遲慶新,董自超,佟文偉,劉 芳

(沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所 材料應(yīng)用研究室,沈陽 110015)

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航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片扭轉(zhuǎn)蠕變試驗技術(shù)

遲慶新,董自超,佟文偉,劉 芳

(沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所 材料應(yīng)用研究室,沈陽 110015)

設(shè)計搭建了航空發(fā)動機(jī)葉片高溫扭轉(zhuǎn)試驗平臺，并應(yīng)用于某型航空發(fā)動機(jī)DZ417G合金低壓渦輪工作葉片的扭轉(zhuǎn)蠕變試驗研究。試驗結(jié)果表明，該葉片在高溫及扭轉(zhuǎn)載荷作用下易產(chǎn)生變形，高溫蠕變是變形產(chǎn)生的主要原因，變形主要集中于葉冠附近。試驗溫度對變形速率影響顯著。

扭轉(zhuǎn)蠕變；高溫扭轉(zhuǎn)試驗；航空發(fā)動機(jī)；渦輪葉片

新型航空發(fā)動機(jī)渦輪前溫度的提高對渦輪葉片的高溫蠕變性能提出了更高要求[1-3]。現(xiàn)有研究多關(guān)注于渦輪葉片在離心載荷作用下的蠕變行為，某些葉片在實際工作中由于安裝預(yù)扭力及氣動載荷等因素作用往往還承受著一定的扭轉(zhuǎn)載荷，在長期工作中可能產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)蠕變變形[4-9]。目前對葉片扭轉(zhuǎn)蠕變行為的研究較少。

為了解渦輪葉片的扭轉(zhuǎn)蠕變變形情況，需開展工況條件下相關(guān)試驗研究。渦輪葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作溫度高，試驗裝置的高溫穩(wěn)定性以及角度控制精度等問題對試驗精度有極大影響，目前行業(yè)內(nèi)用于材料試棒及標(biāo)準(zhǔn)件的扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)無法滿足葉片的試驗要求。本文設(shè)計搭建了葉片高溫扭轉(zhuǎn)試驗平臺，并對某型發(fā)動機(jī)低壓渦輪工作葉片模擬工況條件下的扭轉(zhuǎn)蠕變行為進(jìn)行了初步試驗研究。

1 葉片扭轉(zhuǎn)蠕變試驗平臺結(jié)構(gòu)及原理

1.1 試驗平臺結(jié)構(gòu)

葉片高溫扭轉(zhuǎn)蠕變試驗平臺由低周疲勞試驗機(jī)以及針對某型低壓渦輪工作葉片設(shè)計的專用試驗裝置組成(圖1)。試驗裝置主要由葉片定位系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、加載系統(tǒng)3部分組成，具體結(jié)構(gòu)見圖2。利用電阻式高溫爐對葉片進(jìn)行加熱及保溫。

1.1.1 葉片定位系統(tǒng)

由上立柱(1)、上夾頭(8)及頂桿(9)組成，具體結(jié)構(gòu)見圖3。葉片榫頭安裝于上夾頭內(nèi)，通過限位銷調(diào)整葉片位置使葉片與夾頭在同一軸線上。當(dāng)上夾頭旋入立柱至頂桿與榫頭頂緊時葉片即被鎖緊，試驗過程中葉片榫頭位置固定。

圖1 葉片高溫扭轉(zhuǎn)蠕變試驗平臺

1.1.2 懸掛系統(tǒng)

由軸承組(6)、軸承套(7)及連桿(2)組成，具體結(jié)構(gòu)見圖2。軸承套及連桿上端通過軸承與上立柱連接，下端與加力系統(tǒng)連接。懸掛系統(tǒng)的主要作用是連接裝置各部分并使其保持正確位置。兩只反向安裝的角接觸球軸承組成的軸承組可在承受軸向載荷的同時限制下方組件的徑向擺動，避免葉片受到軸向及彎曲載荷。

圖2 葉片扭轉(zhuǎn)試驗裝置結(jié)構(gòu)

1.1.3 加載系統(tǒng)

