，CORMIERNG.Contactstressesindovetailat-tachments:physicalmodelingJ.JournalofEngineeringforGasTurbinesandPower，2002，124(2):325-331.18中国航空工业总公司.材料疲劳试验统计分析方法:HB/Z112-1986S.北京:航空工业出版社，1986:1-50.19（编辑：陈越）第6期蒋康河等：几何参数对涡轮榫连接微动疲劳寿命的影响：试验1479