发动机风扇盘转速谱编制方法

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32110

固体力学与飞行器总体设计

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发动机风扇盘转速谱编制方法

贾震¹, 李晨迪¹, 卫昆钰¹, 董宏达², 贺小帆¹()

^1.北京航空航天大学航空科学与工程学院强度与结构完整性全国重点实验室，北京 102206
^2.中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所，沈阳 110000

收稿日期:2025-04-11 修回日期:2025-07-01 接受日期:2025-08-18 出版日期:2025-08-19 发布日期:2025-08-18
通讯作者: 贺小帆 E-mail:xfhe@buaa.edu.cn
基金资助:
国家科技重大专项(J09-IV-0017-0085);国家自然科学基金(12472341);航空科学基金(20240037051001)

Speed spectrum development method for engine fan disk

Zhen JIA¹, Chendi LI¹, Kunyu WEI¹, Hongda DONG², Xiaofan HE¹()

^1.National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，School of Aeronautics and Astronautics，Beihang University，Beijing 102206，China
^2.China Aviation Industry Corporation Shenyang Aircraft Design and Research Institute，Shenyang 110000，China

Received:2025-04-11 Revised:2025-07-01 Accepted:2025-08-18 Online:2025-08-19 Published:2025-08-18
Contact: Xiaofan HE E-mail:xfhe@buaa.edu.cn
Supported by:
National Science and Technology Major Project of China(J09-IV-0017-0085);National Natural Science Foundation of China(12472341);Aeronautical Science Foundation of China(20240037051001)

摘要/Abstract

摘要：

风扇盘是航空发动机的重要断裂关键结构，为保障其服役安全性和可靠性，需要编制反映实际使用情况的载荷谱，用于疲劳寿命评定。基于某发动机2种任务类型的实际使用数据，进行了风扇盘单参数载荷统计分析，采用任务段分析法编制了中值转速谱；采用SWT（Smith-Watson-Topper）公式和线性累积损伤理论计算载荷谱损伤，采用DTW（Dynamic Time Warping）方法进行载荷谱相似性分析，结合TC17钛合金模拟试件成组试验，建立了基于载荷谱相似性的损伤分析方法；进行了机群风扇盘转速谱损伤计算，获得载荷谱损伤样本，拟合优度检验表明风扇盘转速谱损伤服从对数正态分布，中值转速谱损伤接近机群转速谱中值损伤，验证了编谱方法的合理性。为准确评估风扇盘安全寿命提供了重要支撑。

关键词: 发动机风扇盘, 转速谱, 载荷谱编制, 相对损伤, 概率分布

Abstract:

The fan disk is a critical fracture-prone component in aero-engines. To ensure its operational safety and reliability， it is essential to develop load spectra that accurately reflect operating conditions， which are crucial for fatigue life assessment. This study conducts statistical analysis of single-parameter loading on fan disks based on operational data from two mission types of a specific aero-engine， and develops a median speed spectrum through mission segment analysis methodology. The load spectrum damage was calculated using the SWT （Smith-Watson-Topper） equation and linear cumulative damage theory. Load spectrum similarity analysis was conducted with the DTW （Dynamic Time Warping） method. Based on group tests of TC17 titanium alloy simulated specimens， a damage analysis method based on load spectrum similarity was proposed. The damage of the fleet fan disk rotational speed spectrum was calculated to obtain a set of load spectrum damage samples. Goodness-of-fit tests indicate that the fan disk rotational speed spectrum damage follows a lognormal distribution. The damage corresponding to the median rotational speed spectrum closely approximates the median damage of the fleet rotational speed spectrum， validating the rationality of the spectrum development methodology. This provides critical support for accurately assessing the safe service life of fan disks.

Key words: engine fan disk, speed spectrum, load spectrum development, relative damage, probability distribution

中图分类号:

V231.9

贾震, 李晨迪, 卫昆钰, 董宏达, 贺小帆. 发动机风扇盘转速谱编制方法[J]. 航空学报, 2026, 47(2): 232110.

Zhen JIA, Chendi LI, Kunyu WEI, Hongda DONG, Xiaofan HE. Speed spectrum development method for engine fan disk[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(2): 232110.

