CN105658911A - 单晶涡轮叶片寿命确定过程和系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于燃气涡轮发动机的单晶涡轮叶片的寿命确定的系统和方法。该系统和方法通过在单晶涡轮叶片的主要滑移系中的每一个上分解剪切应力来确定由疲劳和蠕变所引起的单晶涡轮叶片的各向异性应变。该系统和方法使用延性耗竭方法来组合各向异性疲劳和蠕变应变，以确定单晶涡轮叶片的操作寿命。

Description

单晶涡轮叶片寿命确定过程和系统

技术领域

本公开内容总体上涉及燃气涡轮发动机，并且更特别地涉及用于燃气涡轮发动机的单晶涡轮叶片的寿命确定过程和系统。

背景技术

燃气涡轮发动机包括入口、压缩机段、燃烧器段、涡轮段和排气装置。涡轮段的极端操作条件导致包括涡轮叶片的涡轮部件出现蠕变和疲劳损伤。用于确定涡轮部件的寿命的过程和系统用来预测涡轮部件何时可能会出故障，以便可以在出故障之前更换涡轮部件。

Y.Kadioglu的第7,162,373号美国专利涉及一种用于预测涡轮部件的剩余使用寿命的方法，其包括：获取关于涡轮部件中的当前裂纹缺陷的裂纹缺陷数据；使用具有关于涡轮部件的结构和操作条件的数据的裂纹缺陷数据，以确定施加到涡轮部件的力负荷并产生裂纹扩展数据；将概率分析应用于裂纹缺陷数据和所产生的裂纹扩展数据，以通过在连续的时间段内反复确定力荷载来预测部件的故障时间。

本公开内容旨在克服由发明人发现的或本领域中已知的一个或多个问题。

发明内容

公开了一种用于燃气涡轮发动机的单晶涡轮叶片的寿命确定系统。该寿命确定系统包括各向异性模块、疲劳模块、蠕变模块和延性耗竭模块。各向异性模块配置为通过确定单晶涡轮叶片的主要的八面体和立方体滑移系上分解的剪切应力将以各向同性方式确定的应力转换成各向异性的非弹性应变矢量。

疲劳模块配置为以各向同性方式确定斜变期的塑性响应应力、向各向异性模块提供塑性响应应力、接收来自各向异性模块的各向异性塑性响应非弹性应变矢量以及由各向异性塑性响应非弹性应变矢量确定塑性响应应变速率。

蠕变模块配置为以各向同性的方式确定停留期的粘塑性响应应力、向各向异性模块提供粘塑性响应应力、接收来自各向异性模块的各向异性粘塑性响应非弹性应变矢量以及由各向异性粘塑性响应非弹性应变矢量确定粘塑性响应应变速率。

延性耗竭模块配置为通过以塑性响应应变速率、粘塑性响应应变速率和延性耗竭曲线确定负荷周期的累积非弹性应变并将累积非弹性应变与可用应变进行比较来确定单晶涡轮叶片的耗竭延性。

还公开了一种用于确定在燃气涡轮发动机的负荷周期期间在单晶涡轮叶片上累积的损伤的方法。负荷周期包括斜变期和停留期。该方法包括确定斜变期各向异性应力，其包括将以各向同性的方式确定的斜变期应力分解为在涡轮叶片的主要滑移系上的斜变期剪切应力。该方法还包括使用材料的应力-应变曲线由斜变期各向异性应力确定斜变期各向异性应变并由斜变期各向异性应变确定斜变期应变速率。该方法还包括通过使用材料的延性耗竭曲线由斜变期应变速率确定斜变期损伤。

该方法还包括确定停留期各向异性应力，其包括将以各向同性的方式确定的停留期应力分解为在涡轮叶片的主滑移系上的停留期剪切应力。该方法还包括使用材料的应力-应变曲线由停留期各向异性应力确定停留期各向异性应变并由停留期各向异性应变确定停留期应变速率。该方法甚至进一步包括通过使用材料的延性耗竭曲线由停留期应变速率确定停留期损伤。该方法最后包括组合负荷周期的斜变期损伤和停留期损伤。

