CN113188781A - 航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，其采用了热电偶测温与红外测温相结合的方式进行温度测点布置，可以在有限的空间内获得更多的温度标定测温数据，有利于提高温度标定结果的准确度，并且考虑了转子在旋转状态下的径向变形，对加热线圈到叶片尖端的径向距离进行了调整，并采用温度标定和传热分析得到的温度场进行应力分析，从而得到试验转速进行叶片疲劳试验，从加热线圈的结构设计、加热功率和试验转速三个方面对叶片疲劳试验的转子温度场进行了修正，大大提升了叶片疲劳试验的准确性和可靠性。

Description

航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法

技术领域

本发明涉及航空发动机叶片疲劳试验技术领域，特别地，涉及一种航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法。

背景技术

在正式开始航空发动机叶片疲劳试验前，需要对转子(包括叶片和轮盘)进行温度标定，现有温度标定方法是直接对非旋转状态转子进行温度标定，然后近似等效为试验状态转子温度场。然而，在叶片疲劳试验中，由于受到热膨胀和旋转离心力的影响，试验转子会发生明显径向变形，对于通过电磁感应加热叶片的方式，非旋转状态试验转子和旋转状态试验转子由于不同的变形，导致电磁感应加热效果不一致，从而导致温度标定的叶片、轮盘温度场数据与实际试验状态的加热效果存在误差；而且，目前用于叶片疲劳试验的温度标定方案只能指导传热分析时叶片考核部位的温度，对叶尖加热区温度分布和叶片考核附近温度分布缺少针对性的布点方案设计，导致温度标定结果对传热分析的指导效果欠佳，尤其是叶片考核部位温度梯度模拟的误差会直接影响试验转速计算的准确性，进而影响叶片疲劳试验的有效性。同时，在传热分析中，采用的叶片单一热传导率导致叶片顶部最高温度失真以及叶片考核部位区域温度梯度模拟失真，即便是采用分区设置热传导率进行传热分析，由于加热区与传热区的界限未明确，会导致叶身温度分布模拟存在误差。

综上所述，目前在叶片疲劳试验中由于温度标定方法、加热结构设计、传热分析以及试验转速计算等过程中因设计方法考虑不足累积的误差，最终会让叶片疲劳试验的有效性大大降低。研究发现，对于考核部位温度较高的短涡轮叶片，这种误差是不可接受的。在开展某型航空发动机叶片疲劳试验过程中，温度标定时叶片考核部位温度达标时的加热功率要明显大于试验状态所需的加热功率，由此可知叶片疲劳试验用温度标定的加热功率属于过考核，且得到的温度场数据也不能代表试验状态的真实温度场，由温度标定而来的试验转速也是不准确的。

发明内容

本发明提供了一种航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，以解决目前在叶片疲劳试验中由于温度标定方法、加热结构设计、传热分析以及试验转速计算等过程存在的不足，从而导致叶片疲劳试验的准确性、有效性较差的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，包括以下步骤：

步骤S1：进行叶片加热效果调试以确定温度标定用的加热线圈的尺寸、加热功率和其到叶片尖端的距离；

步骤S2：采用热电偶测温结合红外测温的方式进行温度测点布置；

步骤S3：采用温度标定用的加热线圈对叶片和轮盘的装配件进行温度标定，当叶片考核部位在加热线圈的加热功率恒定的情况下保持温度稳定时，记录此时的加热功率、各热电偶测点和各红外测点的温度测量值；

步骤S4：基于各热电偶测点和各红外测点的温度测量值进行分区传热分析以得到叶片和轮盘在试验状态下的模拟温度场；

步骤S5：基于叶片和轮盘在试验状态下的模拟温度场进行叶片、轮盘应力分析，通过调整应力分析中的转速值，使得叶片考核部位的应力水平与工作状态下的应力水平相同，此时的转速值作为叶片疲劳试验的试验转速；

步骤S6：基于叶片和轮盘在试验状态下的模拟温度场进行转子变形有限元仿真分析，得到旋转状态下的转子和非旋转状态下的转子在加热线圈加热下的变形差别，以得到叶片尖端因旋转状态产生的径向变形值；

步骤S7：基于该径向变形值调整加热线圈到叶片尖端的距离，并采用温度标定得到的加热功率对转子进行叶片加热，并以应力分析得到的试验转速进行叶片疲劳试验。

进一步地，所述步骤S1具体为：

根据航空发动机叶片疲劳试验的温度要求，不断调节加热线圈与叶片尖端的径向距离和其加热功率，当叶片考核部位达到目标温度并在预设时间内保持稳定时，记录此时的径向距离和加热功率，且在调节加热线圈与叶片尖端的径向距离和加热功率时，需保证叶片尖端的加热区与叶片考核部位的距离在5mm以上。

