CN103470314B - 用于在操作之前确定涡轮机部件的蠕变性能的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于在操作之前确定涡轮机部件的蠕变性能的方法和系统。多个涡轮机部件由具有已知蠕变特性的材料制成。多个涡轮机部件中每一者受到拉伸应力、离心应力和热应力中至少一者，直到获得可测量的蠕变量。如此测试的涡轮机部件与用于部件的材料的已知蠕变特性进行对比。表现出比预定蠕变量更大的蠕变量的部件将被从多个涡轮机部件中分开并不投入使用。

Description

用于在操作之前确定涡轮机部件的蠕变性能的方法和系统

技术领域

本发明一般地涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及用在涡轮发动机内的叶片。

背景技术

用于燃气涡轮发动机的叶片在使用期间受到由通过发动机转子的旋转而施加在叶片上的离心力引起的大量应力。此外，燃气涡轮发动机叶片还受到广泛存在的热循环。结果，这些叶片会至少沿着叶片的纵长维度并且也可能沿其他维度经受蠕变，这会导致叶片尺寸无法接受的变化和/或过早失效。其他发动机部件也由于施加的力和热循环而经受蠕变。现有发动机设计构造成适应其部件中的规定量的蠕变。面临的挑战是确定何时应当使任意特定部件被移除而停止使用。

尽管目前认为不可能完全消除蠕变，但是期望开发出能使得特定涡轮机叶片设计的蠕变性能（产生蠕变时的速率和条件）被确定的涡轮机叶片的制造和测试方法。

发明内容

在一方面，提供一种用于确定涡轮机部件的蠕变性能的方法。该方法包括提供由具有已知蠕变特性的材料制成的多个涡轮机部件。该方法还包括使得多个涡轮机部件中每一者受到离心应力、拉伸应力和热应力中至少一者直到在涡轮机部件中引起可测量的蠕变量。该方法还包括测量在多个涡轮机部件中每一者中引起的蠕变量。该方法还包括确定多个涡轮机部件中每一者的累积速率。该方法还包括将测量的在多个涡轮机部件中每一者中引起的蠕变量和多个涡轮机部件中每一者的累积速率当中的一者与预定容许值进行对比。该方法还包括识别出测量的引起蠕变量超过预定容许值的涡轮机部件。该方法还包括从多个涡轮机部件中分离出所识别的测量的引起蠕变量超过预定容许值的那些涡轮机部件。

优选的，所述方法包括如下步骤：将所述多个涡轮机部件中没有被识别为测量的引起蠕变量超过所述预定容许值的剩余涡轮机部件投入使用。

优选的，所述涡轮机部件是涡轮机叶片。

优选的，使得所述多个涡轮机部件中每一者受到离心应力、拉伸应力和热应力中至少一者直到在所述涡轮机部件中引起可测量的蠕变量的步骤包括下列步骤中的一者：将所述涡轮机部件放置在旋转试验台中并使得所述涡轮机部件受到离心应力，和将所述涡轮机部件放置在直接拉伸加载试验台中并使得所述涡轮机部件受到拉伸应力。

优选的，使得所述多个涡轮机部件中每一者受到离心应力、拉伸应力和热应力中至少一者直到在所述涡轮机部件中引起可测量的蠕变量的步骤包括如下步骤：使所述涡轮机部件受到热循环。

优选的，使得所述多个涡轮机部件中每一者受到离心应力、拉伸应力和热应力中至少一者直到在所述涡轮机部件中引起可测量的蠕变量的步骤包括如下步骤：使用辐射加热、感应加热、传导加热、对流加热中的一者来加热所述涡轮机部件。

优选的，使所述涡轮机部件受到热循环的步骤包括如下步骤：使用辐射加热、感应加热、传导加热、对流加热中的一者来加热所述涡轮机部件。

优选的，所述方法还包括如下步骤：在所述涡轮机部件的相对端上设置安装结构，以促进将所述涡轮机部件放置在拉伸试验台上。

优选的，所述方法还包括如下步骤：提供试验台以使得所述涡轮机部件受到应力；提供夹紧结构，所述夹紧结构构造成与所述试验台配合并可释放地将所述涡轮机部件保持在所述试验台内。

