CN110032789A - 气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法 - Google Patents

气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及涡轮叶片技术领域，提供了一种气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法。所述气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法包括：模拟排布有多个气膜孔的涡轮叶片，所述涡轮叶片的材质为镍基单晶合金；确定所述涡轮叶片受到的最大分切应力；确定所述涡轮叶片受到的范式等效应力；根据所述最大分切应力和范式等效应力确定所述涡轮叶片的应力应变分布。本公开能够提高性能预测的准确性。

Description

气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法
技术领域
本公开涉及涡轮叶片技术领域，尤其涉及一种气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法。
背景技术
涡轮叶片是一种镍基单晶合金构件，其能够直接利用高温、高速燃气做功。为了对涡轮叶片进行冷却，需要在涡轮叶片上设置气膜孔。其中，气膜孔的排布对涡轮叶片的性能具有一定的影响。
然而，现有技术在预测涡轮叶片的性能时，常常采用省略气膜孔的涡轮叶片模型，不对气膜孔的影响进行考虑，导致预测结果不精确。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法，能够提高性能预测的准确性。
根据本公开的一个方面，提供一种气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法，包括：
模拟排布有多个气膜孔的涡轮叶片，所述涡轮叶片的材质为镍基单晶合金；
确定所述涡轮叶片受到的最大分切应力；
确定所述涡轮叶片受到的范式等效应力；
根据所述最大分切应力和范式等效应力确定所述涡轮叶片的应力应变分布。
在本公开的一种示例性实施例中，确定所述涡轮叶片受到的最大分切应力包括：
通过有限元分析确定所述涡轮叶片受到的最大分切应力。
在本公开的一种示例性实施例中，确定所述涡轮叶片受到的范式等效应力包括：
通过有限元分析确定所述涡轮叶片受到的范式等效应力。
在本公开的一种示例性实施例中，所述有限元分析包括施加边界条件，所述边界条件包括载荷。
在本公开的一种示例性实施例中，所述载荷为140-650MPa。
在本公开的一种示例性实施例中，所述边界条件还包括温度。
在本公开的一种示例性实施例中，所述温度为850-1100℃。
在本公开的一种示例性实施例中，多个所述气膜孔的直径均相同。
在本公开的一种示例性实施例中，多个所述气膜孔的直径均为0.3-0.5mm。
在本公开的一种示例性实施例中，多个所述气膜孔均匀分布于所述涡轮叶片。
本公开的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法，根据所确定的最大分切应力和范式等效应力确定涡轮叶片的应力应变分布。由于该最大分切应力和范式等效应力是基于排布有气膜孔的涡轮叶片所确定，从而提高了所确定的应力应变分布的准确性，进而提高了性能预测的准确性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图来详细描述其示例性实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施方式的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法的流程图；
图2为本公开实施方式的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法中涡轮叶片的气膜孔呈第一排布方式的示意图；
图3为本公开实施方式的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法中涡轮叶片的气膜孔呈第二排布方式的示意图；
图4为本公开实施方式的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法中涡轮叶片的气膜孔呈第三排布方式的示意图；
图5为本公开实施方式的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法中涡轮叶片的气膜孔呈第四排布方式的示意图；
图6为本公开实施方式的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法中涡轮叶片的气膜孔呈第五排布方式的示意图。
图中：1、气膜孔；2、涡轮叶片；3、长边；4、短边。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免模糊本公开的各方面。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。用语“一”和“该”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