进一步地，所述步骤S2具体为：

从叶片顶部至叶片考核部位之间的叶身区域沿径向方向均匀布置至少三排热电偶测点，每排热电偶测点至少包括两个测点，其中一个测点靠近叶片前缘设置，一个测点靠近叶片尾缘设置，叶身的第一排热电偶测点距离叶片尖端的径向距离为2mm，叶身的第二排热电偶测点位于加热区和非加热区的交界处附近的预设距离范围内，叶身的最后一排热电偶测点位于叶片根部径向截面，并在叶片考核部位所在截面布置一排热电偶测点，在轮盘的每个榫槽侧面设置一个热电偶测点，在轮盘辐板和轮心上分别设置至少一个热电偶测点；

在叶片考核部位所在的径向截面上沿径向方向上移2mm和下移2mm的范围内分别布置一排红外测点，每排红外测点至少包括一个靠近叶片前缘设置的测点和一个靠近叶片尾缘设置的测点。

进一步地，所述步骤S3还需对红外测点的温度测量值进行修正，修正值通过以下内容得到：

采用温度标定用的加热线圈对叶片和轮盘的装配件进行感应加热，并进行叶片考核指标调试以得到叶片考核部位温度达标时的加热功率、叶片的最高温度和最低温度，然后，分别针对叶片和轮盘上的某一点同时采用热电偶和红外进行测温，分别得到在叶片的最低温度到最高温度的范围内的多个温度值下以及在轮盘的最低温度到最高温度的范围内的多个温度值下，红外测温结果相对于热电偶测温结果的差值，从而分别得到叶片上和轮盘上的红外测温相对于热电偶测温在不同温度值下的对应修正值。

进一步地，所述加热区和非加热区的交界位置基于以下内容得到：

在径向距离叶片尖端的4mm处开始划线以标记叶身等截面线，往叶根方向每间隔2mm画一道标记线，直至径向距离叶片尖端16mm处，当完成叶片考核指标调试后保持加热功率不变，用红外测温仪沿标记线进行红外测温，测试顺序由叶片尖端往叶根方向依次选择标记线，且每根标记线从进气方向往排气方向均匀扫描至少5个测点，记录各个测点的温度数据，若当前选择的标记线中各测点之间的温度差异超过阈值，则往叶根方向再移动一根标记线进行温度测量，直至某一标记线中各测点之间的温度变化不超过阈值时，则记录该标记线与叶片尖端的距离，该标记线所处截面即为叶片的加热区和传热区的边界。

进一步地，所述步骤S4中在对叶片的加热区和传热区以及轮盘进行传热分析时采用不同的热传导率。

进一步地，加热区的热传导率通过以下内容得到：

在传热分析中，采用叶身的第一排热电偶测点得到的最高温度作为热源加载至叶片尖端，设置加热区为单一热传导率，逐步调节热传导率的大小直至叶身的第二排热电偶测点所在位置的温度与测试温度一致。

进一步地，传热区的热传导率通过以下内容得到：

在传热分析中，将传热区沿径向方向划分为多个分区，每个分区根据叶片材料真实热传导率调整径向方向上的热传导率，其中，从叶身的第二排热电偶测点至叶身的最后一排热电偶测点的区域作为一个分区，从叶身的最后一排热电偶测点到叶片考核部位所在截面的一排热电偶测点作为一个分区，从叶片考核部位的一排热电偶测点到轮盘榫槽的热电偶测点的区域作为另一个分区。

进一步地，所述步骤S4中在对轮盘进行传热分析时，以轮盘榫槽上的热电偶测点测得的最高温度作为轮盘最高温度，从轮盘榫槽至轮盘辐板上热电偶测点的范围内设置径向单一热传导率以对标轮盘辐板上热电偶测点的测试温度，从轮盘辐板上的热电偶测点至轮心上的热电偶测点的范围内再设置一个径向单一热传导率以对标轮心上热电偶测点的测试温度。

进一步地，所述步骤S6中基于叶片和轮盘在试验状态下的模拟温度场进行转子变形有限元仿真分析时需要保留材料数据中不同温度的弹性模量，并将材料的线膨胀系数设置为0，以及假设温度不会引起结构的变形。

本发明具有以下效果：

本发明的航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，先基于叶片加热效果调试来得到温度标定用的加热线圈的尺寸、加热功率和到叶片尖端的距离，然后采用了热电偶测温与红外测温相结合的方式进行温度测点布置。现有的温度标定方案中仅采用焊接热电偶对叶片和轮盘进行测温，但是对于中小型航空发动机而言，其高温涡轮叶片尺寸较小，在有限的空间内可焊接的热电偶数量有限，从而导致所采集的温度标定测温数据有限，进而导致温度标定结果的准确度较差。而本发明通过采用热电偶焊接测点与红外测点相结合的方式进行温度测点布置，可以在有限的空间内获得更多的温度标定测温数据，有利于提高温度标定结果的准确度。并且，在现有的温度标定方案中，都是直接采用步骤S1得到的加热线圈尺寸直接作为叶片疲劳试验的线圈结构设计，忽略了试验转子旋转状态和静止状态下加热效果的偏差，从而导致叶片疲劳试验的准确性、有效性较差。而本发明则是先采用上述得到的加热线圈进行温度标定，得到了叶片考核部位通过温度考核时的加热功率、各热电偶测点和各红外测点的温度测量值，然后再基于各热电偶测点和各红外测点的温度测量值进行传热分析以得到叶片和轮盘在试验状态下的模拟温度场，进而进行应力分析得到试验转速。由于同时采用了热电偶测温和红外测温，可以得到更多的温度试验数据，其中，红外测温数据对传热分析中温度梯度模拟的指导性较强，试验转速的计算结果更准确。并且，还基于有限元仿真技术进行了转子变形分析，得到了叶片尖端因旋转状态产生的径向变形值，考虑了转子旋转后转子变形引起的加热效果差别，有利于提高转子温度场标定结果的准确度。最后，基于该径向变形值调整加热线圈到叶片尖端的距离，采用温度标定得到的加热功率对转子进行叶片加热，并以应力分析得到的试验转速进行叶片疲劳试验，从加热线圈的结构设计、加热功率和试验转速三个方面对叶片疲劳试验的转子温度场进行了修正，大大提升了叶片疲劳试验的准确性和可靠性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法的流程示意图。