附图说明

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。

图2是用于图1的燃气涡轮发动机的示例性单晶涡轮叶片的透视图。

图3是延性耗竭曲线的示例性图表。

图4是应力-应变曲线的示例性图表。

图5是用于诸如图2的涡轮叶片的单晶涡轮叶片的寿命确定系统的功能框图。

图6是用于确定由一个燃气涡轮发动机负荷周期引起的在诸如图2的涡轮叶片的单晶涡轮叶片上累积的损伤的过程的流程图。

图7是用于确定诸如图2的涡轮叶片的单晶涡轮叶片的使用寿命的过程的流程图。

具体实施方式

本文公开的系统和方法包括燃气涡轮发动机和用于燃气涡轮发动机的单晶涡轮叶片的寿命确定的系统。该系统和方法使用延性耗竭方式来组合蠕变和疲劳的损伤效应。延性耗竭是基于负荷周期的瞬时部分期间的塑性响应和负荷周期的停留部分期间的粘塑性响应这两者的应变速率，其中，塑性响应定义为周期性或疲劳部件，粘塑性响应定义为蠕变部件。该系统和方法使用以各向同性方式确定的疲劳和蠕变应力并且通过将以各向同性方式确定的应力分解成主滑移面上的剪切应力而将它们转换成各向异性应力和应变。然后使用剪切应力来确定单晶涡轮叶片的各向异性疲劳和蠕变应变及应变速率。单晶涡轮叶片的应变速率用于由单晶材料的延性耗竭曲线确定可用延性。然后将在各应变速率下的可用延性与在负荷周期的特定非弹性部分期间累积的应变的量进行比较。认为损伤是在相对于可用应变的给定应变速率下的累积应变的比率。

图1是示例性燃气涡轮发动机100的示意图。为了清楚起见和便于说明，已省略或放大一些表面(在此处和其它附图中)。此外，本公开内容可参照向前方向和向后方向。一般说来，除非另有说明，所有对“向前”和“向后”的引用都与初级空气(即，在燃烧过程中使用的空气)的流动方向相关联。例如，向前是相对于初级空气流的“上游”，而向后是相对于初级空气流的“下游”。

此外，本公开内容通常可以参照燃气涡轮发动机的旋转的中心轴线95，其一般可由其轴120(由多个轴承组件150支撑)的纵向轴线限定。中心轴线95可以与各个其它发动机同心部件共用或共享。除非另有说明，所有对径向、轴向和圆周方向和测量的引用都涉及中心轴线9，而诸如“内”和“外”这样的术语一般表示距离可以在任何方向垂直并从中心轴线95向外辐射的径向件96的更小或更大的径向距离。

燃气涡轮发动机100包括入口110、轴120、压缩机200、燃烧器300、涡轮400、排气装置500和功率输出联轴器600。燃气涡轮发动机100可以具有单轴或多轴构造。

压缩机200包括压缩机转子组件210、压缩机固定叶片(定子)250和入口导向叶片255。压缩机转子组件210机械地耦合到轴120。如图所示，压缩机转子组件210是轴流式转子组件。压缩机转子组件210包括一个或多个压缩机盘组件220。每个压缩机盘组件220包括周向地装备有压缩机转子叶片的压缩机转子盘。定子250轴向地跟随各压缩机盘组件220。与跟随压缩机盘组件220的相邻定子250配对的各压缩机盘组件220被认为是压缩机级。压缩机200包括多个压缩机级。入口导向叶片255轴向地位于压缩机级之前。

燃烧器300包括一个或多个燃料喷射器310并包括一个或多个燃烧室390。燃料喷射器310可围绕中心轴线95呈环状布置。

涡轮400包括涡轮转子组件410和涡轮喷嘴450。涡轮转子组件410机械地耦合到轴120。如图所示，涡轮转子组件410是轴流式转子组件。涡轮转子组件410包括一个或多个涡轮盘组件420。各涡轮盘组件420包括周向地装备有单晶涡轮叶片430的涡轮盘。涡轮喷嘴450轴向地位于各涡轮盘组件420之前。与跟随涡轮盘组件420的相邻涡轮喷嘴450配对的各涡轮盘组件420被认为是涡轮级。涡轮400包括多个涡轮级。

排气装置500包括排气扩散器510和排气收集器520。

图2是用于图1的燃气涡轮发动机100的示例性单晶涡轮叶片430的透视图。单晶涡轮叶片430可以包括都由单晶形成或基本上由单晶形成的平台431、翼型件432和根部433。单晶可以包括各向异性面心立方体(FCC)材料。单位晶胞435说明了单晶涡轮叶片430的FCC结构。FCC材料包括多个滑移系，该滑移系包括八面体和立方体滑移系。翼型件432在第一方向上从平台431向外延伸。当单晶涡轮叶片430耦合到涡轮盘组件420中的涡轮盘时，翼型件432相对于中心轴线95从平台431向外径向延伸。根部433在第二方向上(在与翼型件432相对或与第一方向相对的方向上)从平台431向内延伸。

上述部件(或其子部件)中的一个或多个可以由不锈钢和/或称为“超合金”的耐用耐高温材料制成。超合金(或称为高性能合金)是表现出了高温下的优异的机械强度和抗蠕变性、良好的表面稳定性以及耐腐蚀性和抗氧化性的合金。超级合金可以包括如合金x、WASPALOY、RENE合金、合金188、合金230、INCOLOY、MP98T、TMS合金和CMSX单晶合金的材料，诸如CMSX-4。

