杜傳宇，姜 睿，杜鵬飛，劉躍聰，楊洪旭

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，遼寧 沈陽 110015)

1 引 言

航空發(fā)動機高壓渦輪轉子葉片長期在高溫、高壓、高轉速的條件下工作，除承受轉動產生的離心力載荷、氣動力產生的氣動載荷外，還承受溫差產生的熱應力[1]。當氣流激勵頻率與葉片固有頻率一致時還會發(fā)生較大應力的共振，葉片長時間在共振狀態(tài)下工作，將產生疲勞損傷。因此，通過高循環(huán)疲勞試驗確定發(fā)動機葉片的疲勞強度，發(fā)現(xiàn)葉片結構的薄弱環(huán)節(jié)，這對提升發(fā)動機的可靠性具有重要的作用。

單晶高渦葉片在常溫和高溫下的疲勞性能有較大的差距[2]。為了摸清葉片在工作狀態(tài)下的高循環(huán)疲勞強度，需進行高溫振動疲勞試驗。目前，國內開展高溫疲勞試驗主要采用電爐和石英燈等設備，通過熱輻射的方式對試驗件進行加溫。韓增祥等[3]用電爐-水冷的方式研究了測定熱障涂層熱疲勞抗力的試驗方法，王則力等[4]應用石英燈加熱的方式實現(xiàn)了渦輪葉片熱沖擊疲勞特性試驗的熱環(huán)境模擬。

近年來，高頻感應加熱作為一種新的加熱方法，越來越多地應用于大型鋼結構成型工藝[5，6]和熱疲勞試驗研究中。相較于電爐和石英加熱方式，感應加熱技術具有加熱速度快、效率高、易于實現(xiàn)目標溫度梯度分布、試驗參數(shù)方便測量等優(yōu)點[7]。李鳴等[8]通過仿真分析，給出了電磁感應線圈壁厚對加熱效率的影響規(guī)律。梁文等[9]設計了感應線圈，并使用U形鐵氧體精細調節(jié)溫度，完成了渦輪葉片的熱機疲勞試驗。王洪斌[10]設計了一種感應加熱裝置，實現(xiàn)了真實渦輪葉片的熱/機復合疲勞試驗。

感應加熱在熱疲勞領域的應用主要集中在低循環(huán)疲勞試驗，對于在均勻溫度場下進行渦輪葉片高溫高循環(huán)疲勞試驗的研究相對較少。國外一些技術較先進的公司已將此項技術應用于葉片高溫振動疲勞試驗，但并未公布詳細的技術資料。

本文針對某發(fā)動機高渦葉片高循環(huán)疲勞失效故障，研究了單晶材料高渦葉片高溫振動疲勞試驗的加溫方式，介紹了應用高頻感應加溫設備進行渦輪葉片高溫振動疲勞試驗的試驗方法。根據前期的試驗研究和故障定位確定了加溫范圍，實現(xiàn)了目標區(qū)域內葉片均勻溫場的施加，并通過定位工裝和閉環(huán)控制確保了溫場的精確性。在此基礎上，完成了450℃和900℃下某發(fā)動機單晶材料高渦葉片的振動疲勞試驗。

2 葉片感應加溫實現(xiàn)方式

2.1 感應加溫原理

感應加溫技術是利用電磁感應原理，通過高頻交變電流產生交變電磁場，磁場穿過金屬葉片時在正交截面產生感應電動勢，該電動勢可由下式表示：

(1)

式中，?為磁通量，t為時間，e為感應電動勢。

葉片內的渦流If為：

(2)

式中，E為感應電動勢e的有效值，Z為渦流回路內的阻抗。

葉片內的感應電動勢會產生感應渦流，根據焦耳定律，渦流在導體內會產生熱量，從而實現(xiàn)對葉片的加熱。產生的熱量Q由下式計算：

(3)

由以上公式可知，感應加熱過程中葉片的加熱取決于葉片內磁通量的變化規(guī)律和加溫時間。

2.2 感應線圈設計

根據高渦葉片的結構形式，選擇圖1所示的縱向磁通加熱方式。感應線圈采用空心銅管圍繞渦輪葉片外表面螺旋形繞制。研究表明，螺旋形加熱線圈有較高的加熱效率[11]。為防止加熱過程中線圈過熱燒壞，銅管內部通以冷卻循環(huán)水。為確保線圈與外界絕緣，在線圈表面加玻璃絲套管。

圖1 縱向磁通加熱

端部效應[12]是指感應線圈對其內部工件端部加熱功率的影響，其影響規(guī)律如圖2所示。為實現(xiàn)加溫區(qū)域的溫度分布要求，線圈的覆蓋范圍應當大于試驗件的加溫區(qū)域。

圖2 端部效應示意圖

3 葉片加溫區(qū)域分析

3.1 最大應力區(qū)分析

為了分析葉片的最大應力區(qū)域，對葉片一彎狀態(tài)的應力分布進行了試驗和仿真分析。試驗分析采用應變電測法，圖3為應力分布試驗應變片粘貼位置，在葉片盆側的進排氣邊和葉片背側的最大厚度位置粘貼應變片。試驗時調節(jié)激振頻率，使葉片保持一彎振動，記錄每個應變片的應變值和相位差，繪制應力分布圖，圖4為試驗獲取的相對應力分布結果。試驗結果表明，葉片相對應力較大區(qū)域位于葉片盆側根部，試驗結果與仿真結果(如圖5所示)相吻合。

