High-order high-cycle fatigue design of centrifugal impeller under unsteady flow field excitation

FENG Yajuan; LI Jian; WANG Yuehua; XIN Jianqiang; SHUAI Shijin

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.010

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High-order high-cycle fatigue design of centrifugal impeller under unsteady flow field excitation

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2026-05-19

- High-order high-cycle fatigue design of centrifugal impeller under unsteady flow field excitation
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 5, Pages: 83-89(2026)
- 作者机构：
  
  1.中国航发湖南动力机械研究所，株洲 412002
  2.清华大学航空发动机研究院，北京 100083
- 作者简介：
  
  FENG Yajuan, E-mail: fengyajuan0122@126.com
- 基金信息：
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.010
  CLC： V232.4
- Received：13 October 2025，
  
  Published：15 May 2026
- 稿件说明：
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冯娅娟，李坚，王月华，等. 非定常流场激励下的离心叶轮高阶高周疲劳设计［J］. 机械强度，2026，48（5）：83-89.

FENG Yajuan，LI Jian，WANG Yuehua，et al. High-order high-cycle fatigue design of centrifugal impeller under unsteady flow field ex［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（5）：83-89.
冯娅娟，李坚，王月华，等. 非定常流场激励下的离心叶轮高阶高周疲劳设计［J］. 机械强度，2026，48（5）：83-89. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.010.

FENG Yajuan，LI Jian，WANG Yuehua，et al. High-order high-cycle fatigue design of centrifugal impeller under unsteady flow field ex［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（5）：83-89. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.010.

摘要

目的

针对某离心叶轮叶片尾缘断裂掉块故障，分析其产生机制并提出针对性的改进措施，以提升叶轮的高周疲劳储备。

方法

首先，基于非定常流场分析，阐明了气流激励与叶片共振的映射关系，确定径向扩压器为主要激振源；其次，结合激振频率范围内的模态分析，识别了包含高阶模态在内的危险模态，并通过动应力测量试验进行了确认；最后，采取降低叶片出口高度、优化叶型及调整扩压器叶片角等措施降低了振动应力。

结果

动应力测量与整机持久试车结果表明，改进后的离心叶轮高周疲劳储备满足使用要求，实测峰值应力由120 MPa降至70 MPa。所提危险模态识别与振动控制方法对航空发动机叶片设计具有重要的工程应用价值。

Abstract

Objective

The study aims to analyze the causes of blade trailing edge fracture in a centrifugal impeller and propose effective improvement measures to enhance its high-cycle fatigue (HCF) life.

Methods

Firstly

unsteady flow field analysis was employed to identify the radial diffuser as the primary excitation source based on the relation between flow excitation and blade resonance. Secondly

dangerous high-order modes within the excitation frequency range were determined through modal analysis and subsequently confirmed by dynamic stress measurement tests. Finally

improvement measures

including reducing blade outlet height

optimizing blade profiles

and adjusting diffuser blade angles

were implemented to mitigate vibration stress.

Results

The results of dynamic stress measurements and long-term engine tests show that the HCF reserve of the improved impeller meets the service requirements. The peak vibration stress was reduced from 120 MPa to 70 MPa. The proposed method provides a valuable reference for the vibration design of aero-engine impellers.

关键词

Keywords

references

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