寿命确定系统通过确定FCC单晶涡轮叶片430上的负荷周期导致的各向异性应力和应变来确定燃气涡轮发动机(GTE)100的一个或多个负荷周期的FCC单晶涡轮叶片430中的损伤累积，并将这些各向异性应力和应变应用于延性耗竭法。负荷周期包括斜变期、诸如启动、斜升或斜降期的瞬态期(其中，负荷和操作温度增加或减少)以及停留期，即稳态期(其中，负荷和操作温度和负荷保持相对恒定)。

试验数据可用于产生与寿命确定系统配合使用的延性耗竭曲线和应力应变曲线。延性耗竭曲线可以通过使用蠕变和拉伸试验数据来确定。该数据提供了疲劳点处的延性，其取决于所施加的应变的速率。从一系列拉伸和蠕变试验能够产生用于特定材料的延性耗竭曲线。

图3是延性耗竭曲线812的示例性图表810。该延性耗竭曲线812是延性应变(为百分比)811与材料的应变速率(根据时间变化的应变变化)813的图示。延性耗竭曲线812可包括针对给定量以下的应变速率的延性应变为恒定的下部延性搁架814、针对给定量以上的应变速率的延性应变也为恒定的上部延性搁架816以及在下部延性搁架814与上部延性搁架816之间的应变速率下的过渡区域818。

数千小时的试验数据(其中包括蠕变试验数据和拉伸试验数据)用来确定用于单晶涡轮叶片430的材料(例如CMSX单晶合金)表现出了这种延性性能，包括下部延性搁架814、上部延性搁架816以及过渡区域818。蠕变试验表示较低应变速率下的数据，从而形成过渡区域818和下部延性搁架814，而拉伸试验表示较高应变速率下的数据，或者是如图3中所示的上部延性搁架816处的数据。然后，应变速率能用于通过确定负荷周期的所产生的应变应力曲线的非弹性部分的平均应变速率来预测整个负荷周期的损伤，其中包括停留期。通过在负荷周期的非弹性部分期间的累积应变(通常使用数值模型预测)与针对负荷周期的该非弹性部分的平均应变速率下的可用延性的比值来确定损伤。

图4是应力-应变曲线822的示例性图表820。该应力-应变曲线822也可通过试验数据来确定。所说明的应力应变曲线822展示了应力(σ)821、应变(ε)822和杨氏模量(E)824之间的关系。

用于给定材料的滑移系数据可包括在滑移系的剪切应力分量与分解剪切应力之间的关系以及滑移系的分解剪切应力和每个滑移系上的分解剪切应变之间的关系。

图5是用于诸如图2的单晶涡轮叶片430的单晶涡轮叶片的寿命确定系统700的功能框图。寿命确定系统700可在计算机710或者服务器上实施，该计算机或服务器包括用于执行计算机软件指令的处理器和能够用于存储可由处理器执行的可执行软件程序的存储器。该存储器包括非暂时性计算机可读介质，其用于存储可由处理器执行的程序指令。寿命确定系统700包括疲劳模块730、蠕变模块740、各向异性模块745以及延性耗竭模块750。

疲劳模块730确定由于GTE100的负荷周期导致的单晶涡轮叶片430的塑性响应应变速率。单晶涡轮叶片430的塑性响应可由负荷周期的斜变期引起。首先，疲劳模块730以各向同性方式确定塑性响应应力，或者确定对于各向同性材料而言将会是何种塑性响应应力。鉴于伴随负荷周期的复杂性质的是单晶涡轮叶片430的复杂性，通常使用有限元分析方法来执行分析。有限元分析方法可使用斜变期期间的燃气涡轮发动机操作条件，其中包括燃气涡轮发动机100的温度和压力，以确定塑性响应应力。然后，疲劳模块730将所确定的塑性响应应力提供给各向异性模块745。各向异性模块745将塑性响应应力转化为如下所述的各向异性塑性响应非弹性应变矢量或者各向异性配方。各向异性模块745然后可将各向异性塑性响应非弹性应变矢量返回至疲劳模块730。

疲劳模块730可通过从总塑性响应应变中减去各向异性塑性响应非弹性应变矢量而使用各向异性塑性响应非弹性应变矢量来确定各向异性塑性响应弹性应变矢量。然后，各向异性塑性响应应力矢量可通过弹性刚度张量乘以各向异性塑性响应弹性应变来确定。由于一切都应处于平衡状态，因此，所有的负荷和反应都应总计为零。疲劳模块730可将这些关系用作解迭代的一部分来由各向异性塑性响应非弹性应变矢量确定各向异性塑性响应应力矢量。

然后，疲劳模块730可使用滞弹性塑性应力-应变曲线(例如图4的应力-应变曲线822)来从所确定的各向异性塑性响应应力矢量来确定所产生的各向异性塑性响应应变。所产生的塑性应变速率可通过将各向异性塑性应变(Δεp)变化除以负荷周期的斜变期(△tT)来确定。

