涡轮叶片疲劳.pdf

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书籍描述

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《涡轮叶片疲劳》写到,涡轮叶片是航空燃气涡轮发动机中的重要部件,在高温、高压的燃气环境中高速旋转,其寿命和可靠性对发动机的安全工作影响非常大。如果把航空发动机比喻为“工业之花”,那么涡轮叶片一定是这朵花中开得最鲜艳的一瓣。对涡轮叶片疲劳寿命的研究,一般是在大量试验研究的基础上,发展相关理论和模型,不断提高对叶片寿命预测的精度。《涡轮叶片疲劳》内容就是对上述研究结果的整理和归纳,以期对航空发动机的发展有所裨益。
《涡轮叶片疲劳》可作为燃气涡轮发动机相关领域的科研技术人员、高校师生的参考书。由于书中介绍的试验件都是基于国内材料和工艺体系制造的,研究结果对航空燃气涡轮发动机生产厂家也有重要参考价值。

目录
序一
序二
前言
第1章概述
1.1燃气涡轮发动机
1.2涡轮叶片的结构形式
1.3涡轮叶片的材料和制造工艺
1.4涡轮叶片的失效模式
1.4.1涡轮叶片所受载荷
1.4.2涡轮叶片的主要失效模式
1.5涡轮叶片疲劳寿命的研究方法
1.6本书的研究方法和思路
1.7本书的内容安排
参考文献
第2章高温疲劳基本知识
2.1概述
2.2疲劳基本知识
2.2.1疲劳破坏的特点
2.2.2疲劳应力及相关曲线
2.2.3疲劳寿命的概率统计
2.2.4载荷谱
2.3疲劳累积损伤理论
2.4蠕变/疲劳交互作用
2.4.1蠕变
2.4.2蠕变/疲劳寿命预测
2.5高低周复合疲劳
2.5.1高低周复合疲劳的特点
2.5.2复合疲劳寿命预测
2.5.3双频比法应用实例
参考文献
第3章低周疲劳
3.1概述
3.2低周疲劳试验技术
3.2.1载荷谱及转换
3.2.2应力场及模拟
3.2.3温度场及模拟
3.2.4试验系统
3.2.5数据处理
3.3铸造叶片的低周疲劳
3.3.1改进工艺对寿命的影响
3.3.2改进检测方法对寿命的影响
3.3.3微裂纹对寿命的影响
3.4锻造叶片的低周疲劳
3.5小结
参考文献
第4章蠕变/疲劳
4.1概述
4.2叶身部位蠕变/疲劳寿命
4.2.1确定考核部位
4.2.2载荷谱换算及寿命预测
4.2.3蠕变/疲劳试验
4.2.4试验结果及数据分析
4.2.5蠕变伸长量
4.2.6断口分析
4.3榫齿根部蠕变/疲劳寿命
4.3.1蠕变/疲劳试验
4.3.2试验条件考核部位应力场及变化
4.3.3工作条件考核部位应力场及变化
4.3.4断口分析
4.4小结
参考文献
第5章复合疲劳
5.1概述
5.2复合疲劳试验技术
5.2.1考核部位及工作应力场
5.2.2载荷谱
5.2.3加载方式及夹具设计
5.2.4应力场标定与振动应力监测
5.2.5叶片加温
5.2.6复合疲劳试验系统
5.3寿命预测理论与方法
5.3.1反推法
5.3.2对比法
5.4小结
参考文献
第6章定向凝固叶片的疲劳特点
6.1概述
6.2低周疲劳
6.2.1试验方案
6.2.2试验结果
6.2.3试验条件下叶片的应力场
6.2.4低周疲劳特点
6.3高低周复合疲劳
6.3.1试验方案
6.3.2试验结果
6.3.3与普通铸造叶片对比
6.3.4复合疲劳特点
6.4小结
参考文献
第7章定向凝固叶片模拟件的疲劳蠕变试验研究
7.1概述
7.2模拟件设计
7.2.1几何特征
7.2.2显微组织
7.2.3应力分布
7.3模拟件显微组织的数值仿真
7.3.1数值模型
7.3.2宏观物理场
7.3.3显微组织
7.3.4与腐蚀显晶结果对比
7.4叶片显微组织的数值模拟
7.4.1数值模型
7.4.2宏观物理场
7.4.3显微组织
7.5低周疲劳试验
7.5.1试验方案
7.5.2试验结果
7.5.3数据分析
7.6蠕变试验
7.6.1试验方案
7.6.2试验结果
7.6.3数据分析
7.7小结
参考文献
第8章总结