图2是本发明优选实施例中利用加热线圈对叶片进行加热的示意图。

图3是本发明优选实施例中在叶片上进行温度测点布置的示意图。

图4是本发明优选实施例中根据叶片尖端的径向变形值调整加热线圈到叶片尖端的径向距离后对叶片进行加热的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，本发明的优选实施例提供一种航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，包括以下步骤：

步骤S1：进行叶片加热效果调试以确定温度标定用的加热线圈的尺寸、加热功率和其到叶片尖端的距离；

步骤S2：采用热电偶测温结合红外测温的方式进行温度测点布置；

步骤S3：采用温度标定用的加热线圈对叶片和轮盘的装配件进行温度标定，当叶片考核部位在加热线圈的加热功率恒定的情况下保持温度稳定时，记录此时的加热功率、各热电偶测点和各红外测点的温度测量值；

步骤S4：基于各热电偶测点和各红外测点的温度测量值进行传热分析以得到叶片和轮盘在试验状态下的模拟温度场；

步骤S5：基于叶片和轮盘在试验状态下的模拟温度场进行叶片、轮盘应力分析，通过调整应力分析中的转速值，使得叶片考核部位的应力水平与工作状态下的应力水平相同，此时的转速值作为叶片疲劳试验的试验转速；

步骤S6：基于叶片和轮盘在试验状态下的模拟温度场进行转子变形有限元仿真分析，得到旋转状态下的转子和非旋转状态下的转子在加热线圈加热下的变形差别，以得到叶片尖端因旋转状态产生的径向变形值；

步骤S7：基于该径向变形值调整加热线圈到叶片尖端的距离，并采用温度标定得到的加热功率对转子进行叶片加热，并以应力分析得到的试验转速进行叶片疲劳试验。

可以理解，本实施例的航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，先基于叶片加热效果调试来得到温度标定用的加热线圈的尺寸、加热功率和到叶片尖端的距离，然后采用了热电偶测温与红外测温相结合的方式进行温度测点布置。现有的温度标定方案中仅采用焊接热电偶对叶片和轮盘进行测温，但是对于中小型航空发动机而言，其高温涡轮叶片尺寸较小，在有限的空间内可焊接的热电偶数量有限，从而导致所采集的温度标定测温数据有限，进而导致温度标定结果的准确度较差。而本发明通过采用热电偶焊接测点与红外测点相结合的方式进行温度测点布置，可以在有限的空间内获得更多的温度标定测温数据，有利于提高温度标定结果的准确度。并且，在现有的温度标定方案中，都是直接采用步骤S1得到的加热线圈尺寸直接作为叶片疲劳试验的线圈结构设计，忽略了试验转子旋转状态和静止状态下加热效果的偏差，从而导致叶片疲劳试验的准确性、有效性较差。而本发明则是先采用上述得到的加热线圈进行温度标定，得到了叶片考核部位通过温度考核时的加热功率、各热电偶测点和各红外测点的温度测量值，然后再基于各热电偶测点和各红外测点的温度测量值进行传热分析以得到叶片和轮盘在试验状态下的模拟温度场，进而进行应力分析得到试验转速。由于同时采用了热电偶测温和红外测温，可以得到更多的温度试验数据，且明确加热区与传热区的界限，使叶身区域温度场模拟精度更高，且红外测温数据对传热分析中温度梯度模拟的指导性较强，试验转速的计算结果更准确。并且，还基于有限元仿真技术进行了转子变形分析，得到了叶片尖端因旋转状态产生的径向变形值，考虑了转子旋转后转子变形引起的加热效果差别，有利于提高转子温度场标定结果的准确度。最后，基于该径向变形值调整加热线圈到叶片尖端的距离，采用温度标定得到的加热功率对转子进行叶片加热，并以应力分析得到的试验转速进行叶片疲劳试验，从加热线圈的结构设计、加热功率和试验转速三个方面对叶片疲劳试验的转子温度场进行了修正，大大提升了叶片疲劳试验的准确性和可靠性。