蠕变模块740确定由于负荷周期导致的针对单晶涡轮叶片430的粘塑性响应应变速率。单晶涡轮叶片430的蠕变或粘塑性响应在负荷周期的停留期期间产生。首先，蠕变模型740以各向同性方式确定粘塑性响应应力，或者确定对于各向同性材料而言将会是何种粘塑性应力，并且确定稳态周期开始期间的温度。可以使用任何已知的各向同性模型。然后，蠕变模块740将所确定的粘塑性响应应力提供给各向异性模块745。各向异性模块745将粘塑性响应应力转换成如下所述的各向异性粘塑性响应应力或者各向异性配方。然后，各向异性模块745可将各向异性粘塑性响应非弹性应变矢量返回至蠕变模块740。

蠕变模块740可通过从总粘塑性响应应变中减去各向异性粘塑性响应非弹性应变矢量而使用各向异性粘塑性响应非弹性应变矢量来确定各向异性粘塑性响应弹性应变矢量。各向异性粘塑性响应应力矢量然后可通过弹性刚度张量乘以各向异性粘塑性响应弹性应变来确定。由于一切都应处于平衡状态，因此，所有的负荷和反应都应总计为零。蠕变模块740可将这些关系用作解迭代的一部分来由各向异性粘塑性响应非弹性应变矢量确定各向异性粘塑性响应应力矢量。

可以使用典型的基于应变速率的蠕变模型(诸如幂定律蠕变方程)来由停留期的所确定的各向异性粘塑性应力矢量和温度获得蠕变或各向异性粘塑性应变。蠕变应变速率方程的复杂性将取决于所需要的精度水平以及材料。然后，所得的蠕变或各向异性粘塑性应变(△ε_c)可以除以停留期的时间变化(Δt_d)来确定单晶涡轮叶片430的停留期的应变速率。鉴于伴随负荷周期的复杂性质的是单晶涡轮叶片430的复杂性，通常使用有限元分析方法来执行分析。蠕变模块740使用停留期期间的燃气涡轮发动机100的特定操作条件来确定粘塑性应变速率。

单晶涡轮叶片430的应力和应变是负荷周期期间的热负荷和机械负荷的组合。其中，热应力分量在停留期间由于蠕变功能而遭受松弛，而机械应力分量由于塑性应变而遭受再分布。

各向异性模块745提取各向同性应力张量，并通过将剪切应力分解至主要八面体和主要立方体滑移系上来将疲劳模块730或蠕变模块740提供的应力转换成各向异性应力。然后将新分解的剪切应力用于计算剪切应变(针对疲劳模块730的斜变期剪切应变和针对蠕变模块740的停留期剪切应变)以及随后被传递回疲劳模块730或蠕变模块740的更新的应力矢量。更新后的应力矢量可以分解为各向同性模型或有限元分析方法或模型的平衡方程的一部分。各向异性模块745可以是有限元分析法或软件的子程序。

单晶涡轮叶片430充当各向异性材料，并且因此，这些类型的各向异性或FCC结构的负荷引起主要八面体和立方体滑移系的每一个上的分解的剪切应力。剪切应力转而引发剪切变形，并且可以通过这些剪切变形来确定来自蠕变或塑性的永久性应变。

应力和应变是张量，并且为了确定各向异性应力状态，各向同性应力张量需要变换成等效的各向异性应力状态。这是借助张量变换通过分解剪切应力分量和旋转应力张量来实现，以便与八面体和立方体滑移系对齐。对于每个滑移系，剪切应力分量定义了滑移系上的分解的剪切应力。分解的剪切应力可以由以下等式定义：

τ＝σcosΦcosλ

在τ为分解的剪切应力的情形下，σ为各向同性应力，φ为滑移面的法线与所施加的力的方向之间的角度，并且，λ为滑移面方向与所施加的力的方向之间的角度。

各向异性模块745确定针对单晶涡轮叶片430的主要滑移系的分解剪切应力。这种确定可以取决于用于单晶涡轮叶片430的材料的类型并且可以得自以上限定的分解剪切应力定义。例如，针对CMSX-4的单晶涡轮叶片430的主要滑移系的分解剪切应力可以由表1中列出的等式来确定。表1示出了针对FCC各向异性系统中的CMSX-4单晶涡轮叶片430的12种主要八面体分解剪切应力和6种主要立方体分解剪切应力。

表1

然后，各向异性模块745确定针对各滑移系的剪切应变。然后，针对每个滑移系的剪切应变可以通过分解的剪切应力来确定。针对每个滑移系的剪切应变可以由以下等式定义：

$\mathrm{\γ}=\frac{G}{\mathrm{\τ}}$

在γ为剪切应变的情形下，G为剪切模量以及τ为剪切应力。这可能包括用于12个主要八面体滑移系中的每一个和6个主要立方体滑移系中的每一个的剪切应变。

然后，各向异性模块745确定针对各应变分量的非弹性应变并将这些非弹性应变分量加总为非弹性应变矢量。对于FCC材料而言，这些应变分量可以包括x或11方向、y或22方向、z或33方向、xy或12方向、xz或13方向以及yz或23方向。应变分量可通过表2中示出的等式进行确定。

