某发动机涡轮叶片使用寿命可靠性分析

某发动机涡轮叶片使用寿命可靠性分析

某发动机涡轮叶片使用寿命可靠性分析

王大伟　　苗学问　　洪　杰(北京航空航天大学能源与动力工程学院, 北京100083)

　　摘 要: 发动机的载荷谱是发动机结构寿命研究的依据. 利用某短寿命发动机的开车数据,对其高压涡轮叶片使用寿命进行了预测. 建立了发动机等效寿命消耗计算模型,采用数据压缩处理技术,有效地提取了发动机的工作载荷. 根据发动机短使用寿命这一特点,用威布尔分布模型描述此发动机涡轮叶片寿命分布,建立了发动机寿命可靠性模型,采用不完全寿命数据的中位秩法对发动机叶片寿命进行可靠性计算. 随着可靠性增长,发动机寿命不断提高,考虑样本的时效性,用动态的威布尔分布模型来描述此发动机可靠性的增长,以便发动机在研制过程中的可靠性评估.

关　键　词: 蠕变寿命; 低循环疲劳; 中位秩; 威布尔分布; 可靠性
中图分类号: TB 114
文献标识码: A　　　　文章编号: 100125965 (2006) 0820903205

Reliability life time analysis of the turbine blade of turbofan engine

Abstract: The loading spectrum is the foundation on which the life analysis of the aeroengine structure is
discussed. The life usage consump tion of turbine operating blade of some typ ical missile turbofan engine was predicted by working data p rocessing. The life consump tion modelswas established on which the working data was processed and the loading spectrum of the aeroengine was gained. Distribution of life consump tion of the blade was discussed by theWeibull distribution model, and based on which reliability anglicizing modelswas established. The reliabilitymethods of calculating the usage life by using the middle rank of incomp lete life data in the statistical field were introduced. The life of the engine gradually develop swith the increases of the reliability growth. Considering the time effect of the samp le, the dynamicWeibull distribution model embodies the reliability growth of this engine. The analyticalmethodswere used to estimate the engine′s reliability at research stage.
Keywords: creep life; LCF; middle rank; Weibull distribution; reliability

　数据压缩处理是发动机载荷数据处理的基本技术,它包括峰谷值检测、无效幅值去除、雨流计数等过程. 通过数据压缩处理,得到发动机涡轮叶片使用载荷,再通过高压涡轮叶片寿命计算模型计算叶片等效寿命消耗. 对高压涡轮叶片寿命消耗主要考虑的是蠕变寿命和低循环疲劳寿命,叶片的蠕变寿命取决于其在材料蠕变范围内的所有温度下的工作时间. 叶片的低循环疲劳寿命是由作用其上的主循环及次循环的次数和程度决定的. 按照线性累积损伤理论,在寿命计算分析中对蠕变寿命和低循环疲劳寿命采用线性叠加方法等效. 短寿命发动机的寿命只有十几个小时,对其定寿比较困难,低循环疲劳对其寿命的损耗是寿命消耗的主要因素[ 1 ] .
威布尔分布是可靠性理论中较复杂的一种分布,它有3个参数,对各种类型的试验数据拟合能力强. 一般情况,威布尔分布能很好地描述零件的寿命问题. 高压涡轮叶片,是此短寿命发动机的关键件,它的寿命决定了整个发动机的寿命,叶片的寿命分布可以用威布尔分布来分析. 根据发动机等效寿命消耗数据,采用不完全数据的中位秩法进行参数估计,利用威布尔概率坐标纸,编写威布尔参数估计程序进行三参数线性回归拟合,然后根据发动机叶片故障概率密度函数进行可靠度和可靠寿命计算. 随着发动机可靠性的增长,用动态的威布尔模型来描述发动机的寿命.
1　数据压缩处理
发动机使用载荷谱由与发动机载荷相关的各种参数所构成,如高压涡轮叶片的载荷参数主要由转速和温度构成. 通过对发动机使用载荷的数据处理,可以得到整机和零部件的工作过程和状态,这是发动机结构强度、寿命、可靠性分析的载荷依据.
对使用寿命消耗有决定性影响的是发动机的转速和在各高温环境下的持续工作时间. 数据处理包括峰谷值检测、无效幅值去除和雨流计数.

2　叶片等效寿命消耗
3　叶片寿命可靠性分析
4　动态威布尔分布模型

5　结束语
本文根据短寿命发动机的特点, 通过对发动机的实测数据进行压缩处理, 计算高压涡轮叶片蠕变寿命和低循环疲劳寿命消耗. 采用不完全数据的中位秩法,通过威布尔分析计算程序对寿命的分布参数进行估计, 得到了发动机叶片故障概率密度函数,对寿命和可靠度进行计算,用动态威布尔分布模型来描述发动机可靠性的增长. 同时说明用威布尔分布进行寿命可靠性分析是方便可行的,能够实时地反映出发动机的研制情况,这给发动机在研制过程中的可靠性评估提供了理论依据.