图/表 30

图 1

图 2

图 3

图 4

表1

持续时间分布参数估计和拟合优度检验结果

样本类型	$μ$		$σ$		p
任务剖面	8.119 0		0.288 6		0.267 5
中间段	7.690 7		0.384 1		0.953 7
结束段	5.840 9		0.163 8		0.510 8
起始段	$μ 1$	$σ 1$	$μ 2$	$σ 2$	W₀	W_c
起始段	6.477 8	0.276 1	7.621 4	0.156 7	0.055 6	0.599 8

表1

图 5

表2

表3

2类任务中间段循环次数

任务类型	$n 总$ /次	$T 总$ /s	$T 单次飞行$ /s	$n 单次飞行$ /次
任务1	1 543	129 680	2 261	27
任务2	1 398	145 019	2 267	22

表3

图 6

图 7

表4

载荷分布参数估计和拟合优度检验结果

样本类型		$μ$		$σ$	p
起始段首个峰值		224.932 1		38.278 3	0.864 2
起始段剩余峰值		163.945 2		41.791 1	0.313 5
结束段		335.126 7		51.107 5	0.936 2
中间段幅值	$μ 1$	$σ 1$	$μ 2$	$σ 2$	W₀	W_c
中间段幅值	5.558 4	0.077 2	5.935 0	0.079 4	0.017 6	0.527 3
中间段均值	$a 1$	$b 1$	$a 2$	$b 2$	W₀	W_c
中间段均值	2.931 0	55.142 1	3.687 7	140.443 8	0.056 3	0.472 1

表4

图 8

图9

表5

图 10

图 11

图 12

表6

图 13

图 14

图 15

表7

表8

各载荷谱成组疲劳最小试件数检验结果

载荷谱	有效试件数	v_i	v $i'$	v_i<v $i'$
中值谱	8	0.017 4	0.059 8	是
谱1	7	0.022 8	0.054 1	是
谱2	7	0.016 0	0.054 1	是
谱3	6	0.017 2	0.047 6	是
谱4	6	0.023 0	0.047 6	是
谱5	5	0.008 6	0.040 3	是

表8

表9

图 16

表10

表11

图 17

图 18

表12

机群相对损伤率分布参数估计和检验结果

任务

类型

分布参数估计

拟合优度检验

μ

σ

p

p > 0.05

任务1

0.171 5

0.455 5

0.633 1

是

任务2

0.000 7

0.511

0.437 4

是

表12

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

任务类型	任务剖面总时间/s	任务段	任务段时间占比/%	任务段时间/s
任务1	3 357.6	起飞段	22.07	741
		中间段	67.34	2 261
		降落段	10.59	356
任务2	3 402.7	起飞段	22.10	752
		中间段	66.63	2 267
		降落段	11.27	383

载荷级别	1	2	3	4	5	6
幅值/MPa	32.92	56.75	80.58	104.42	128.25	152.08
均值/MPa	279.58	298.87	319.48	341.48	365.04	390.22

载荷谱	有效试件数	各试件寿命 t/起落	中值寿命 t₅₀/起落	对数寿命标准差S
中值谱	8	3 174，3 939，4 882， 3 946，3 576，4 114， 4 286，3 245	3 860	0.062 6
谱1	7	2 206，1 800，1 915， 2 052，3 027，1 925， 1 946	2 095	0.075 7
谱2	7	3 431，4 387，3 728， 4 593，5 006，3 781， 3 958	4 095	0.057 7
谱3	6	3 309，2 475，2 512， 2 481，2 847，3 263	2 793	0.059 3
谱4	6	3 344，2 863，2 953， 2 603，1 961，2 521	2 672	0.078 9
谱5	5	2 531，2 440，2 268， 2 203，2 173	2 319	0.028 8

载荷谱编号	t₅₀/ 起落	相对损伤D	t_c/起落	误差 E/%	DTW距离
中值谱	3 860	1.071 5	3 822	0.98	77.650 9
谱1	2 095	1.962 0	2 087	0.38	81.495 8
谱2	4 095	1
谱3	2 793	1.301 1	3 147	12.67	118.942 6
谱4	2 672	1.357 0	3 018	12.95	119.519 0
谱5	2 319	2.132 9	1 920	17.21	136.272 8