表2

各向异性模块745然后将非弹性应变矢量返回至疲劳模块730或蠕变模块740。

延性耗竭模块750确定在负荷周期期间的可用应变(延性)与累积的非弹性应变的比值。该比值表示耗竭的延性并且是单晶涡轮叶片430的损伤的量度。该比值可表示成由于该特定负荷周期导致的单晶涡轮叶片430的损伤的百分比。该过程能够重复若干不同的负荷周期，从而产生针对每个周期类型的损伤系数(或比值)。因此，总损伤是这些损伤系数的总和，高达100％损伤，此时，分量或位置(取决于损伤的类型，局部还是大范围)被认为已耗竭了可用延性且因此不再能承载负荷。

负荷周期期间的累积应变由塑性响应应变速率和蠕变或粘塑性响应应变速率确定。可以相对于针对单晶涡轮叶片430的材料的延性耗竭曲线(例如，在图3中示出的延性耗竭曲线812)来参考每个应变速率，以确定针对该应变速率的累积损伤。然后，将针对该应变速率的累积损伤除以可得应变，以返回由该应变速率产生的损伤的百分比。

负荷周期可包括一个以上的斜变期和一个以上的停留期。对负荷周期中每个斜变期和每个停留期的百分比损伤进行加和，以确定由负荷周期导致的损伤。

寿命确定系统700也可包括材料数据存储器780和GTE数据存储器785。数据存储器可使用各种数据库技术来实施，这些技术允许组织、存储以及从数据存储器中得到数据。数据存储器可在与寿命确定系统700相同的计算机710、服务器或者服务器组上实施、在与寿命确定系统700相耦合的单独服务器或多个服务器上远程实施或者在一些组合上实施。

材料数据存储器780可包括诸如图3的延性耗竭曲线812的延性耗竭曲线、可用延性或可用应变的量、诸如图4的应力-应变曲线822的应力-应变曲线、应力张量、弹性刚度张量、以及针对单晶涡轮叶片430的材料的滑移系数据，例如表1和表2中的数据。应力-应变曲线和延性耗竭曲线可作为表格、等式或者通过任何其他方法存储在材料数据存储器780中。可用延性的量也可通过使用蠕变和拉伸试验数据来确定。材料数据存储器780可包括针对单晶涡轮叶片430的多种或替代材料的数据。

GTE数据存储器785包括GTE100的输入到疲劳模块730和蠕变模块740中的操作信息。操作信息尤其包括诸如GTE入口温度和涡轮温度的操作温度、操作压力、GTE负荷、GTE速度以及针对负荷周期的各时期的时间变化。该操作信息能用于GTE的可以包括标称信息的特定模式，能够用于单独的GTE或两者的组合。GTE100可以包括测量燃气涡轮发动机100在斜变期和停留期期间的温度、压力和速度的传感器。这些测量值可以包括在GTE数据存储器785中并且可以用于以各向同性的方式确定斜变期应力和停留期应力。

工业实用性

小型或中型尺寸的工业燃气涡轮发动机的涡轮叶片可在1000华氏度或更高的温度下并且在1000转每分钟或更快的速度下运转。为了在这种环境下运转，涡轮叶片可由超合金材料(例如CMSX单晶合金)制造为单晶体。这种制造工艺是一种使用昂贵材料的昂贵工艺。

用于涡轮叶片的寿命确定系统一般能稳定地避免涡轮叶片在运转期间出现故障。涡轮叶片的故障可以造成燃气涡轮发动机的大范围损伤，尤其是涡轮段的大范围损伤，这常常导致计划之外的停机和生产力的损失。在避免故障的同时，涡轮叶片常常在涡轮叶片可能发生故障之前丢弃和更换。

可以更精确地预测单晶涡轮叶片430何时可能会发生故障的单晶涡轮叶片寿命确定系统和过程可以允许单晶涡轮叶片430保持更长时间的运转而不会增大出现故障的风险。由于更换单晶涡轮叶片430的费用不会经常出现，因此，延长每个单晶涡轮叶片430保持运转的时间可显著地降低操作燃气涡轮发动机的成本。

图6是用于确定由一个燃气涡轮发动机负荷周期引起的在诸如图2的涡轮叶片430的单晶涡轮叶片上累积的损伤的过程的流程图。该过程能够通过图5的寿命确定系统700进行。该过程的各个步骤能够通过图5的寿命确定系统700的疲劳模块730、蠕变模块740、各向异性模块745或延性耗竭模块750进行。

用于确定在一个负荷周期期间累积在单晶涡轮叶片430上的损伤的过程包括用于确定由于一个或多个斜变期而对单晶涡轮叶片430造成的损伤以及由于负荷周期的一个或多个停留期而造成的损伤以分别解释负荷周期的疲劳和蠕变的过程。如图6所示，该过程可以包括疲劳子过程910和蠕变子过程920。