优选的，所述方法还包括如下步骤：对于投入使用的所述涡轮机部件建立预期平均使用寿命；确定所述涡轮机部件是否满足先前建立的预期平均使用寿命；并且如果所述涡轮机部件被确定为不满足先前建立的预期平均使用寿命，则降低所述预定容许值，以增加取消使用资格的涡轮机部件的数量。

在另一方面，提供一种用于确定涡轮机部件的蠕变性能的系统。该系统包括多个涡轮机部件。该系统还包括试验台，其构造成接收多个涡轮机部件；和测量装置。该系统构造成接收由具有已知蠕变特性的材料制成的多个涡轮机部件。该系统还构造成使得多个涡轮机部件中每一者受到离心应力、拉伸应力和热应力中至少一者直到在涡轮机部件中引起可测量的蠕变量。该系统还构造成测量在多个涡轮机部件中每一者中引起的蠕变量。该系统还构造成确定多个涡轮机部件中每一者的累积速率。该系统还构造成将测量的在多个涡轮机部件中每一者中引起的蠕变量和多个涡轮机部件中每一者的累积速率当中的一者与预定容许值进行对比。该系统还构造成识别出测量的引起蠕变量超过预定容许值的涡轮机部件。该系统还构造成从多个涡轮机部件中分离出所识别的测量的引起蠕变量超过预定容许值的那些涡轮机部件。

优选的，所述系统还构造成：将所述多个涡轮机部件中没有被识别为测量的引起蠕变量超过所述预定容许值的剩余涡轮机部件投入使用。

优选的，所述涡轮机部件是涡轮机叶片。

优选的，所述系统还包括下列各项中的一者：旋转试验台，构造使得所述涡轮机部件受到离心应力，和直接拉伸加载试验台，构造成使得所述涡轮机部件受到拉伸应力。

优选的，所述系统还包括：加热装置，构造成使所述涡轮机部件受到热循环，所述加热装置与构造使得所述涡轮机部件受到离心应力的旋转试验台和构造成使得所述涡轮机部件受到拉伸应力的直接拉伸加载试验台中的一者相关联。

优选的，所述系统还包括：加热装置，构造成使用辐射加热、感应加热、传导加热、对流加热中的一者来加热所述涡轮机部件。

优选的，所述加热装置构造成使用辐射加热、感应加热、传导加热、对流加热中的一者来加热所述涡轮机部件。

优选的，所述系统还包括：安装结构，设置在所述涡轮机部件的相对端上，以促进将所述涡轮机部件放置在拉伸试验台上。

优选的，所述系统还包括：夹紧结构，构造成与所述试验台配合并可释放地将涡轮机部件保持在所述试验台内。

优选的，所述系统还构造成：对于投入使用的所述涡轮机部件建立预期平均使用寿命；确定所述涡轮机部件是否满足先前建立的预期平均使用寿命；并且如果所述涡轮机部件被确定为不满足先前建立的预期平均使用寿命，则降低所述预定容许值，以增加取消使用资格的涡轮机部件的数量。

附图说明

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。

图2是示例性燃气涡轮发动机叶片的简化端视图。

图3是用于测试燃气涡轮机叶片的示例性热旋转试验台的侧视图。

图4是可替换的叶片试验布置的俯视图的示意图。

图5是图4的可替换的叶片试验布置的侧视图。

图6是示出用于确定涡轮机部件中的蠕变性能的示例性方法的流程图。

图7是具有与试验布置一起使用的夹紧结构的示例性部件的简化示意图。

具体实施方式

如本说明书所使用的，术语“轴向”和“轴向地”表示大致与燃气涡轮发动机的纵轴平行地延伸的方向和取向。此外，术语“径向”和“径向地”表示大致与燃气涡轮发动机的纵轴垂直地延伸的方向和取向。

图1是示例性燃气涡轮发动机100的示意图。发动机100包括压缩机组件102和燃烧器组件104。发动机100还包括涡轮机108和共用压缩机/涡轮机轴110（有时称作转子110）。