可以理解，所述步骤S1具体为：

根据航空发动机叶片疲劳试验的温度要求，不断调节加热线圈与叶片尖端的径向距离和其加热功率，当叶片考核部位达到目标温度并在预设时间内保持稳定时，记录此时的径向距离和加热功率，且在调节加热线圈与叶片尖端的径向距离和加热功率时，需保证叶片尖端的加热区与叶片考核部位的距离在5mm以上。

其中，叶片疲劳试验的温度要求指的是叶片考核部位是否达到目标温度且保持稳定。如图2所示，所述加热线圈由束磁装置和感应铜管组成，为了可以灵活调节感应铜管与被加热叶片之间的径向距离，所述加热线圈采用非环状感应加热结构。另外，感应铜管的宽度H尽量控制与叶片尖端的宽度一致，以确保对叶片加热的均匀性。在不断调节加热线圈与叶片尖端的径向距离和其加热功率的过程中，需要确保叶片尖端的加热区与叶片考核部位之间的距离在5mm以上，原因在于对叶片考核部位的温度控制要求较高，温度变化一般需要控制在10℃以内，而如果叶片考核部位在加热区或者靠近加热区，则叶片考核部位的温度难以控制。另外，由于叶片考核部位主要是通过叶片尖端感应加热后通过叶身的热传导使得叶片考核部位的温度达到目标温度，因此，叶片尖端的加热区不应离叶片考核部位过远，否则需要较高的加热功率。在此基础上，优先选择加热线圈的加热功率在24kw以下，在此功率下温度控制的稳定性较高。当叶片考核部位达到目标温度并在预设时间内保持稳定时，例如稳定15min，记录此时的径向距离d1和加热功率W。

然后，按照步骤S1得到的加热线圈的尺寸进行结构设计，现有的温度标定方案通常是直接采用该结构尺寸作为叶片疲劳试验用的加热线圈结构设计，忽略了试验转子旋转状态和静止状态下加热效果的偏差，从而导致叶片疲劳试验的准确性、有效性较差。而在本发明中，在接下来的步骤中需要对加热线圈的结构、加热功率进行优化调整以修正转子温度场。

可以理解，所述步骤S2具体为：

从叶片顶部至叶片考核部位之间的叶身区域沿径向方向布置至少三排热电偶测点，每排热电偶测点至少包括两个热电偶测点，其中一个热电偶测点靠近叶片前缘设置，一个热电偶测点靠近叶片尾缘设置，叶身的第一排热电偶测点距离叶片尖端的径向距离为2mm，叶身的第二排热电偶测点位于加热区和非加热区的交界处附近的预设距离范围内，叶身的最后一排热电偶测点位于叶片根部径向截面，并在叶片考核部位所在截面设置一排热电偶测点，在轮盘的每个榫槽侧面设置一个热电偶测点，在轮盘辐板和轮心上分别设置至少一个热电偶测点；

在叶片考核部位所在的径向截面上沿径向方向上移2mm和下移2mm的范围内分别布置一排红外测点，每排红外测点至少包括一个靠近叶片前缘设置的测点和一个靠近叶片尾缘设置的测点。

如图3所示，首先对叶片和轮盘的关注区域焊接热电偶进行测温，热电偶测点布置方案为：从叶片顶部至叶片考核部位之间的叶身区域沿径向方向布置至少三排热电偶测点，且每排热电偶测点至少包括两个热电偶测点，由于受热电偶焊接空间限制，其中一个热电偶测点靠近叶片前缘设置，一个热电偶测点靠近叶片尾缘设置。具体地，叶身的第一排热电偶测点应在焊接条件允许的前提下尽量靠近叶片尖部，但是不能选择叶片尖部作为焊接热电偶的位置，因为，热电偶焊接在叶片尖端时离加热线圈过近，易干扰加热线圈加热叶片的效果，因此，作为优选的，第一排热电偶测点距离叶片尖端的径向距离为2mm。叶身的第二排热电偶测点位于加热区和非加热区的交界处附近的预设距离范围内，例如设置在距离加热区和非加热区的交界处1mm的位置处，或者设置在加热区和非加热区的交界处。而叶身上布置的最后一排热电偶测点应尽量靠近叶片考核部位所在的叶片径向截面，对于高温涡轮叶片低循环疲劳考核，通常考核的是叶片伸根靠近缘板处，所以叶身最后一排热电偶测点通常在叶根部位。此外，在叶片考核部位截面需设置一排测点，通常为两个测点，其中一个测点为叶片考核位置点或对应径向外表面，在轮盘的每个榫槽侧面设置一个热电偶测点，轮盘榫槽的热电偶测点温度可等效为等径向截面叶片温度，轮盘榫槽上测得的温度即为叶片的最低温度和轮盘的最高温度。另外，在轮盘辐板和轮心上分别设置至少一个热电偶测点。

