● 摘要
针对某型发动机涡轮叶片在外场使用中所发生的断裂故障，本文分析了断裂的原因，为高低周复合疲劳所致，并对其进行高低周复合疲劳的试验研究，进而为涡轮叶片的定寿提供依据。本文首先根据涡轮叶片外场故障的断口分析和低周疲劳试验的结果，分析涡轮叶片断裂故障的原因，认为叶片故障不是单纯的低周疲劳。之后对涡轮叶片进行静强度和叶盘耦合振动分析，由分析可以看出叶片的故障还与振动疲劳有关，并确定涡轮叶片的考核部位为第一榫齿的排气边。确定了故障原因以及考核部位之后，便开展了针对全尺寸涡轮叶片的复合疲劳试验方案设计，模拟外场叶片破坏方式，保证试验中叶片第一榫齿排气边的应力分布可以模拟外场叶片第一榫齿排气边的应力分布，进行试验调试，采用几种调试方案确保考核部位的应力最大。之后，确定试验的载荷谱，包含低周载荷峰值、高低周频比等；分析研究不同的试验方法优劣，选取合适的试验方法。最后，开展高低周复合疲劳试验，对试验数据进行处理。本文在试验方案设计中，通过计算分析，调整试验夹具结构等因素，使试验系统可以模拟涡轮叶片某一截面的考核点的应力分布；另外，由于试验考核部位为第一榫齿排气边的R处，试验中无法进行监测，试验中监测量为振幅，本文采用有限元计算分析的方法，确定监测振幅与考核点应力的关系；最后，本文对高低周复合疲劳试验进行试验数据处理，得到P-S-N曲线和寿命分散性和应力的分散性。本文的研究工作给出了一个完整的开展全尺寸叶片复合疲劳试验的技术途径，为后续进行全尺寸涡轮叶片复合疲劳研究提供参考。