[发明专利]一种提高飞机发动机叶轮寿命的计算设计方法

说明书

本发明公开一种提高飞机发动机叶轮寿命的计算设计方法，包括以下步骤：第一步，选用发动机涡轮盘合金加工成疲劳拉伸试件；第二步,使用磁控溅射镀膜技术分别对试件进行镀膜，试件进行高温疲劳实验；第三步,根据试件试验寿命数据,利用有限元计算航空发动机叶轮寿命,并且优化叶轮型线。本发明从材料和结构两方面提高发动机涡轮盘的疲劳寿命或者提高飞机发动机的推力。本研究通过神经网络建立他们之间跨学科的因素对涡轮盘寿命的影响,对镀膜厚度和涡轮圆盘轮廓结构优化，并分析发动机推力和涡轮盘寿命之间的关系，提出提升涡轮盘寿命的方法。本项目成果可以广泛地应用在飞机发动机和重型燃机上，以改善飞机的机动性来提高作战能力。

技术领域

本发明属于航空航天领域，特别涉及一种提高飞机发动机叶轮寿命的方法。

背景技术

航空发动机是国家综合国力、工业基础和科技水平的集中体现，是军民用飞行器和航空工业发展的源动力，被誉为飞机制造业“皇冠上的明珠”，也是制约中国航空工业发展的“软肋”。目前，航空发动机核心技术仍被美、英、俄、法等少数国家垄断，我国民用航空发动机大量依赖进口，军用航空发动机以自主研制加引进俄罗斯发动机为主。航空发动机技术同时也可以为燃气轮机的优化设计提供技术支持。

航空叶轮是航空发动机的关键热力转化部件，现有的航空发动机通过持续升高温度提高燃油使用效率和发动机推力，而升温会导致氧化和热疲劳腐蚀涡轮盘，严重降低涡轮盘的使用寿命。为解决这个问题，本项目以航空叶轮为研究对象，以世界最先进500强企业的航空叶轮的现有技术和设计为研究基础，进行材料科学和结构力学跨学科的科学研究。分析发动机推力和涡轮盘寿命之间的关系，提出一种提升涡轮盘寿命的方法。本项目成果可以广泛地应用在飞机发动机和重型燃机上，以改善飞机的性能。

常规的合金涡轮叶轮被限制在小于1300°F(通常约为1100°F)的工作温度下，在超过 1300°F的温度下叶轮的耐疲劳性和耐腐蚀性很差。在某些涡轮发动机环境中，保护性延展性涂层对于减轻暴露于不断升高的工作温度的高温合金圆盘的氧化和腐蚀侵蚀必不可少。在使用过程中，涂层对叶轮疲劳寿命的影响是一个重要问题，已经有学者比较了不同喷丸处理、制备处理和暴露对有涂层和无涂层试件的疲劳寿命的影响。这些变量中的每一个及其相互作用都极大地影响了疲劳寿命。同时美国学者提出了在循环氧化试验中表现出较高耐热性的铝化物和铂改性的铝化物涂层的结构。在试验中使用堆胶结、外装和CVD(化学气相沉积)这三种方法将涂层附着在叶轮外表面上，从而延长了疲劳寿命。有专家指出TiSiCN具有最佳的耐蚀性，几乎是未镀层的不锈钢或Ti-6Al-4V的25倍，是所有其他氮化物的5-10倍，但是此类涂料在使用过程中必须能够抵抗有害的表面开裂。美国学者在对装有涂层的叶轮进行喷丸处理，观察到喷丸处理在涂层和基材中引起了有益的压缩残余应力，这样即使在涂层开裂后，大量的压缩残余应力保留在涂层附件的基材中，足以抑制那里的疲劳裂纹萌生，这样即使在涂层中形成疲劳裂纹后，涂层仍可以继续保护基材免受热腐蚀点蚀的影响。

涡轮叶轮是疲劳寿命受限的组件，广泛用于飞机发动机和燃气轮机。旋转的涡轮叶轮承受高温影响，并承受其自身重量产生的离心力以及所连接叶片对叶轮轮缘的作用力。涡轮叶轮寿命的延长成为整个发动机或燃气轮机寿命提高的关键问题。叶轮的设计标准中，寿命限制设计和寿命预测是重点技术之一。低周疲劳功能的设计包括考虑操作员的使用情况、材料特性、温度和应力分析。低周疲劳是航空发动机涡轮叶轮的主要失效模式,但是应用疲劳寿命预测的等效应变模型和临界面模型等方法预测疲劳寿命都有不小的误差。