而红外测点的布置方案为：在叶片考核部位所在的径向截面上沿径向方向上移2mm和下移2mm的范围内分别布置一排红外测点，每排红外测点至少包括一个靠近叶片前缘设置的测点和一个靠近叶片尾缘设置的测点，通常，叶片低循环疲劳的叶片考核部位在叶片缘板以下，此时叶片考核部位的径向上方测点可选择对叶片缘板侧面进行红外测温，而径向下方测点可选择对叶片伸根进行红外测温。另外，在叶片考核部位所在的径向截面的中间区域还可以设置红外测点，以获得更多的叶片考核部位所在径向截面的温度数据。

可以理解，本发明通过热电偶测点和红外测温相结合，可以获得叶片考核部位附近区域温度测试数据，以此作为该区域传热分析的重要依据，当热电偶测试数据与红外测试数据规律不一致时，以热电偶测温数据为准，红外测温数据作为传热分析中叶片温度场模拟的参考。另外，轮盘除了需在榫槽至少布置两个热电偶测点，还在轮盘辐板设置至少一个热电偶测点，在轮心设置至少一个热电偶测点，由于叶片疲劳试验仅真实模拟了叶片及榫槽附近温度场分布，而轮盘的轮心温度由于与发动机装配差异，叶片疲劳试验时轮心温度要远低于发动机工作状态时的温度，因此，通过对轮心的温度进行测量，进一步提高了轮盘温度场模拟的准确度。因此，本发明的测点布局方案在叶片有限的热电偶测点布置空间内，用较少的热电偶测点标定了叶片复杂的温度场分布，方案设计合理，等截面内采用两端布置热电偶测点、中间布置测温测点的方式，充分利用了叶片空间进行测点布置。并且，采用加热区与传热区分区测温的方式，有效的提高了叶身区域温度监测，对后续传热分析指导性较强，同时采用叶根布热电偶测点监测叶片考核部位上侧(径向往上)温度，采用叶片榫头段用榫槽焊接热电偶等效的方式模拟叶片榫头温度，以监测叶片考核部位下侧(径向往下)温度，并采用红外测温对中间区域温度监测，对传热分析中叶片考核部位温度梯度模拟指导性较强，有利于试验转速的准确计算。

可以理解，由于红外测温受材料、温度的影响较大，其测量结果的准确度较差，因此，需要对红外测温仪进行温度校准。因此，所述步骤S3还需对红外测点的温度测量值进行修正，修正值通过以下内容得到：

采用温度标定用的加热线圈对叶片和轮盘的装配件进行感应加热，并进行叶片考核指标调试以得到叶片考核部位温度达标时的加热功率、叶片的最高温度和最低温度，然后，分别针对叶片和轮盘上的某一点同时采用热电偶和红外进行测温，分别得到在叶片的最低温度到最高温度的范围内的多个温度值下以及在轮盘的最低温度到最高温度的范围内的多个温度值下，红外测温结果相对于热电偶测温结果的差值，从而分别得到叶片上和轮盘上的红外测温相对于热电偶测温在不同温度值下的对应修正值。

具体地，首先在叶片尖端焊接一个热电偶测点，其测得的温度为T1，在叶片考核部位焊接一个热电偶，其测得的温度为T2，在轮盘的第一个榫槽侧面焊接一个热电偶测点，其测得的温度为T3。然后，用温度标定用的加热线圈结构对叶片和轮盘的装配件进行感应加热，加热功率首先瞬加至50％W，即步骤S1得到的加热线圈的加热功率W的一半，稳定5分钟。若叶片考核部位的温度未达到目标温度，则继续增加加热功率10％W，稳定5分钟，重复操作，直至当叶片考核部位的温度离目标温度小于50摄氏度，再缩短加热功率的增量为0.5kw，并保持此加热功率稳定15分钟，重复操作，直至叶片考核部位的温度达到目标温度，并且温度稳定30分钟，记录此时的加热功率W1、温度T1和温度T3。由此可见，叶片考核指标调试可预估试验状态下叶片的温度范围和轮盘的温度范围，其中，温度T1则代表着叶片的最高温度，温度T3则代表着叶片的最低温度，同时也是轮盘的最高温度，而轮盘的最低温度通常会大于室温20℃。因此，叶片的红外测温校准温度范围是从温度T3至温度T1，以每50℃记录一个校准值，而轮盘的红外测温校准温度范围从室温20℃至温度T3，以每100℃记录一个校准值。当然，校准值的记录间隔也可以分割的更加细致，例如每10℃记录一个校准值，或者每15℃记录一个校准值，这个预设间隔区间越短，校准精度越高。

然后在叶片和轮盘上分别选择一个固定点同时采用热电偶和红外进行测温，从而得到在叶片的最低温度到最高温度范围内的多个温度值下，红外测量结果与热电偶测量结果的差值，从而得到叶片上的红外测温相对于热电偶测温在不同温度下的修正值，同时，得到在轮盘的最低温度到最高温度范围内的多个温度值下，红外测量结果与热电偶测量结果的差值，从而得到轮盘上的红外测温相对于热电偶测温在不同温度下的修正值。