在框911中，疲劳子过程910确定由于斜变期而导致的斜变期各向异性应力或疲劳应力(塑性响应应力)。斜变期各向异性应力可以如下进行确定：由疲劳模块730以各向同性方式确定斜变期或塑性响应应力、由各向异性模块745通过使用主要滑移系上的分解剪切应力来将斜变期应力转换成斜变期各向异性应变矢量、由各向异性模块745确定斜变期各向异性弹性应变矢量以及由疲劳模块730应用剪切模量、剪切应变与剪切应力之间的关系，从而通过从如上面所述的总斜变期应变中减去斜变期各向异性应变矢量来从各向异性弹性应变矢量获得斜变期应力。

在框913中，疲劳子过程910使用疲劳模块730来确定斜变期各向异性应变。可以由疲劳模块730通过使用应力-应变曲线(诸如图4的应力-应变曲线822)来确定斜变期各向异性应变，该应力-应变曲线是为单晶涡轮叶片430中所用的材料而描绘。针对负荷周期的各向异性应变可以表示为负荷周期内所产生的应力-应变曲线。

在框915中，疲劳子过程910使用疲劳模块730来确定斜变期应变速率。斜变期应变速率可以通过给定的温度和操作条件下的塑性响应曲线来确定或者通过将斜变期各向异性应变与斜变期的长度或持续时间相关联的其他方法来确定。斜变期应变速率可以是针对斜变期的非弹性部分的应变速率的平均值。

在框917中，疲劳子过程910使用延性耗竭模块750来确定斜变期损伤。可以通过将斜变期应变速率作为用于单晶涡轮叶片430中使用的材料的延性耗竭曲线(诸如图3的延性耗竭曲线812)的参照或者通过将所得的斜变期应变速率与延性耗竭曲线数据一起使用来确定斜变期损伤。

在框921中，蠕变子过程920确定由于停留期而导致的停留期各向异性应力或蠕变应力(粘塑性响应应力)。停留期各向异性应力可以如下进行确定：由蠕变模块740以各向同性方式确定停留期或粘塑性响应应力、由各向异性模块745通过使用主要滑移系上的分解剪切应力来将停留期应力转换成停留期各向异性应变矢量、由各向异性模块745确定停留期各向异性弹性应变矢量以及由蠕变模块740应用剪切模量、剪切应变与剪切应力之间的关系，从而通过从如上面所述的总停留期应变中减去停留期各向异性应变矢量来从各向异性弹性应变矢量获得停留期应力。

在框923中，蠕变子过程920使用蠕变模块740来确定停留期各向异性应变。可以通过应力-应变曲线(诸如图4的应力-应变曲线822)来确定停留期各向异性应变，该应力-应变曲线是为单晶涡轮叶片430中所用的材料而描绘，。

在框925中，蠕变子过程920使用蠕变模块740来确定停留期各向异性应变。可以通过计算停留期期间的各向异性应力和温度以及典型的基于应变速率的蠕变模型(诸如幂定律蠕变方程)中的各向异性应力和温度来确定停留期应变速率。可以从停留期内的各向异性应力和温度来获得蠕变或各向异性粘塑性应变。

在框927中，蠕变子过程920使用延性耗竭模块750来确定停留期损伤。可以通过将停留期应变速率作为用于单晶涡轮叶片430中使用的材料的延性耗竭曲线(诸如图3的延性耗竭曲线812)的参照或者通过将所得的停留期应变速率与延性耗竭曲线数据一起使用来确定停留期损伤。停留期应变速率可以是针对停留期的非弹性部分的应变速率的平均值。

在框930中，该过程使用延性耗竭模块750将来自负荷周期的每个时期的损伤相加。疲劳子过程910可以确定一个或多个斜变期的损伤，并且蠕变子过程920可以根据负荷周期中的斜变期和停留期的数量来确定一个或多个停留期的损伤。负荷周期的损伤的总和包括来自至少一个斜变期和至少一个停留期的损伤并且可以包括来自多个斜变期的损伤和来自多个停留期的损伤。

在各实施例中，用于确定在负荷周期期间累积在单晶涡轮叶片430上的损伤的过程可以添加、省略、重新排序或修改所示的框。例如，如图所示，可以与蠕变子过程920一起同时进行疲劳子过程910，可以在蠕变子过程920之前进行疲劳子过程910，还可以在蠕变子过程920之后进行疲劳子过程910。也可以同时或连续地进行对多个斜变期或多个停留期的损伤的确定。

用于在负荷周期期间确定累积在单晶涡轮叶片430上的损伤的过程可以用来呈现单晶涡轮叶片430的使用寿命或者可以用来监测单晶涡轮叶片430的使用寿命。图7是用于确定诸如图2的单晶涡轮叶片430的单晶涡轮叶片的使用寿命的过程的流程图。该过程可以由图5的寿命确定系统700执行。该过程的各个步骤可以由图5的寿命确定系统700的疲劳模块730、蠕变模块740、各向异性模块745或延性耗竭模块750执行。