在操作中，空气流过压缩机组件102，以使得压缩空气被供应至燃烧器组件104。燃料被引导至被限定在燃烧器组件104内的燃烧区域和/或燃烧区（未示出），其中燃料与空气混合并被点燃。产生的燃烧气体被引导至涡轮机108，其中气流热能被转化成机械旋转能。涡轮机108可旋转地联接到轴110。还应当理解，如本说明书中使用的术语“流体”包括流动的任意介质或材料，包括但不限于气体和空气。

图2是典型燃气涡轮机叶片120的简化轴向示图。叶片120包括翼型部分122、根部124、柄部126和用于将叶片120连接到涡轮机转子（未示出）的燕尾部128。尽管燕尾部128显示为具有轴向进入式燕尾构造，但是应当理解本发明可等效地应用于具有切线进入式燕尾构造的叶片或者用于连接到发动机转子的其他机构。

图3是涡轮机叶片热试验旋转台130的一部分的示意图。在示例性实施例中，涡轮机叶片120被放置在旋转试验台130中，以在受控的温度条件下进行旋转应力测试。旋转台130包括盘状件132，盘状件132包括多个固定或可移除的伪叶片（dummyblades）134以供平衡。将开出多个槽，叶片120被插入在槽中并且在受到旋转测试之后被移除。热试验旋转台130还包括顶板136和底板138，作为在一个伪叶片134或测试叶片120失效情况下的防护件。盘状件132由驱动轴140驱动。一个或多个加热元件142被定位成围绕伪叶片134和叶片120的尖端。

可以通过任意适合手段（例如，辐射、感应或传导加热）或者通过总体加热整个测试室（例如通过对流加热）来实现叶片120的加热。

图6是示出用于确定涡轮机部件中的蠕变性能的示例性方法200的流程图。在示例性实施例中，多个叶片120被制造202成充分完成的状态，以能在试验台130中安装和测试。可替换地，每个叶片可以使用如本说明书中参照图7所述的夹紧结构302、304而被安装到试验台130。每个叶片120在测试之前具有已知尺寸。每个叶片120具有燕尾部128或使得叶片120能够被固定到台130的其他永久或非永久特征。叶片120被安装204在台130中。一旦叶片120被安装在台130中，离心力和热负荷以持续足够的时间被施加206到叶片120，直到叶片120沿着一个或多个方向（例如，相对于每个叶片120的（图2中所示的）纵轴L）获得可测量的蠕变或延伸率。

使用任意适合的测量设备127实现获得的蠕变的测量208，测量设备127包括例如适当地放置的连接到适当构造的仪器129的应变计123。根据需要，测量设备127可以构造成在测试运行期间实时地测量获得的蠕变，或者可以在测试期间和/或测试之后周期性地被连接。在另一示例性实施例中，通过从试验台130移除叶片120，并且例如通过利用接触探头的坐标测量机来物理测量受测试叶片并将测试后的测量结果与已知测试前的测量结果进行比较来使叶片120受到测试，从而完成测量208获得的蠕变。然后，使用已知的用于计算蠕变的方法，基于获得的蠕变量和旋转次数、旋转试验台的旋转速度、使用的温度、热循环次数等，计算估计的未来蠕变速率或性能（也成为“累积速率”）。

然后，使测量的获得蠕变和/或相应的计算的累积速率与用于制造叶片的材料的已知蠕变速率相互关联。对于每个叶片，或者其他部件类型和材料，将建立用于测试后测量的蠕变和计算的累积速率的容许值。蠕变容许值将是在测试期间允许叶片获得的最大蠕变值，以使得该叶片得以投入使用。累积速率容许值将是基于在测试期间获得的蠕变量计算的相应累积速率，叶片120允许具有该累积速率容许值并且仍然得以投入使用。蠕变容许值和累积速率容许值对应于涡轮机叶片或其他涡轮机部件的预定期望使用寿命（和在该使用寿命内允许的最大蠕变量）。相应地，当部件经受与预先限定的使用寿命和允许的最大蠕变量相对应的使用条件时，该部件被停止使用。