序号	单次起落DTW值	相对损伤率d	序号	单次起落DTW值	相对损伤率d	序号	单次起落DTW值	相对损伤率d
1	115.513 0	1.731 1	20	121.298 7	1.049 5	39	119.525 9	0.807 4
2	129.874 1	3.132 9	21	126.203 3	2.375 8	40	124.792 4	1.728 6
3	116.832 6	1.646 2	22	114.903 0	1.322 9	41	119.376 5	0.730 8
4	108.926 9	1.078 8	23	132.190 0	1.283 5	42	123.697 8	1.131 3
5	117.589 2	1.143 7	24	119.780 0	0.904 6	43	109.323 5	0.522 3
6	139.565 4	0.793 5	25	112.644 3	0.857 2	44	120.418 4	1.015 9
7	135.366 6	3.210 9	26	109.735 0	0.903 8	45	122.708 6	0.542 9
8	121.245 9	0.718 3	27	118.341 4	1.688 8	46	117.830 4	0.658 0
9	128.187 4	2.213 4	28	130.360 3	2.046 0	47	113.843 3	0.642 8
10	125.481 1	1.672 1	29	118.635 5	2.035 2	48	109.397 2	0.686 5
11	126.862 1	1.360 2	30	127.753 2	2.433 1	49	119.812 5	1.531 3
12	125.193 0	2.229 2	31	112.411 8	1.509 5	50	123.778 4	1.833 2
13	116.843 6	1.789 1	32	122.431 1	1.071 7	51	106.010 7	0.915 3
14	124.267 0	1.165 9	33	113.068 2	0.762 0	52	105.949 8	0.697 2
15	113.260 3	0.845 3	34	124.377 8	1.250 7	53	119.024 0	0.911 8
16	119.385 2	1.056 8	35	122.187 3	0.554 2	54	113.714 6	0.794 1
17	124.651 1	1.158 8	36	115.599 6	0.909 7	55	107.939 0	0.826 4
18	117.439 6	1.221 5	37	135.782 9	2.500 0
19	113.834 7	1.338 2	38	126.080 4	1.532 4

发动机风扇盘转速谱编制方法

Speed spectrum development method for engine fan disk

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序号	单次起落DTW值	相对损伤率d	序号	单次起落DTW值	相对损伤率d	序号	单次起落DTW值	相对损伤率d
1	125.362 0	1.757 2	22	118.272 3	1.947 6	43	122.077 6	0.679 7
2	117.965 6	2.016 0	23	126.989 3	0.833 9	44	120.048 4	1.497 4
3	106.348 5	0.933 3	24	116.027 5	1.764 6	45	116.309 1	0.569 1
4	105.073 7	2.179 4	25	121.295 6	1.899 3	46	121.614 4	0.655 3
5	110.415 7	1.282 4	26	115.799 3	1.394 9	47	114.169 6	0.578 4
6	132.121 6	2.017 3	27	126.342 8	1.220 6	48	116.886 3	1.574 2
7	144.270 4	0.631 1	28	120.953 1	1.002 5	49	117.299 7	0.563 2
8	119.624 1	1.559 3	29	107.721 5	1.201 8	50	115.539 9	0.937 5
9	129.396 2	0.865 3	30	112.109 7	1.282 7	51	118.852 0	0.623 2
10	109.444 2	1.302 0	31	120.653 8	0.592 1	52	127.062 5	0.568 1
11	129.369 6	1.370 7	32	114.883 8	0.637 6	53	129.286 7	1.664 5
12	114.768 5	1.148 7	33	115.498 0	1.343 7	54	131.830 8	2.403 4
13	112.509 3	1.396 9	34	119.311 8	1.420 0	55	114.039 3	0.498 2
14	119.566 1	0.885 0	35	120.280 7	1.249 0	56	116.796 2	0.775 4
15	107.527 4	1.432 0	36	114.063 0	0.905 4	57	111.850 1	0.686 8
16	124.354 0	0.537 5	37	118.128 9	1.803 0	58	116.912 0	0.439 8
17	124.276 4	1.757 2	38	125.307 5	1.565 5	59	114.445 3	0.730 7
18	120.801 9	2.016 0	39	120.985 2	0.415 7	60	106.023 6	0.541 6
19	110.818 2	0.933 3	40	117.432 5	1.606 6	61	106.338 9	0.658 5
20	118.609 2	2.179 4	41	105.013 9	0.841 8	62	112.377 6	0.699 9
21	125.316 6	1.282 4	42	118.452 2	0.913 9

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