文摘
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1.6本书的研究方法和思路
从上面对几类试件的寿命研究可以看出,几种方法相互补充,共同为构建涡轮叶片疲劳寿命的理论方法和体系提供了全面的试验数据支撑。其中,真实涡轮叶片疲劳寿命研究,由于直接采用全尺寸叶片,试验件在材料性能、几何特征等方面没有进行简化,如能采取合适的研究方法来开展相关的疲劳寿命研究,得到的结果对于涡轮叶片寿命设计和评估具有非常重要的工程实用意义。
对真实涡轮叶片开展疲劳相关的寿命试验,其难点在于如何模拟叶片的工作环境。由于在实际工作环境下,涡轮叶片的载荷条件较为复杂,因此需要发展新的试验技术和方法来开展试验研究。本书内容主要以真实涡轮叶片作为试验研究对象,介绍了作者近二十年来开展的关于涡轮叶片疲劳寿命试验研究的结果,结合试验研究开展的一些理论、方法以及发现的一些新现象和规律,并对试验现象、结果进行了细致分析和总结。本书中的研究项目多来源于当前我国航空发动机的改进改型和排故的实际任务,对于新现象和新方法的研究,也得到了国家自然科学基金的资助(10872015、11272025)。
对于涡轮叶片来说,其疲劳寿命取决于叶片上最危险、寿命最短部位的寿命。因此,在试验机上开展叶片疲劳相关的寿命研究,关键是模拟叶片上最危险、寿命最短部位(即“考核部位”)的应力场和温度场。基于这样的原则,本书对真实涡轮叶片开展疲劳相关的寿命研究的方法和思路如图1.33所示。主要包括如下步骤:
(1)根据外场飞行载荷谱,通过试验测试和理论计算相结合,得到涡轮叶片在实际工作环境下的温度场、应力场的分布;和外场故障相结合,确定涡轮叶片的考核部位,即寿命最短的部位。
(2)以考核部位为基准,针对外场统计得到的载荷谱,按照等损伤的转换原则,转换为在实验室条件下的开展疲劳相关试验的载荷谱。
(3)以疲劳试验机为基础,设计相关夹具,实现对疲劳相关的失效模式的加载模拟。
(4)利用所设计的夹具,在疲劳试验机上对叶片加载加温,测量考核部位的应变、温度值,调整试验及夹具设置,使得考核部位的应变、温度等条件和其在外场飞行条件下的相同(或非常接近)。
(5)开展寿命试验研究。试验过程中监测或者检测和疲劳损伤相关的物理量,如裂纹长度、叶片伸长量、微观组织变化等。

内容简介
结合发展高性能、高可靠性航空发动机的任务需求,本书以真实涡轮叶片(包括部分模拟件)为研究对象,系统给出了针对不同失效模式(低周疲劳、蠕变/疲劳、复合疲劳等)开展试验研究的技术和方法,同时,也给出了一些理论模型,介绍了一些试验现象。书中给出的试验技术和理论方法既可以用于当前航空发动机型号的排故和可靠性提高,也可应用在新型号发动机的研制、设计改型等预先研究任务中,尤其是涡轮叶片采用了新结构、新材料和新工艺的情况下,更需要开展此类研究。

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