测试之后测量的蠕变量越大，则累计速率越大，部件较早而不是较晚失效的可能性越大。这种“快速蠕变”叶片将更接近于失效，或者接近于被认为不能投入使用的预先限定蠕变量。

相应地，在台130中经历测试的每个叶片120将具有可测量的蠕变量。知道用于制造每个叶片120的材料的蠕变速率，计算208每个叶片中可得到的估计的剩余蠕变量。测量的获得蠕变量和相应的计算累计速率超过前述蠕变和累计速率容许值的那些叶片120将被与制造批次分离。剩余叶片120组装210成将投入使用的群体。来自该群体的每个叶片120然后在使用预定小时数之后退出使用，以使得每个叶片120在其可以达到或超过其安全有效使用寿命之前退出。分离的叶片120或其他部件可以作为“缩短使用寿命”部件被售出或以其他方式分销、销毁或其以其他方式适当地处置。

无论叶片120被放置在完全使用寿命部件的群体还是缩短寿命部件，每个叶片将预先估计的预期使用寿命。这种叶片可以投入使用持续一段时间，并且利用任意适合的误差幅度在其各自预期使用寿命终结时或之前被移除。

在可替换的示例性实施例中，以与前文参照图3的旋转试验台130实施例所述类似的方式，通过应用直接拉伸和/或热应力来测试叶片120。图4是可替换试验台146的示意图，图5是同一可替换试验台146的侧视图。在可替换的实施例中，叶片120在其尖端处具有第二燕尾装配件144（图2中以虚线示出）。具有第二相对燕尾装配件144，使得叶片120能够被装配到固定拉伸试验台148的相对安装支架146。设置加热元件150，以使得叶片120能够根据需要经受热循环。一旦安装在台148中，叶片120将受到拉伸和热应力加载，直到在每个叶片120中引起虽小但可测量的蠕变量为止。

如上文参照图3的示例性实施例所述，已经在拉伸试验台148中受到测试的叶片120然后被进行测量，并且根据每个叶片中引起的蠕变的测得量对应于可接受还是不可接受的蠕变性能而被分开。如上所述，发现具有不可接受的蠕变性能的那些叶片120被分离并不投入使用。

在另一示例性实施例中，涡轮机部件可以不结合有永久安装结构（例如燕尾部），或者可以不具有使临时安装结构被制造在涡轮机部件中的容积，而促进将涡轮机部件安装在试验台中。通过采用可松开地固定到待测试部分上的适合位置的适当构造的夹紧结构，根据本说明书所述的方法和系统来测试这种部件。图7是具有与测试布置一起使用的夹紧结构302、304的示例性部件300的简化示意图。夹紧结构302、304转而可以永久地或可移除地固定到旋转或拉伸试验设备（图7中未示出）。

尽管以测试涡轮机叶片来确定其蠕变性能为背景来描述图3和图4的实施例，但是其他涡轮机部件可以类似地针对蠕变性能进行测试，例如燃烧部件、固定热气体路径硬件和其他限制蠕变的硬件等。

本说明书描述的发明比起涡轮机部件的制造和投入使用的已知方法具有多项优点。例如，一个优点是，叶片或其他部件在具有更精确和详细了解的部件预期有效使用寿命的情况下被投入使用。一旦每个制成叶片的蠕变性能被确定，如上所述，被确定为具有加速蠕变性能的那些叶片将从已经受到测试的一批叶片中被挑选出，并不投入使用。使用这种方法可以潜在地消除或减少对其他类型的蠕变管理的需求，例如，在使用中例如通过使用坐标测量机（CMM）周期性测量叶片，或者例如通过热处理来改变叶片材料的微观结构周期性处理叶片。

上文详细描述了确定涡轮机部件的蠕变性能的方法和系统的示例性实施例。系统和方法不限于本说明书描述的具体实施例，相反，系统的部件和/或方法的步骤可以与本说明书描述的其他部件和/或步骤独立地并分离地使用。例如，方法还可以与其他涡轮机部件生产和质量控制系统和方法结合使用，并且不限于仅实施为本说明书描述的涡轮机叶片。相反，可以结合很多其他涡轮机应用来实施和利用示例性实施例。