可以理解，本发明通过分别对叶片上的红外测温和轮盘上的红外测温进行分开校准，并且考虑了叶片和轮盘各自的最低温度到最高温度范围内的多个温度值，同时考虑到了影响红外测温精准度的材料因素和温度因素，确保了红外测温校准的精准度，为后续的温度场模拟提供了精准的数据，确保了温度模拟的准确度。

另外，目前通过电磁感应方式加热叶片的过程中，叶片尖端附近区域包括叶身局部受电磁感应加热，温度场分布十分复杂，而离叶片尖端较远的叶身区域和缘板、伸根区域主要通过叶片加热区的热传导实现升温。在现有的技术方案中，是通过热电偶在叶身等径向间距布置温度测点，温度标定未对加热区域和传热区域做详细区分，同时由于中小型发动机的高温涡轮叶片尺寸较小，可用于焊接热电偶的位置有限，得到的温度标定数据较少，导致温度标定结果对后续的传热分析指导性不强，给传热分析和试验转速计算带来较大误差。而在本发明中则对叶片加热区和传热区进行了分区，所述加热区和非加热区(即传热区)的交界位置基于以下过程得到：

首先，在径向距离叶片尖端的4mm处开始划线以标记叶身等截面线，往叶根方向每间隔2mm画一道标记线，直至径向距离叶片尖端16mm处，此范围已经基本涵盖了叶片尖端电磁感应加热所能覆盖的加热范围。当完成叶片考核指标调试后保持加热功率不变，用红外测温仪沿标记线进行红外测温，测试顺序由叶片尖端往叶根方向依次选择标记线，且每根标记线从进气方向往排气方向均匀扫描至少5个测点，记录各个测点的温度数据。若当前选择的标记线中各测点之间的温度差异超过阈值，例如温度变化超过10℃，则往叶根方向再移动一根标记线进行温度测量，直至某一标记线中各测点之间的温度变化不超过10℃时，则记录该标记线与叶片尖端的距离D，该标记线所处截面即为加热区和传热区的边界处。因此，本发明对叶片进行了加热区和传热区的区分，以便于后续针对加热区和传热区进行分区测温，对于后续传热分析的指导性较强，叶片温度场模拟的准确度更高。

可以理解，在温度测点布置方案确定后，则对整圈叶片和轮盘的温度进行标定。所述步骤S3具体为：

用温度标定用加热线圈结构进行叶片、轮盘装配件感应加热，加热功率首先瞬加至10％W1，W1为叶片考核指标调试过程得到的加热功率，稳定5分钟，检查各热电偶测点的温度数据是否正常，若数据通道异常则停止加热并检查热电偶测点，若无异常继续进行下一步。加热功率瞬加至50％W1，并稳定5分钟，若叶片考核部位的温度未达到目标温度，继续增加加热功率10％W1，稳定5分钟，重复操作，直至当叶片考核部位的温度离目标温度小于50℃。然后，缩短加热功率的增量为0.5kw，保持此加热功率稳定15分钟，重复操作，直至叶片考核部位的温度达到目标温度，并保持稳定30分钟。由于叶片升温较快，而叶片与轮盘的热传导较慢，若在30分钟内叶片考核部位的温度低于目标温度时，则继续增加加热功率，并稳定30分钟，通常需要进行数次增加，当叶片考核部位的温度在加热功率恒定的情况下，稳定(例如温度波动不超过5℃)30分钟后，则认为此温度场为有效温度场。记录此时的加热功率W2，并记录各热电偶测点及各红外测点的温度数据。

所述步骤S4中对叶片和轮盘进行分区传热分析的目的之一在于通过分析确定旋转转子与非旋转转子在加热线圈加热下的变形差别，进而通过调整加热线圈的结构修正转子温度场；目的之二是基于传热分析求得的温度场，进行叶片、轮盘在该温度场下加转速的应力分析，从而求得试验转速。在现有技术方案中，未区分温度标定用与试验用的加热线圈结构，导致温度标定的结果并不能很好地代表试验状态转子的温度场，且由于热电偶测点径向跨度大，同一径向截面仅焊接了一个热电偶测点，叶身的温度测点无法指导叶身传热分析，故仅采用单一热传导率控制整个叶片温度以对标叶片考核部位测得的温度标定结果，导致仿真的叶片尖端最高温度超过实际温度200℃以上。同时，单一热传导率分析得到的叶片考核部位附近温度梯度模拟较差，降低了试验转速计算的精度，而且，轮心未布置测点，然而叶片疲劳试验温度场与叶片在整机上工作时温度差异最大的区域正是轮盘辐板至轮心处的温度分布，由此导致了明显的传热分析误差。因此，所述步骤S4中在对叶片的加热区和传热区进行传热分析时采用不同的热传导率。本发明的加热区传热分析与常规传热仿真分析不同的是，由于加热区受电磁感应加热影响，区间温度分步不规律，研究发现，加热区温度梯度在200摄氏度范围内。所述加热区的热传导率具体通过以下内容得到：

在传热仿真分析中，采用叶身的第一排热电偶测点得到的最高温度作为热源加载至叶片尖端，设置加热区为单一热传导率，逐步调节热传导率的大小直至叶身的第二排热电偶测点所在位置的温度与测试温度一致。

