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  飞机发动机涡轮的高周疲劳试验方法/HCF计划           
飞机发动机涡轮的高周疲劳试验方法/HCF计划
作者:佚名 文章来源:不详 更新时间:2008-1-26 0:50:52

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高周疲劳(HCF)亦称高循环疲劳,它是由各种气动机械源诱导的振动应力引起的,其频率在每秒几千个循环以上。HCF在飞机燃气涡轮发动机上是一个普遍的现象,在历史上它已经导致发动机重要部件(风扇、压气机和涡轮)的过早故障,在某些情况下导致发动机和飞机的损失。
HCF计划的目标是大大改善飞行安全性和准备状态并降低成本。具体目标如下:降低HCF有关的不可恢复空中停车50%;基本消除HCF有关的A等事故;基本消除HCF有关的预防性停飞;以及降低总的发动机维修成本15%以上。
HCF科学和技术计划还支持综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划,其目标之一是降低发动机维修成本。这项计划将通过技术行动组的工作实现将HCF有关维修成本降低50%的目标。此外,该计划可有助于降低HCF有关的实际研制成本50%以上。当与试验和鉴定计划和未来的状态监视途径相结合时,HCF科学和技术计划将能保证生产出损伤容限高得多的高性能发动机。
在HCF科学和技术计划下发展的技术已经帮助解决了若干困难的外场发动机问题。结果,现在的重大发动机事故少得多了。在HCF计划方面已经取得了良好的进展。这个曾经是神秘兮兮的题目被运作到能够大大降低成本并对美国空军战斗部队的作战、维修和战备状态产生积极影响的程度,这还是第一次。然而,它仍是一项非常困难的技术挑战,还涉及多项技术发展和转移的风险。今后,HCF计划将继续作为一项优先权很高的国家计划,实现其总的技术目标,将基本上消除与其有关的发动机问题,并大大提高飞机准备备状态和可用性。
材料损伤容限研究行动组(简称材料行动组)负责促进各项HCF材料损伤容限研究工作之间的合作,其目标是降低受损伤材料能力的不确定性50%。材料行动组为在HCF寿命预估、损伤成核和扩展建模、断裂力学方法发展、剩余疲劳能力建模和表面处理技术鉴定方面积极的参与者之间提供技术协调和通讯。

  材料损伤容限行动组大大加深了推进系统界对涡轮发动机HCF的理解。尤其是该行动组正在帮助发展和证实外物损伤寿命模型和接头设计方法。材料组还发展了若干独特的HCF能力,包括真实的微动磨损试验、高温微动磨损疲劳试验装置和存在高应力梯度条件下的新的寿命预估模型。今后,用于预估材料HCF特性的技术将转移到工业设计系统。

测试行动组负责支持各项HCF测试工作之间的合作,与强迫响应和部件分析行动组共同的目标是使对交变应力的预估精度达到20%以内。测试行动组为从事HCF测量、传感器、数据处理和发动机状态监视技术的积极参与者之间提供技术协调和通讯。

  部件分析行动组负责支持各项HCF部件分析工作之间的合作,它与测试和强迫响应行动组的共同目标是使交变应力的预估精度达到20%以内。

  强迫响应预估行动组负责扶持各项HCF强迫响应工作和测试和部件分析行动组之间的合作,以便将交变应力的预估精度开展在20%以内。强迫响应行动组为在HCF非定常气动力学和叶片振动响应计算方面的积极参与者之间的技术协调提供手段。

  强迫响应行动组的主要贡献者之一是GUIde集团。GUIde组建于1991年,当时一些公司和两所大学合作研究涡轮发动机的强迫响应问题。GUIde一词代表政府、大学和工业界为了一个特定目标合作。这个集团是目前的国家HCF计划的前身。该集团由来自美国空军、NASA、海军、6家发动机公司和14所大学的成员组成。该集团一起工作,来解决在交变应力预估能力方面的不足,大学和规定的成员用政府和工业界的资金发展和证实新的计算机模型。GUIde的计算机模型不断纳入发动机制造商的设计系统。

  强迫响应行动组已经成功地发展了理解和预估在燃气涡轮发动机轮盘内摩擦和调谐的影响的模型.在2001年,这些模型的的更新版已经转移到工业部门使用。一种新版的BDAMOER程序正在成功地预估摩擦受限叶片的谐振响应。新版的REDUCE和SNM整体叶盘程序正由几家涡轮发动机公司使用,而且工业部门正在联合发展用于预估颤振和谐振应力的新的程序。

  被动阻尼技术行动组负责促进各项HCF被动阻尼工作之间的合作,其总的目标是使风扇和涡轮的谐振应力分别降低60%和25%。被动阻尼行动组在积极从事HCF被动阻尼技术的参与者之间提供技术协调和通讯。

  通过零件、部件和发动机试验以及发展非常成功的建模技术,被动阻尼技术行动组成功地评估了有巨大潜力的各种阻尼方案。工作组已经验证了在带叶片转子的轮缘上而不是在叶片表面上涂粘弹阻尼层的可行性。这样做能使叶片应力降低80%。涡轮摩擦阻尼取得了巨大成功,试验结果显示其振动降低的效果大大好于预估值。涡轮阻尼器已经被应用到发动机验证机计划上。在粒子阻尼系统方面也取得巨大的进步。在坑穴旋转试验中已经成功地验证了一种粘弹材料阻尼系统的从新设计。气膜阻尼系统也显示出大有希望。这些阻尼系统还正在发展,以便在发动机上进一步验证。今后的工作重点之一是发展成本效益好的阻尼系统制造技术。

  发动机验证行动组负责所有HCF技术与计划的发动机验证机目标之间的协调。发动机验证负责采集必要的数据,以便为特定的HCF技术建立或修订设计准则,从而使技术可以工程化以满足用户的任务要求。该行动组将使他们的HCF技术发展到能够在验证机上试验的可接受的风险水平。最初的验证机的计划是根据原来批准的那组HCF技术制定的,而随着预算和技术的变化,计划不断修订。验证行动组的工作一直集中在涡喷/涡扇战斗机发动机方面,包括IHPTET计划的验证机和正在研制的先进发动机。对在装备清单里的F110-129、F100-229和其他发动机的计划正在制定中。

  HCF问题已经导致发动机的事故,影响到美国空军外场系统的使用和维修。试验和鉴定确保发动机已经得到充分的设计和发展,从而使得使用中HCF发生概率减到最小。其方法在试验大纲中规定。

  燃气涡轮发动机的故障机理有:

  · HCF;

  · LCF;

  · 热-机械疲劳;

  · 蠕变;

  · 超应力;

  · 腐蚀;

  · 微动磨损和磨损。

  HCF主要受发动机设计的影响。发生HCF故障的部件就是这样,因为它经受了大量(>107)弹性应力循环。一些因素会引起部件的高频载荷。这些因素一般称为激励因素,它们包括发动机内流扰动、自激振动(颤振和抖振流动分离)、流动畸变(压力或温度)和转子平衡。

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