在框950中，该过程确定由至少一个负荷周期导致的累积在单晶涡轮叶片430上的损伤，该负荷周期可包括一种或多种负荷周期类型。当使用一个以上的周期时，该过程通过将来自负荷周期的损伤加上来自先前的负荷周期的累积损伤来确定总累积损伤。

在框952中，该过程确定每个周期的损伤。这可以通过将累积的损伤除以负荷周期的数量以对由每个周期导致的损伤量进行平均来完成。在一些实施例中，标称输入值可以在框950中用于确定单个标称负荷周期的标称损伤。在这些实施例中，单个标称负荷周期视为每个周期的损伤。

在框954中，该过程通过将总可用损伤除以每个周期的损伤来确定故障周期数量。每个周期的损伤可以表示为百分比。在这些情况下，总可用损伤可以表示为百分之百，并且故障周期数量可以通过将百分之百除以每个周期的百分数损伤来确定。根据应用以及与该应用相关的风险水平、可靠性水平或者置信水平，这种方式还可以通过将总可用损伤限制成小于百分之百或小于延性进行耗竭的小时总数来适应任意数量的安全因素。

单晶涡轮叶片430的使用寿命可以通过呈现出随着时间流逝的每个周期的损伤或者通过确定故障运转小时数来预测。故障运转小时数可以通过将故障周期数量乘以每个周期的运转小时平均数而从故障周期数量确定。

在燃气涡轮发动机的负荷周期期间累积在涡轮叶片上的损伤、故障周期数量以及故障运转小时数可以由维修GTE100的过程、方法和系统所使用。这种过程可以使用在燃气涡轮发动机的负荷周期期间累积在涡轮叶片上的损伤、耗竭的延性、故障周期数量和故障运转小时数来确定是否在GTE100的特定维修期间更换单晶涡轮叶片430或者是否等待GTE100的后续维修。GTE100的维修可包括GTE100的检修、现场维修或改进或者翻修。

技术人员应当认识到的是，结合本文公开的实施例进行描述的各种说明性的逻辑块、模块和算法步骤都可以以电子硬件、计算机软件或者两者的组合来实现。为了清晰地说明硬件及软件的这种可互换性，上文已经就它们的功能总体地阐述了各种说明性部件、块、模块、和步骤。此种功能性是实施为硬件还是软件取决于施加于整个系统上的设计限制。对于每个特定应用，技术人员可以以不同的方式实现所描述的功能，但是这种实现决策不应理解为产生与本发明的范围的偏离。此外，将功能组合在模块、块或步骤内也只是为了描述方便。在不脱离本发明的情况下，具体的功能或者步骤可以从一个模块或块中移出。

结合本文所公开的实施例进行描述的各种说明性的逻辑块和模块可以采用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或者其为执行本文所述的功能而设计的任意组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是在备选方案中，处理器可以是任何处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以作为计算设备的组合来实现，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP芯或者任何其他这样的配置。

结合本文所公开的实施例进行描述的方法或算法的步骤可直接体现为硬件、由处理器(例如，计算机的处理器)执行的软件模块或者两者的组合。软件模块可以位于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM或者任何其它形式的存储介质中。实例存储介质可以耦合到处理器，以便处理器可以从存储介质中读取信息并向存储介质中写入信息。在备选方案中，存储介质可以与处理器集成在一起。处理器和存储介质也可以位于ASIC中。

提供了所公开的实施例的上述描述，以使本领域的任意技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对于本领域的技术人员来说将是显而易见的，并且在不偏离本发明的精神或范围的情况下，本文描述的一般原理可应用于其他实施例。因而，应该理解的是，本文所呈现的描述和附图代表本发明当前优选的实施例，并且因此表示由本发明所广泛预期的主题。进一步应该理解的是，本发明的范围完全包括对于本领域的技术人员来说可变得显而易见的其他实施例，并且本发明的范围相应地仅由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种用于确定燃气涡轮发动机(100)的单晶涡轮叶片(430)的使用寿命的方法，所述方法包括：

确定所述燃气涡轮发动机(100)的每个负荷周期的所述单晶涡轮叶片(430)的累积损伤，包括：

确定疲劳损伤，其包括将以各向同性方式确定的斜变期应力分解成所述涡轮叶片的所述主要滑移系上的斜变期剪切应力以及利用所述单晶涡轮叶片(430)的材料的延性耗竭曲线(812)使用所得到的斜变期应变速率，