主要由下夾頭(4)、夾塊(10)、滑輪(11)及滑軌(5)組成，具體結(jié)構(gòu)見圖2。通過比較測量面在試驗前后的坐標(biāo)變化計算變形量。通過螺栓調(diào)整夾塊位置將葉冠平行面夾緊。下夾頭支桿兩端的滑輪可沿滑軌內(nèi)側(cè)自由滑動，滑軌工作面角度及方向根據(jù)試驗具體要求設(shè)計。當(dāng)控制試驗機(jī)作動器帶動滑軌施加軸向拉伸載荷時，滑輪受到側(cè)向分力,帶動下夾頭對葉片產(chǎn)生定量扭矩。

圖3 葉片定位系統(tǒng)

1.2 工作原理

1.2.1 初始位置設(shè)定

安裝試驗葉片后加熱至試驗溫度并保溫。用載荷通道控制試驗機(jī)施加微小的拉向載荷(如20N)，使滑輪與滑軌充分接觸并消除系統(tǒng)間隙。該載荷產(chǎn)生扭矩極小可忽略不計，以此位置為扭矩及扭角零基準(zhǔn)點。

1.2.2 試驗扭矩的加載

兩滑輪與軸線距離為r，滑軌工作面與水平面所呈角度為β(如圖4所示)。當(dāng)施加拉向載荷F時，葉片扭矩T的計算如式(1)所示。

T=Frtanβ

(1)

圖4 扭矩及扭角計算示意圖

1.2.3 扭轉(zhuǎn)角度的測量及計算

在試驗扭角小于2°范圍內(nèi)，扭角可按以下方法進(jìn)行測量及控制。

用千分表分別測量下夾頭兩側(cè)支桿距軸線R處測量點的位移L1、L2(見圖4)，葉冠相對扭角α的計算如式(2)所示。

(2)

葉片榫頭及葉冠與試驗裝置為剛性連接，試驗誤差主要來源于角度測量誤差δ，如式(3)所示。

(3)

其中本試驗采用的千分表示值誤差為±0.003 mm，位移測量點距葉片軸線距離為85 mm，經(jīng)計算角度誤差約為±0.001°，符合試驗誤差要求。

該裝置可在2°范圍內(nèi)實現(xiàn)對扭角及扭矩的精確控制，并且通用性較強(qiáng)，稍加改動即可適用于大部分渦輪工作葉片。

2 某型機(jī)低壓渦輪工作葉片扭轉(zhuǎn)蠕變行為研究

2.1 試驗件及試驗方法

將上述試驗平臺應(yīng)用于某型航空發(fā)動機(jī)葉片扭轉(zhuǎn)蠕變試驗。試驗件為DZ417G定向凝固高溫合金低壓渦輪工作葉片及材料試棒。該合金密度小、成本低且具有較好的綜合性能，主要用于制造航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)的低壓渦輪部件[10-13]。材料主要成分見表1。

表1 DZ417G合金主要成分[10] %

試驗溫度為760 ℃及980 ℃；將試驗件加熱至指定溫度后，對葉冠工作面施加扭轉(zhuǎn)載荷使葉冠相對榫頭沿逆時針方向扭轉(zhuǎn)0.5°并保持該位置10 h。試驗結(jié)束后卸除載荷，試驗件隨爐冷卻至室溫。試驗前后采用3坐標(biāo)測量儀測量葉片指定位置型面及葉冠測量面的坐標(biāo)并計算變形量。扭轉(zhuǎn)角度及試驗過程的設(shè)計參考了該葉片在航空發(fā)動機(jī)上的實際工作狀態(tài)。

同時開展葉片用材料的高溫蠕變性能試驗，試驗件為DZ417G合金橫向及縱向試棒(見圖5)，試驗溫度為760 ℃、900 ℃及980 ℃，試驗應(yīng)力250 MPa。

圖5 蠕變試驗件(單位：mm)

2.2 試驗結(jié)果及分析

2.2.1 葉片扭轉(zhuǎn)試驗

根據(jù)試驗前后葉片型面坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)計算葉冠與榫頭的相對變形，計算結(jié)果見表2。試驗葉片在設(shè)計工作溫度760 ℃下即產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，但變形量較小；而當(dāng)試驗溫度達(dá)到材料上限使用溫度980 ℃時，變形量大幅增加。經(jīng)驗證，在相同試驗條件下加載后立即卸載時葉片未發(fā)生明顯變形，蠕變是變形的主要原因。