而所述传热区的热传导率通过以下过程得到：

在传热分析中，将传热区沿径向方向划分为多个分区，每个分区根据叶片材料真实热传导率调整径向方向上的热传导率，其中，从叶身的第二排热电偶测点至叶身的最后一排热电偶测点的区域作为一个分区，从叶身的最后一排热电偶测点到叶片考核部位所在截面的一排热电偶测点作为一个分区，从叶片考核部位的一排热电偶测点到轮盘榫槽的热电偶测点的区域作为另一个分区，其中叶片考核部位所在径向截面的上下分区进行径向热传导率调整时可以参考叶片考核部位所在径向截面的径向上下2mm内的两排红外测点的测试数据。

另外，所述步骤S4中在对轮盘进行传热分析时，以轮盘榫槽上的热电偶测点测得的最高温度作为轮盘最高温度，从轮盘榫槽至轮盘辐板上热电偶测点的范围内设置径向单一热传导率以对标轮盘辐板上热电偶测点的测试温度，从轮盘辐板上的热电偶测点至轮心上的热电偶测点的范围内再设置径向单一热传导率以对标轮心上热电偶测点的测试温度。

可以理解，本发明的分区传热分析，在有限的温度标定测试数据下，一方面对标加热区的最高温度，不至于引起叶片尖端高温失真而影响后续试验用加热线圈结构的准确性和试验转速计算的准确性，另一方面采用传热区分区微调径向热传导率，可以准确模拟叶身传热区域、叶片考核区域附件的温度梯度，准确的温度梯度能在试验转速计算中较好模拟叶片温度应力，有利于提高试验转速计算的精准度。对轮盘进行传热分析时，对标榫槽、辐板、轮心三测点的温度，很好地考虑了轮盘温度不宜过高而失效，且考虑了在此试验特点下轮心的温度模拟，避免了轮心温度模拟较差导致的变形分析结果不准确的问题。

可以理解，在所述步骤S5中，由于步骤S4中得到了准确的模拟温度场数据，故而通过应力分析得到的转速值较为精准。

可以理解，所述步骤S6中基于叶片和轮盘在试验状态下的模拟温度场进行转子变形有限元仿真分析时需要保留材料数据中不同温度的弹性模量，并将材料的线膨胀系数设置为0，以及假设温度不会引起结构的变形。

具体地，所述步骤S6需要进行去热膨胀效应的变形分析，该步骤通过分析确定旋转转子与非旋转转子在加热线圈加热下的变形差别，进而通过调整加热线圈结构修正转子温度场。常规的转子变形分析首先需输入材料属性，如不同温度下的弹性模量、线膨胀系数、密度等，然后建立有限元模型，施加温度载荷和转速，并在相应位置进行约束。而对于本专利中静止状态的温度标定，其已计入了热膨胀效应引起的变形，而对于由旋转引起的转子变形则需要通过有限元变形仿真实现，不同之处在于，其一，需要保留材料数据中不同温度的弹性模量，因为温度变化对弹性模量的影响会影响到转子旋转变形的结果；其二，需要将材料的线膨胀系数设置为0，并假设温度不会引起结构的变形。基于此设定的有限元仿真分析最终可以获得无热膨胀效应的转子变形结果，通过进行去热膨胀效应的变形分析可以获得转子叶片尖端因旋转产生的径向变形值d2。

在所述步骤S7中，如图4所示，将加热线圈到叶片尖端的径向距离从d1调整为d1+d2，将转子叶片尖端因旋转产生的径向变形考虑进去了，准确地修正了转子温度场。然后，采用步骤S3中进行温度标定得到的加热功率W2以及步骤S5中通过应力分析得到的试验转速进行叶片疲劳试验，大幅提升了叶片疲劳试验的准确性和可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：进行叶片加热效果调试以确定温度标定用的加热线圈的尺寸、加热功率和其到叶片尖端的距离；

步骤S2：采用热电偶测温结合红外测温的方式进行温度测点布置；

步骤S3：采用温度标定用的加热线圈对叶片和轮盘的装配件进行温度标定，当叶片考核部位在加热线圈的加热功率恒定的情况下保持温度稳定时，记录此时的加热功率、各热电偶测点和各红外测点的温度测量值；

步骤S4：基于各热电偶测点和各红外测点的温度测量值进行分区传热分析以得到叶片和轮盘在试验状态下的模拟温度场；

步骤S5：基于叶片和轮盘在试验状态下的模拟温度场进行叶片、轮盘应力分析，通过调整应力分析中的转速值，使得叶片考核部位的应力水平与工作状态下的应力水平相同，此时的转速值作为叶片疲劳试验的试验转速；

步骤S6：基于叶片和轮盘在试验状态下的模拟温度场进行转子变形有限元仿真分析，得到旋转状态下的转子和非旋转状态下的转子在加热线圈加热下的变形差别，以得到叶片尖端因旋转状态产生的径向变形值；