相关技术中，现在几乎所有的军民用飞机发动机涡轮叶片都采用镍基单晶合金，尽管近十年来，国内外已经进行了很多的研究来寻找可以替代的更先进的材料，比如陶瓷和其它合金，但都没有成功。目前和未来的一段时间，镍基单晶高温合金已成为现代先进航空发动机和燃气轮机涡轮叶片的唯一材料。
提高涡轮进口温度是增大和提高发动机推力与推重比的重要手段。在材料耐温能力有限的前提下，涡轮叶片冷却技术成为了提高涡轮进口温度、保证涡轮叶片在高温环境下可靠工作的可行且高效的途径。现役中有效的途径就包括气膜孔冷却技术。对现有单晶涡轮叶片添加气膜孔可以进一步提高航空发动机涡轮燃气进口温度，另一方面也对叶片力学性能带来影响。涡轮叶片气膜孔的设计通常采用数量多、孔径小的设计方式，此时，气膜孔的布局和孔间距对叶片力学性能的影响较为显著，在满足气动传热性能最优的同时保证结构强度显得尤为重要。
以往对气膜孔布局的研究发现，在超长菱形排布方式下，气膜绝热冷却效率相对较高，这种排布仍然是较优的排布方案；而在孔排布局方面，较好的孔排冷却方案依次为三排孔、双排孔及单排孔。理论上来讲，气膜孔之间的距离越小，气膜冷却效率越高，其结构强度也随之减弱，并且气膜孔之间存在的相互干涉作用会进一步增大孔间应力。目前在工程计算中，普遍采用省略气膜孔的涡轮叶片简化模型，没有考虑到气膜孔会破坏结构完整性的负面作用，没有考虑气膜孔排布所引起的应力状态的影响。
本公开实施方式提供一种气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法。如图1所示，该气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法可以包括步骤S110至步骤S140，其中：
步骤S110、模拟排布有多个气膜孔的涡轮叶片，涡轮叶片的材质为镍基单晶合金。
步骤S120、确定涡轮叶片受到的最大分切应力。
步骤S130、确定涡轮叶片受到的范式等效应力。
步骤S140、根据最大分切应力和范式等效应力确定涡轮叶片的应力应变分布。
本公开实施方式的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法，根据所确定的最大分切应力和范式等效应力确定涡轮叶片的应力应变分布。由于该最大分切应力和范式等效应力是基于排布有气膜孔的涡轮叶片所确定，从而提高了所确定的应力应变分布的准确性，进而提高了力学性能预测的准确性。其中，本公开的范式等效应力为Mises应力。
下面对本公开实施方式的步骤进行详细说明：
在步骤S110中，模拟具有气膜孔的涡轮叶片。
本公开将涡轮叶片简化为平板模型。如图2至图6所示，该涡轮叶片2包括长边3和短边4。本公开将垂直于该涡轮叶片2的长边3的方向作为第一方向，将平行于该涡轮叶片2的长边3的方向作为第二方向。设于该涡轮叶片2的气膜孔1具有多个，且可以均匀分布于涡轮叶片2。此外，多个气膜孔1具有多种排布方式。
如图2所示，第一种排布方式中，多个气膜孔1沿着第二方向分布，以形成一排气膜孔1。多个气膜孔1的直径R1相同，均为0.4mm。本公开将相邻的两个孔的中轴线之间的距离作为孔距。第二方向上的孔距L1为1mm。
如图2和图3所示，将第一种排布方式中所形成的一排气膜孔1作为第一排气膜孔1，第二种排布方式是在第一种排布方式的基础上增加第二排气膜孔1。第二排气膜孔1沿着第二方向分布。第二排气膜孔1的数量同第一排气膜孔1的数量相同，并且一一对应地与第一排气膜孔1在第一方向上对齐。在第二种排布方式中，多个气膜孔1的直径R2相同，均为0.4mm。第一方向上的孔距H1和第二方向上的孔距L2均为1mm。
如图3和图4所示，第三种排布方式是在第二种排布方式的基础上增加第三排气膜孔1。第三排气膜孔1沿着第二方向分布。第三排气膜孔1的数量同第一排气膜孔1的数量相同，并且一一对应地与第一排气膜孔1在第一方向上对齐。在第三种排布方式中，多个气膜孔1的直径R3相同，均为0.4mm。第一方向上的孔距H2和第二方向上的孔距L3均为1mm。
如图2和图5所示，第四种排布方式是在第一种排布方式的基础上增加第二排气膜孔1。第二排气膜孔1沿着第二方向分布。第二排气膜孔1的数量比第一排气膜孔1的数量少一个，并且任一第二排气膜孔1位于相邻的两个第一排气膜孔1之间。在第四种排布方式中，多个气膜孔1的直径R4相同，均为0.4mm。第一方向上的孔距H3和第二方向上的孔距L4均为1mm。
如图5和图6所示，第五种排布方式是在第四种排布方式的基础上增加第三排气膜孔1。其中，该第二排气膜孔1位于第一排气膜孔1和第三排气膜孔1之间。第三排气膜孔1的数量同第二排气膜孔1的数量相同，并沿着第二方向分布，且一一对应地与第一排气膜孔1在第一方向上对齐。在第五种排布方式中，多个气膜孔1的直径R5相同，可以为0.3mm、0.4mm、0.5mm，但本公开不以此为限。在第一方向上的孔距可以为0.8mm、1mm、1.2mm等。第二方向上的孔距L2的一半与第一方向上的孔距H4的比值可以为0.25、0.32、0.4、0.5、0.577、1等。
