（中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，常常遭受到隨高速氣流吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的外來物損傷，這種外物沖擊損傷(Foreign object damage，簡稱FOD)。外場使用條件下，因周圍環(huán)境因素不可避免地有大量“外物”存在，使得外物損傷在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用中頻繁發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)因外來物損傷造成提前翻修的發(fā)動(dòng)機(jī)占提前翻修總數(shù)的40%以上[1]。

外物沖擊損傷主要表現(xiàn)為在葉片局部區(qū)域出現(xiàn)缺口、撕裂、凹坑或鼓包等形式，產(chǎn)生應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力或初始裂紋等[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)不僅受到起停形成的低周循環(huán)載荷，還受到氣流激振引起的高周循環(huán)載荷，在循環(huán)載荷作用下，外物損傷部位可能會(huì)迅速形成疲勞裂紋，從而大幅度降低零件的壽命，造成葉片的疲勞失效。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展（如更精確的有限元強(qiáng)度分析技術(shù)，更準(zhǔn)確的壽命預(yù)測技術(shù)），特別是新材料、新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用（如高強(qiáng)度鈦合金、整體葉盤等），加上LCF載荷發(fā)生的頻次較慢，容易控制和監(jiān)測，LCF失效并不是導(dǎo)致風(fēng)扇/壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生故障和事故的主要因素。相反，由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)因素眾多且有許多來歷不明，各種阻尼機(jī)制及其變化規(guī)律十分復(fù)雜，使得葉片的高周疲勞載荷難以預(yù)測，因此，外物損傷主要影響葉片的高周疲勞壽命。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及壽命預(yù)測中，必須考慮外物損傷對葉片疲勞壽命的影響，提高葉片抗外物損傷的能力，保證發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)因?yàn)橥馕飺p傷產(chǎn)生重大安全隱患，同時(shí)為損傷葉片的維修提供依據(jù)。

本文對某壓氣機(jī)離心葉輪外物損傷試驗(yàn)進(jìn)行分析和總結(jié)，為發(fā)動(dòng)機(jī)的后續(xù)研制提供依據(jù)，同時(shí)，可以為其他壓氣機(jī)葉片的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1.外物損傷設(shè)計(jì)規(guī)范

國內(nèi)現(xiàn)行的航空渦輪螺旋槳和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GJB242A要求：“發(fā)動(dòng)機(jī)吸入外物后，外物對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片造成相當(dāng)于應(yīng)力集中系數(shù)Kt≥3.0的損壞，且該損傷位置分別處于最高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生最高穩(wěn)態(tài)應(yīng)力以及出現(xiàn)最高振動(dòng)應(yīng)力的最危險(xiǎn)位置，發(fā)動(dòng)機(jī)至少應(yīng)能工作到兩個(gè)規(guī)定的檢查周期或小時(shí)數(shù)?！?/p>

2.葉片缺口應(yīng)力集中系數(shù)

應(yīng)力集中系數(shù)的定義是：

Kt=σmax/σav

式中：Kt—應(yīng)力集中系數(shù)；σmax—缺口處的最大真實(shí)應(yīng)力；σav—完整葉片在同一葉高位置的應(yīng)力。

3.葉片振動(dòng)應(yīng)力分析

葉片的FOD容限設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是在考慮了FOD對葉片HCF強(qiáng)度或裂紋擴(kuò)展極限的影響之后的葉片最大振動(dòng)應(yīng)力設(shè)計(jì)與控制。

根據(jù)動(dòng)應(yīng)力測量結(jié)果，該離心葉輪葉片29%葉高處穩(wěn)態(tài)應(yīng)力最大，72%葉高處振動(dòng)應(yīng)力最大。根據(jù)Goodman公式可折算得到應(yīng)力比R=-1時(shí)的應(yīng)力值σ-1，具體見表1，其中。

表1 離心葉輪片前緣應(yīng)力值

4.葉片高周疲勞試驗(yàn)

4.1 外物損傷缺口模擬

根據(jù)對航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片硬物沖擊損傷的統(tǒng)計(jì)，缺口在所有外物損傷類型中占比最高，且超過50%[3]。因此，為了模擬葉片外物損傷結(jié)構(gòu)，在葉片前緣29%葉高和72%葉高位置預(yù)制應(yīng)力集中系數(shù)Kt≥3的缺口。

目前缺口試制的主要方法有：機(jī)械加工法，低速?zèng)_擊法、靜態(tài)擠壓法和高速彈道沖擊法，其中高速彈道沖擊法是最能準(zhǔn)確模擬外物損傷的方法[4]。

根據(jù)缺口形狀及尺寸進(jìn)行建模及數(shù)值仿真計(jì)算，可以獲得葉片缺口處的應(yīng)力集中系數(shù)。無缺口葉片當(dāng)量應(yīng)力云圖見圖1，缺口處當(dāng)量應(yīng)力云圖見圖2所示。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，擬定缺口方案為：深度1.27mm，缺口半徑1.5mm。

圖1 無缺口葉片當(dāng)量應(yīng)力云圖

圖2 有缺口葉片應(yīng)力云圖

利用空氣炮試驗(yàn)系統(tǒng)制造外物損傷缺口，再使用三維體視顯微鏡測量各個(gè)缺口的長度和寬度，獲得缺口參數(shù)，并選擇缺口尺寸滿足要求的葉片進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn)。葉片前緣模擬缺口尺寸見表2，缺口形貌如圖3所示。