确定蠕变损伤，其包括将以各向同性方式确定的停留期应力分解成所述主要滑移平面上的停留期剪切应力以及利用所述延性耗竭曲线(812)使用所得到的停留期应变速率，以及

将所述疲劳损伤和所述蠕变损伤组合；

通过将每个负荷周期的所述单晶涡轮叶片(430)的所述累积损伤组合成总累积损伤并将所述总累积损伤除以所述负荷周期的数量来确定每个周期的损伤；以及

通过将故障总损伤除以所述每个周期的损伤来确定故障周期数量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过呈现随时间流逝的所述每个周期的损伤来预测所述单晶涡轮叶片(430)的故障。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述疲劳损伤包括：使用所述剪切模量以由所述主要滑移系上的所述斜变期剪切应力确定所述主要滑移系上的斜变期剪切应变、将所述主要滑移系上的所述斜变期剪切应变组合成斜变期各向异性应变矢量、从总斜变期应变中减去所述斜变期各向异性应变矢量以及乘以所述材料的弹性刚度张量以确定斜变期各向异性应力；并且其中，确定所述蠕变损伤包括：使用所述剪切模量以由所述主要滑移系上的所述停留期剪切应力确定所述主要滑移系上的停留期剪切应变、将所述主要滑移系上的所述停留期剪切应变组合成停留期各向异性应变矢量、从总停留期应变中减去所述停留期各向异性应变矢量以及乘以所述弹性刚度张量以确定停留期各向异性应力。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述疲劳损伤包括使用应力-应变曲线(822)以由所述斜变期各向异性应力确定斜变期各向异性应变，并且其中，确定所述蠕变损伤包括使用所述应力-应变曲线(822)以由所述停留期各向异性应力确定停留期各向异性应变以及使用幂律法以由所述停留期各向异性应变确定所述停留期应变速率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过将所述斜变期应力乘以所述滑移平面的法线与所述施加力的方向之间的角度的余弦和所述滑移平面方向与所述施加力的方向之间的角度的余弦来确定在所述主要滑移系中的每一个上的所述斜变期剪切应力，并且通过将所述停留期应力乘以所述滑移平面的所述法线与所述施加力的方向之间的角度的余弦和所述滑移平面方向与所述施加力的方向之间的角度的余弦来确定在所述主要滑移系中的每一个上的所述停留期剪切应力。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定是否在所述燃气涡轮发动机(100)的维修期间更换所述涡轮叶片(430)是基于根据前述权利要求中任一项所述的方法所确定的所述故障周期数量。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，通过蠕变和拉伸试验确定所述故障总损伤，并且通过蠕变和拉伸试验确定所述延性耗竭曲线(812)。

8.一种用于燃气涡轮发动机(100)的单晶涡轮叶片(430)的寿命确定系统(700)，所述寿命确定系统(700)包括：

处理器；

材料数据存储器(780)，其包括所述单晶涡轮叶片(430)的材料的应力-应变曲线(822)和延性耗竭曲线(812)；

燃气涡轮发动机(100)数据存储器，其包括至少一个负荷周期的运转状况，所述负荷周期包括斜变期和停留期；

各向异性模块(745)，其配置成通过确定所述主要八面体滑移系和所述主要立方体滑移系上的所述分解剪切应力，将以各向同性方式确定的应力转换为各向异性非弹性应变矢量；

疲劳模块(730)，其配置成以各向同性方式确定斜变期的塑性响应应力、将所述塑性响应应力提供给所述各向异性模块、从所述各向异性模块接收各向异性塑性响应非弹性应变矢量以及由所述各向异性塑性响应非弹性应变矢量确定塑性响应应变速率；

蠕变模块(740)，其配置成以各向同性方式确定所述停留期的粘塑性响应应力、将所述粘塑性响应应力提供给所述各向异性模块、从所述各向异性模块接收各向异性粘塑性响应非弹性应变矢量以及由所述各向异性粘塑性响应非弹性应变矢量确定粘塑性响应应变速率；以及

延性耗竭模块(750)，其配置为通过以所述塑性响应应变速率、所述粘塑性响应应变速率和所述延性耗竭曲线(812)确定所述负荷周期的累积非弹性应变并将所述累积非弹性应变与可用应变进行比较来确定所述单晶涡轮叶片(413)的耗竭延性。

9.根据权利要求8所述的寿命确定系统(700)，其中，所述各向异性模块通过将所述塑性响应应力乘以所述滑移平面的法线与所述施加力的方向之间的角度的余弦和所述滑移平面方向与所述施加力的方向之间的角度的余弦以及通过将所述粘塑性响应应力乘以所述滑移平面的法线与所述施加力的方向之间的角度的余弦和所述滑移平面方向与所述施加力的方向之间的角度的余弦来确定在所述主要八面体滑移系中的每一个上和所述主要立方体滑移系中的每一个上的所述分解剪切应力。

10.一种用于燃气涡轮发动机(100)的维修的系统，其中，确定是否在所述燃气涡轮发动机(100)的维修期间更换所述涡轮叶片(430)是基于由权利要求8所述的寿命确定系统(700)所确定的故障耗竭延性周期数量。