李佳婧 牟丽君
中国人民解放军海军驻北京地区第五军事代表室 100041
【摘要】：为了进一步分析航空发动机叶片高循环疲劳问题，降低其对整个机组运行造成影响以及安全隐患。本文以航空发动机叶片高循环疲劳作为研究对象，分析常见失效原因以及应对方法，希望能够为我国航天航空机械生产、安全运维提供参考借鉴。
【关键词】：航空发动机；叶片高循环；疲劳失效研究
航天发动机对整个设备的稳定操作有直接影响，可通过科学的方式提升发动机结构的完整性，如通过材料、设计、运维管理方式等。为了保证设备的高可靠性、耐久性以及稳定性。很多设计单位采用了先进的气动设计、运用高性能的材料来提升航空发动机的运行质量，以此来保证其稳定运行。
1.叶片循环疲劳的研究价值
值得注意的是，在我国的发动机研发工作中面临着很多问题，如发动机的指标周期不足，在强调结构完整性以及运行耐久性时候会出现叶片断裂故障，直接威胁者发动机的运行安全性和有效性。
从设计要求来看，航空发动机结构应当选用先进的设计技术、高性能的建设材料、先进科学的生产工艺，以保证发动机结构的完整性和可靠性。然而在实际的运行使用中，叶片断裂问题却常常出现。按照不同的参考保准和参考量，疲劳断裂导致的失效模式问题较多。可分为温度疲劳断裂、腐蚀介质疲劳断裂、外界应力疲劳断裂以及损伤控制等，断裂的形状根据宏观走向可以分为正切疲劳断裂、正断型疲劳断裂等；根据围观裂纹走向可以分为穿晶型疲劳断裂以及沿晶型疲劳断裂等。目前，高循环的疲劳断裂占据了整个发动机事故的四成以上，通过科学的方式最大限度降低航空发动机叶片循环疲劳才是提升发动机结构质量的关键途径。
2.研究叶片高循环疲劳断裂重点方向
为了有效研究、分析、预防叶片高循环疲劳断裂问题，相关设计研究人员要了解叶片的运行方式和特征。如认识激振力和响应效应，要了解动力学布局，结构参数对整个叶片运行的影响，并在发动机范围内减少共振和颤振；其次是进行振动控制措施研究分析，可以采用阻尼减震技术来减少和抑制动力响应问题，最后是分析和研究多种因素叶片的生产因素影响，以此来最大限度地提升整个叶片的抗疲劳能力。
3.分析相关影响因素
发动机的激振力可分为周期性、非周期性以及随机性激励三种，叶片运行属于常见的周期性激励，其主要受到上游的排尾迹、吊架势场以及高温荷载的影响，进而会导致整个叶片发生强迫振动，也可能导致整个机组在气体诱导下产生叶片颤振。
共振是最常见的分析方法，通过科学的计算分析和实验研究可以确定单个叶片的固有频率，当非常作用的频率等于耦合系统的固有频率时候，整个系统就具有共振效应，此时也要针对叶片的材料进行真实的疲劳试验分析，以此来确定其强度，有条件时也要对台架叶片进行实测分析，以此来预防故障行为的出现。
分析出现故障的原因主要包括两点，第一点是单个叶片的共振阶次没统一；第二点是收到离心的影响，高速运转下，振型和不旋转状态下的振型有所区别，且高阶振型适用于弦向弯曲振型不大的环境。
失去协调后结构振动局部化问题也较为常见，一方面轮盘柔性和机械阻尼结构会发生耦合作用，若分析单一的叶片振动情况就不能够分析叶片的盘结构体系，从整个理论结构的运行环境来看，由于圆周循环不对称，整个叶片的结构也处于谐周期结构系统环境，受到材料公差以及磨损等影响，也会导致整个叶片出现一定的失谐量，进而导致叶 -盘失去协调周期。研究表示，叶盘失谐周期系统协调周期和动态特征在一定程度上有所不同，其主要表现在两个方面。第一个是模态局部化问题，第二个是振动传递局部化问题，通过科学的模态局部化分析可以分析模态振型情况，并在较小的子结构上完成振动传递局部化。以上的振动局部化多表现在一个或者多个叶盘区域范围中，可针对性予以调整来减少叶片数振动大导致的断裂问题。
阻尼减振分析可以减少、抑制叶盘系统的不规则运行，也是降低、减少叶片高循环疲劳的重要措施之一，因为叶片中的阻尼包括了材料、气动以及外界摩擦阻尼，而航空发动机叶片的常用材料的阻尼比不高，衰减叶片的振动作用不高，可以将黏弹约束薄膜阻尼系统运用于风扇/压气机整体叶盘结构中进而降低目标模态激励下的动应力水平，并采用先进可行的方式有效抵抗高循环疲劳的阻力，并因此予以探索性分析和探讨，气动阻力主要来源于叶片振动和气流的相互作用环境，在实际的操作中也要分析叶片的相位角以及攻角等因素，并分析不同等距的气动阻尼技术来减少和抑制叶片振动，进而实现减振动的目标。
此外，选择科学的阻尼器材料，采用科学的结构参数可以准确确定摩擦阻尼参数，并优化整个设计，判断分析阻尼堆整个叶片动力的影响，控制叶片的振动问题，考虑到在实际运行中存在干摩擦非线性影响，导致整个问题的研究存在问题，且缺乏针对性问题研究的措施和处理模型，因此在处理中要结合理论分析、数值仿真研究以及试验探讨予以优化，进而研究减振激励以及设计技术。
3.结论
综上所述，叶片断裂故障对航空发动机的运行有直接影响，常见的问题多是因为高循环疲劳故障所致，为了有效减少叶片断裂问题，相关单位要加强激振应力分析，做好振动控制研究，以此来全面提升叶片的抗疲劳性能。
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