在步骤S120和步骤S130中，本公开可以通过有限元分析确定涡轮叶片受到的最大分切应力和范式等效应力。该有限元分析中的边界条件可以包括载荷和温度。该载荷可以为140-650MPa，例如140MPa、370MPa、650MPa等。该温度可以为850-1100℃，例如850℃、930℃、990℃、1100℃等。该载荷可以施加于涡轮叶片的端部。在有限元分析中还需要赋予材料属性。该材料可以为第二代镍基单晶高温合金DD6。本公开还需要获取该材料的弹性模量、泊松比、分切模量等相关力学参数。本公开可以通过有限元软件ABAQUS进行有限元分析。本公开还可以将该相关力学参数和晶体弹塑性行为准则采用晶体塑性理论一起编成UMAT子程序进行计算。其中，本公开针对上述五种排布方式的计算结果如表1至表6。
表1
该表1中的第五种排布方式中，多个气膜孔的直径相同，均为0.4mm。在第一方向上的孔距为1mm。第二方向上的孔距的一半与第一方向上的孔距的比值为0.5。
表2
该表2中的五种排布方式与表1中的五种排布方式相同。
表3
表3仅针对第五种排布方式。通过改变第五种排布方式中气膜孔的直径以及第一方向上的孔距，形成了五种变形。对于变形①，气膜孔的直径为0.5mm，第一方向上的孔距为1mm；对于变形②，气膜孔的直径为0.4mm，第一方向上的孔距为0.8mm；对于变形③，气膜孔的直径为0.4mm，第一方向上的孔距为1mm；对于变形④，气膜孔的直径为0.4mm，第一方向上的孔距为1.2mm；对于变形⑤，气膜孔的直径为0.3mm，第一方向上的孔距为1mm。
表4
该表4中的五种变形与表3中的五种变形相同。
表5
表5仅针对第五种排布方式。通过改变第五种排布方式中第二方向上的孔距的一半与第一方向上的孔距的比值，形成了六种变形。对于变形①，该比值为1；对于变形②，该比值为0.577；对于变形③，该比值为0.5；对于变形④，该比值为0.4；对于变形⑤，该比值为0.32；对于变形⑥，该比值为0.25。此外，该六种变形的气膜孔的直径为0.4mm。
表6
该表6中的六种变形与表5中的六种变形相同。
在步骤S140中，根据最大分切应力和范式等效应力确定涡轮叶片的应力应变分布。此外，还可以根据最大分切应力和范式等效应力对气膜孔孔边的应力和应变、滑移系开动规律以及多孔干涉效应进行研究。
本公开在分析过程中是以以下晶体塑性理论为基础的：
T＝FeτFe-1；
τ(α)＝P(α):σ；
式中T为第二Piola–Kirchhoff应力张量，Fe为弹性变形梯度，τ(α)为各个滑移系的分切应力，σ为晶轴系下的应力张量，P(α)为取向因子。描述各滑移系统α上分切应变速率和分切应力τ(α)之间的关系是一种幂律关系，它可以表示如下：
式中，为分切应变速率，为参考分切应变速率，g(α)为参考分切应力，m为应变率敏感指数，较高的率相关指数可以降低加载过程中时间对于塑性变形的影响。
滑移系分切应力的演化符合如下硬化规律：
式中为临界解析剪应力，αβ为硬化系数，如下定义：
αβ＝qαββ；
其中，qαβ是描述潜硬化的矩阵，β是滑移硬化率：
其中，h0为硬化模量，τ*和a为模型参数。
将上述公式通过用户材料子程序(UMAT)接口植入有限元软件ABAQUS，以进行有限元分析。
本领域技术人员在考虑说明书及实践后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法，其特征在于，包括：
模拟排布有多个气膜孔的涡轮叶片，所述涡轮叶片的材质为镍基单晶合金；
确定所述涡轮叶片受到的最大分切应力；
确定所述涡轮叶片受到的范式等效应力；
根据所述最大分切应力和所述范式等效应力确定所述涡轮叶片的应力应变分布。
2.根据权利要求1所述的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法，其特征在于，确定所述涡轮叶片受到的最大分切应力包括：
通过有限元分析确定所述涡轮叶片受到的最大分切应力。
3.根据权利要求2所述的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法，其特征在于，确定所述涡轮叶片受到的范式等效应力包括：
通过有限元分析确定所述涡轮叶片受到的范式等效应力。
4.根据权利要求3所述的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法，其特征在于，所述有限元分析包括施加边界条件，所述边界条件包括载荷。
5.根据权利要求4所述的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法，其特征在于，所述载荷为140-650MPa。
6.根据权利要求4所述的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法，其特征在于，所述边界条件还包括温度。
7.根据权利要求6所述的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法，其特征在于，所述温度为850-1100℃。
8.根据权利要求1所述的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法，其特征在于，多个所述气膜孔的直径均相同。
9.根据权利要求8所述的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法，其特征在于，多个所述气膜孔的直径均为0.3-0.5mm。
10.根据权利要求1所述的气膜孔排布方式对镍基单晶合金性能影响的预测方法，其特征在于，多个所述气膜孔均匀分布于所述涡轮叶片。
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