尽管本发明的各种实施例的特定特征在某些附图中示出而未在其他附图示出，这只是为了简便。根据本发明的原理，附图的任意特征可以与任意其他附图的任意特征相结合而被引用和/或要求权利。

本书面说明书使用示例来公开本发明（包括最佳模式），还使得任意本领域技术人员可实施本发明（包括制造和使用任意装置或系统和执行任意结合的方法）。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件、或者如果这样的其他示例包括与权利要求书的文字语言具有非实质性区别的等同结构元件，则这样的其他示例意欲落入权利要求书的范围内。

尽管根据各种特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到本发明可以在权利要求书的精神和范围内加以修改来实施。

Claims (9)

1.一种用于确定涡轮机部件的蠕变性能的方法，所述方法包括如下步骤：

提供由具有已知蠕变特性的材料制成的多个涡轮机部件，并将所述多个涡轮机部件放置在旋转试验台中；

使得所述多个涡轮机部件中每一者在旋转试验台中受到离心应力和热应力中至少一者直到在所述涡轮机部件中引起可测量的蠕变量；

测量在所述多个涡轮机部件中每一者中引起的蠕变量；

确定所述多个涡轮机部件中每一者的累积速率；

将测量的在所述多个涡轮机部件中每一者中引起的蠕变量和所述多个涡轮机部件中每一者的累积速率当中的一者与预定容许值进行对比；

识别出累积速率或测量的引起蠕变量超过所述预定容许值的涡轮机部件；并且

从所述多个涡轮机部件中分离出所识别的累积速率或测量的引起蠕变量超过所述预定容许值的那些涡轮机部件。

2.根据权利要求1所述的用于确定涡轮机部件的蠕变性能的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将所述多个涡轮机部件中没有被识别为累积速率或测量的引起蠕变量超过所述预定容许值的剩余涡轮机部件投入使用。

3.根据权利要求1所述的用于确定涡轮机部件的蠕变性能的方法，其特征在于，所述涡轮机部件是涡轮机叶片。

4.根据权利要求1所述的用于确定涡轮机部件的蠕变性能的方法，其特征在于，使得所述多个涡轮机部件中每一者受到离心应力和热应力中至少一者直到在所述涡轮机部件中引起可测量的蠕变量的步骤包括如下步骤：

使所述涡轮机部件受到热循环。

5.根据权利要求1所述的用于确定涡轮机部件的蠕变性能的方法，其特征在于，使得所述多个涡轮机部件中每一者受到离心应力和热应力中至少一者直到在所述涡轮机部件中引起可测量的蠕变量的步骤包括如下步骤：

使用辐射加热、感应加热、传导加热、对流加热中的一者来加热所述涡轮机部件。

6.根据权利要求4所述的用于确定涡轮机部件的蠕变性能的方法，其特征在于，使所述涡轮机部件受到热循环的步骤包括如下步骤：

使用辐射加热、感应加热、传导加热、对流加热中的一者来加热所述涡轮机部件。

7.根据权利要求1所述的用于确定涡轮机部件的蠕变性能的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

在所述涡轮机部件的相对端上设置安装结构，以促进将从所述旋转试验台移除的所述涡轮机部件放置在拉伸试验台上。

8.根据权利要求1所述的用于确定涡轮机部件的蠕变性能的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

提供试验台以使得所述涡轮机部件受到应力；

提供夹紧结构，所述夹紧结构构造成与所述试验台配合并可释放地将所述涡轮机部件保持在所述试验台内。

9.根据权利要求2所述的用于确定涡轮机部件的蠕变性能的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

对于投入使用的所述涡轮机部件建立预期平均使用寿命；

确定所述涡轮机部件是否满足先前建立的预期平均使用寿命；并且

如果所述涡轮机部件被确定为不满足先前建立的预期平均使用寿命，则降低所述预定容许值，以增加取消使用资格的涡轮机部件的数量。