表2 葉片模擬缺口尺寸和應(yīng)力集中系數(shù)

圖3 葉片前緣缺口形貌

4.2 葉片高周疲勞試驗(yàn)

由于真實(shí)葉片形狀不便于在振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)上裝夾，在進(jìn)行葉片高周疲勞試驗(yàn)前需對葉片進(jìn)行切割。切割后的葉片不僅要滿足裝夾要求，還要保證其振型和完整葉片一致。因此，切割前需要通過數(shù)值分析保證切割方案的可行性。圖4為處理前后葉片模態(tài)云圖，從計(jì)算結(jié)果可以看出，切割前、后葉片的模態(tài)振型未發(fā)生明顯改變，因此該切割方案可行。

圖4 葉片一階振型

根據(jù)振動(dòng)應(yīng)力分析結(jié)果，折算到R=-1時(shí)，前緣72%葉高位置的振動(dòng)應(yīng)力為相對于前緣29%葉高位置更大，故采用前緣72%葉高位置的振動(dòng)應(yīng)力對葉片進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。同時(shí)，考慮到高周疲勞試驗(yàn)存在的分散性，試驗(yàn)載荷按計(jì)算載荷的1.5倍計(jì)算。

試驗(yàn)過程中，需要通過應(yīng)變片來監(jiān)測葉片前緣的振動(dòng)應(yīng)力。由于葉片前緣無法粘貼應(yīng)變片，因此在葉片上選取一處特征點(diǎn)進(jìn)行測量，并通過數(shù)值計(jì)算分析獲得葉片特征點(diǎn)應(yīng)力與前緣應(yīng)力的相對關(guān)系。試驗(yàn)時(shí)，首先通過振動(dòng)臺(tái)對葉片進(jìn)行掃頻試驗(yàn)以確定試件的共振頻率，然后在其共振頻率下進(jìn)行駐留試驗(yàn)，并通過控制特征點(diǎn)的應(yīng)變保證葉片前緣缺口位置的應(yīng)力滿足試驗(yàn)要求。完成疲勞強(qiáng)度考核后對葉片進(jìn)行無損檢測，觀察是否產(chǎn)生裂紋[5]。

葉片高周疲勞考核試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 葉片高周疲勞考核試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，1、2號葉片經(jīng)過3×107循環(huán)，3、4號葉片經(jīng)過109次循環(huán)的高周疲勞考核試驗(yàn)后均未產(chǎn)生裂紋?？紤]到離心葉輪材料為鈦合金，試驗(yàn)結(jié)果以109次循環(huán)為準(zhǔn)，因此認(rèn)為葉片在受到深度不大于1.22mm的外物損傷后，疲勞強(qiáng)度滿足工作要求。

5.外物損傷考核試驗(yàn)

根據(jù)GJB242A的要求，需要對葉片進(jìn)行外物損傷缺口模擬，并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)考核試驗(yàn)。試驗(yàn)前對葉片進(jìn)行編號，并使用與葉片疲勞試驗(yàn)中相同的參數(shù)對離心葉輪上的三個(gè)葉片進(jìn)行外物損傷缺口預(yù)制，其中1號與6號葉片預(yù)制缺口在葉片72%葉高位置，11號預(yù)制缺口在葉片29%葉高位置。離心葉輪外物損傷預(yù)制缺口宏觀尺寸見表4，缺口形貌見圖5。計(jì)算結(jié)果顯示三處缺口應(yīng)力集中系數(shù)均大于3，滿足試驗(yàn)要求。

表4 外物損傷缺口尺寸表

圖5 離心葉輪外物損傷缺口

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配預(yù)制缺口離心葉輪進(jìn)行了整機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，各狀態(tài)參數(shù)都達(dá)到了發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)完成后對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了相關(guān)分解檢查工作，發(fā)動(dòng)機(jī)零件沒有異常，離心葉輪預(yù)制缺口未發(fā)現(xiàn)裂紋。該離心葉輪的外物損傷試驗(yàn)通過試驗(yàn)考核。

6.結(jié)論

本文通過對某型動(dòng)機(jī)外物損傷進(jìn)行試驗(yàn)研究，可以得到如下結(jié)論：

（1）該型發(fā)動(dòng)機(jī)在外物損傷試驗(yàn)過程中工作正常，分解檢查結(jié)果均符合要求，外物損傷試驗(yàn)滿足型號規(guī)范要求。

（2）本文外物損傷試驗(yàn)方案合理可行，可以很好地模擬外場實(shí)際外物損傷的效果，可以為今后其他型號的研制提供參考。

（3）本次外物損傷試驗(yàn)研究主要針對設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行，缺乏外場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對發(fā)動(dòng)機(jī)使用和維修過程中的指導(dǎo)意義有限。后續(xù)需要進(jìn)一步開展葉片外物損傷研究，通過統(tǒng)計(jì)葉片在外場的實(shí)際損傷情況，分析真實(shí)損傷對葉片HCF強(qiáng)度或裂紋開展壽命的影響，為外場的使用維護(hù)，甚至后續(xù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。