表2 葉片扭轉(zhuǎn)蠕變試驗變形測量結(jié)果

試驗溫度/℃試驗件編號變形量/°平均變形量/°760760-1017015760-2014980980-1059058980-2057

980℃條件下葉片各截面扭轉(zhuǎn)變形量及應(yīng)力分布見圖6和圖7。變形主要集中于葉冠附近，葉冠與B截面之間的變形占葉片總變形量的75%～80%。根據(jù)有限元計算結(jié)果，在扭轉(zhuǎn)載荷作用下葉身靠近葉冠處以及葉冠與葉身結(jié)合部位的應(yīng)力較大，易產(chǎn)生蠕變變形。

2.2.2 材料蠕變試驗

DZ417G合金縱向試棒在不同溫度下的蠕變曲線見圖8。在760℃條件下材料的蠕變變形并不明顯；當(dāng)試驗溫度超過900 ℃時，溫度變化對蠕變影響較大，980 ℃條件下蠕變變形速率顯著上升。

圖6 980 ℃葉片各截面變形測量結(jié)果

圖7 980葉片扭轉(zhuǎn)試驗應(yīng)力分布

圖8 DZ417G合金縱向試棒高溫蠕變曲線

(試驗應(yīng)力250 MPa)

由于定向凝固合金存在各向異性，比較了不同晶粒取向的蠕變性能，試驗結(jié)果見圖9及表3?？v向的蠕變速率在相同溫度及應(yīng)力下高于橫向值；橫向延伸率及收縮率均大幅低于縱向值。

2.2.3 分析及討論

由于加載后立即卸載并不會使葉片產(chǎn)生明顯變形，變形與長時保載有關(guān)，蠕變是導(dǎo)致葉片產(chǎn)生變形的主要原因。溫度對葉片變形程度的影響與材料試棒的試驗結(jié)果具有一致規(guī)律，當(dāng)工作溫度高于900℃時對變形速率有較大影響。

圖9 DZ417G合金橫向及縱向高溫蠕變曲線(980 ℃/250 MPa)

表3 DZ417G合金蠕變試驗結(jié)果(980 ℃/250 MPa)

試驗件取向壽命/h延伸率/%斷面收縮率/%縱向80334433橫向755238

該型機(jī)低壓渦輪工作葉片相互間依靠葉冠裝配預(yù)扭力形成穩(wěn)固的配合，扭轉(zhuǎn)變形將使葉冠配合間隙增大，導(dǎo)致低壓渦輪組件的異常振動及磨損等問題[14]。在正常工作狀態(tài)下，葉片的蠕變是長時間積累的結(jié)果，在短期試車及使用中不容易引發(fā)故障。當(dāng)航空發(fā)動機(jī)經(jīng)過長期試車或服役，特別是經(jīng)歷超溫等異常狀態(tài)時，這些問題才顯現(xiàn)出來?，F(xiàn)有研究對渦輪葉片的扭轉(zhuǎn)蠕變問題的關(guān)注較少，應(yīng)進(jìn)一步開展深入研究。

3 結(jié)論

(1)本文設(shè)計了葉片高溫扭轉(zhuǎn)試驗平臺且建立了相應(yīng)試驗方法，并應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪工作葉片扭轉(zhuǎn)蠕變試驗。

(2)葉片扭轉(zhuǎn)蠕變初步試驗結(jié)果表明：DZ417G合金低壓渦輪工作葉片在高溫環(huán)境及安裝預(yù)扭力作用下可產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)蠕變變形；其變形主要集中于葉冠附近區(qū)域；溫度對變形速率的影響顯著。

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(責(zé)任編輯：劉劃 英文審校：趙歡)

Torsional creep test technique for aero-engine blade

CHI Qing-xin,DONG Zi-chao,TONG Wen-wei,LIU Fang

(Materials Application Laboratory,Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China)

A torsion test system under high temperature for aero-engine blades was designed and established to test the creep of a DZ417G alloy low-pressure turbine blade.The results show that the blade is prone to form creep deformation under the circumstance of high temperature and torsional load.The deformation is mainly located near leaf canopy.Temperature makes a remarkable effect on deformation rate.

torsional creep;high-temperature torsion test;aero-engine;turbine blade

2016-04-29

遲慶新(1985-)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師，主要研究方向：航空發(fā)動機(jī)材料力學(xué)性能試驗及應(yīng)用，E-mail:ericofhit@126.com。

2095-1248(2016)05-0033-05

V231.9

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.05.007