圖3 應力分布貼片位置

圖4 相對應力分布曲線

圖5 應力分布圖

3.2 室溫振動疲勞試驗結果

在高溫試驗前，進行了室溫條件下相同批次葉片的振動疲勞試驗，獲取了循環(huán)數(shù)為2×107時葉片的最低疲勞極限(為70MPa)，并對破壞的葉片進行了失效分析。分析結果表明，葉片失效位置主要分布在葉背側根部前兩排氣膜孔以及擾流柱根部，如圖6所示。

圖6 室溫疲勞試驗破壞位置

3.3 葉片加溫區(qū)域

結合葉片的故障位置和前期室溫條件下疲勞試驗的破壞位置，確定葉片加溫區(qū)域(如圖7所示)。試驗時，應確保加溫區(qū)域內溫場均勻。

圖7 加溫區(qū)示意圖

4 試驗方法

4.1 溫度場調節(jié)

高溫試驗應首先調節(jié)試驗溫場，先取一個與正式試驗件同批次的葉片作為溫場調節(jié)試件，通過在葉片表面安裝熱電偶的方式測量葉片的溫度場。根據加溫區(qū)域的要求，在重點關注區(qū)域安裝7個熱電偶，如圖8中T1～T7所示。為盡量確保葉片溫場均勻，在葉身安裝T8熱電偶測點。

圖8 熱電偶分布圖

試驗中通過調節(jié)感應加熱頻率、輸出功率以及線圈與葉片的相對位置來調節(jié)溫場。由于葉片加熱方式主要為傳導式加熱，因此，溫場的穩(wěn)定需要一定時間。經驗表明，渦輪葉片在30min后溫場趨于穩(wěn)定，最終溫場結果見表1。

表1 溫場調試結果

續(xù)表1

4.2 高溫試驗標定方法

根據理論力學可以證明，等截面懸臂梁一階彎曲振動時，固持端截面的最大彎曲應力為[13]：

(4)

即：

(5)

由式(5)可以看出，振動應力σ與振幅和頻率的乘積af成線性關系。因此，可用af作為衡量振動應力的主要參數(shù)。常溫試驗中，可以直接通過σ-af關系標定，得到葉片的擬合曲線σ=R(af)，R為標定系數(shù)。

目前，國產高溫應變片的測量誤差較大，因此，應避免采用高溫應變片直接標定，可以先使用常溫應變片獲得常溫狀態(tài)下的標定系數(shù)R1，經換算得到高溫下的標定系數(shù)R2。式(6)和式(7)分別為常溫和高溫的標定關系：

σ1=εE1=R1af1

(6)

σ2=εE2=R2af2

(7)

式中，E1、f1為常溫彈性模量和常溫固有頻率，E2、f2為高溫彈性模量和高溫固有頻率。

兩式相除可得：

(8)

(9)

據此可得常溫和高溫標定系數(shù)的換算關系。

4.3 試驗標定結果

為確保標定系數(shù)的可靠度較高，試驗選取3個葉片在一彎振型下標定，每個葉片測定4個等級的最大應力點應力和葉尖振幅，并用最小二乘法擬合得到常溫標定系數(shù)R[15]。葉片的振動應力與振幅標定結果見圖9，常溫狀態(tài)下通過試驗獲得的標定結果為R=0.2148af。通過式(9)，換算得到450℃溫場下葉片的標定關系為σ=0.2027af，900℃溫場下葉片的標定關系為σ=0.1821af。

圖9 常溫應力-振幅標定結果

4.4 試驗過程控制

試驗過程中，如果葉片破壞，需更換下一葉片繼續(xù)試驗。為保證每個葉片的溫場相同，試驗過程中采用“夾具定位+閉環(huán)控制”的方法控制葉片溫度和溫場精度。

夾具定位是為了確保更換葉片過程中葉片與感應線圈以及紅外測溫儀的相對位置不變，從而實現(xiàn)葉片溫場不變。帶定位的夾具設計如圖10所示，通過定位槽道和頂片形成左右和前后位置的調節(jié)和固定。

圖10 定位夾具

閉環(huán)控制是為了在試驗中保證葉片的溫度精度。溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)由紅外測溫儀和溫度控制系統(tǒng)組成，試驗中通過紅外測溫儀實時測量葉片的溫度并反饋給溫度控制系統(tǒng)，根據葉片溫度的變化自動調整感應線圈內的電流強度，使葉片的溫度保持在目標值，溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)見圖11。

圖11 溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)

4.5 試驗結果

高渦葉片一彎振動疲勞試驗目標循環(huán)數(shù)為2×107。在450℃、120MPa應力等級條件下，連續(xù)6片葉片通過了目標循環(huán)數(shù)而未發(fā)生疲勞失效。在900℃條件下進行了2片葉片疲勞試驗，其中1片在120MPa失效，1片在100MPa失效。經檢驗，破壞位置與常溫疲勞試驗的破壞位置相同。

5 結 論

通過某單晶材料高渦葉片的高溫振動疲勞試驗，介紹了一種基于感應加熱原理的高溫高循環(huán)疲勞試驗方法，試驗得到以下結論：

(1)感應線圈加溫可實現(xiàn)區(qū)域內溫場均勻。

(2)運用常溫標定系數(shù)與高溫標定系數(shù)的換算關系，可以實現(xiàn)高溫下通過葉尖振幅控制葉片的振動應力。

(3)通過“夾具定位+閉環(huán)控制”的方式，可以保證溫場和溫度的精度。

(4)本試驗選用的單晶材料高渦葉片在450℃時的疲勞性能優(yōu)于室溫下的疲勞性能，疲勞強度提升約70%；在900℃時，其疲勞性能相較于450℃時有所下降。