步骤S7：基于该径向变形值调整加热线圈到叶片尖端的距离，并采用温度标定得到的加热功率对转子进行叶片加热，并以应力分析得到的试验转速进行叶片疲劳试验。

2.如权利要求1所述的航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

根据航空发动机叶片疲劳试验的温度要求，不断调节加热线圈与叶片尖端的径向距离和其加热功率，当叶片考核部位达到目标温度并在预设时间内保持稳定时，记录此时的径向距离和加热功率，且在调节加热线圈与叶片尖端的径向距离和加热功率时，需保证叶片尖端的加热区与叶片考核部位的距离在5mm以上。

3.如权利要求1所述的航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

从叶片顶部至叶片考核部位之间的叶身区域沿径向方向布置至少三排热电偶测点，每排热电偶测点至少包括两个测点，其中一个测点靠近叶片前缘设置，一个测点靠近叶片尾缘设置，叶身的第一排热电偶测点距离叶片尖端的径向距离为2mm，叶身的第二排热电偶测点位于加热区和非加热区的交界处附近的预设距离范围内，叶身的最后一排热电偶测点位于叶片根部径向截面，并在叶片考核部位所在截面布置一排热电偶测点，在轮盘的每个榫槽侧面设置一个热电偶测点，在轮盘辐板和轮心上分别设置至少一个热电偶测点；

在叶片考核部位所在的径向截面上沿径向方向上移2mm和下移2mm的范围内分别布置一排红外测点，每排红外测点至少包括一个靠近叶片前缘设置的测点和一个靠近叶片尾缘设置的测点。

4.如权利要求3所述的航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，其特征在于，所述步骤S3还需对红外测点的温度测量值进行修正，修正值通过以下内容得到：

采用温度标定用的加热线圈对叶片和轮盘的装配件进行感应加热，并进行叶片考核指标调试以得到叶片考核部位温度达标时的加热功率、叶片的最高温度和最低温度，然后，分别针对叶片和轮盘上的某一点同时采用热电偶和红外进行测温，分别得到在叶片的最低温度到最高温度的范围内的多个温度值下以及在轮盘的最低温度到最高温度的范围内的多个温度值下，红外测温结果相对于热电偶测温结果的差值，从而分别得到叶片上和轮盘上的红外测温相对于热电偶测温在不同温度值下的对应修正值。

5.如权利要求4所述的航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，其特征在于，所述加热区和非加热区的交界位置基于以下内容得到：

在径向距离叶片尖端的4mm处开始划线以标记叶身等截面线，往叶根方向每间隔2mm画一道标记线，直至径向距离叶片尖端16mm处，当完成叶片考核指标调试后保持加热功率不变，用红外测温仪沿标记线进行红外测温，测试顺序由叶片尖端往叶根方向依次选择标记线，且每根标记线从进气方向往排气方向均匀扫描至少5个测点，记录各个测点的温度数据，若当前选择的标记线中各测点之间的温度差异超过阈值，则往叶根方向再移动一根标记线进行温度测量，直至某一标记线中各测点之间的温度变化不超过阈值时，则记录该标记线与叶片尖端的距离，该标记线所处截面即为叶片的加热区和传热区的边界。

6.如权利要求3所述的航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，其特征在于，所述步骤S4中在对叶片的加热区和传热区以及轮盘进行传热分析时采用不同的热传导率。

7.如权利要求6所述的航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，其特征在于，加热区的热传导率通过以下内容得到：

在传热分析中，采用叶身的第一排热电偶测点得到的最高温度作为热源加载至叶片尖端，设置加热区为单一热传导率，逐步调节热传导率的大小直至叶身的第二排热电偶测点所在位置的温度与测试温度一致。

8.如权利要求6所述的航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，其特征在于，传热区的热传导率通过以下内容得到：

在传热分析中，将传热区沿径向方向划分为多个分区，每个分区根据叶片材料真实热传导率调整径向方向上的热传导率，其中，从叶身的第二排热电偶测点至叶身的最后一排热电偶测点的区域作为一个分区，从叶身的最后一排热电偶测点到叶片考核部位所在截面的一排热电偶测点作为一个分区，从叶片考核部位的一排热电偶测点到轮盘榫槽的热电偶测点的区域作为另一个分区。

9.如权利要求6所述的航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，其特征在于，所述步骤S4中在对轮盘进行传热分析时，以轮盘榫槽上的热电偶测点测得的最高温度作为轮盘最高温度，从轮盘榫槽至轮盘辐板上热电偶测点的范围内设置径向单一热传导率以对标轮盘辐板上热电偶测点的测试温度，从轮盘辐板上的热电偶测点至轮心上的热电偶测点的范围内再设置一个径向单一热传导率以对标轮心上热电偶测点的测试温度。

10.如权利要求1所述的航空发动机叶片疲劳试验中对转子温度场进行修正的方法，其特征在于，所述步骤S6中基于叶片和轮盘在试验状态下的模拟温度场进行转子变形有限元仿真分析时需要保留材料数据中不同温度的弹性模量，并将材料的线膨胀系数设置为0，以及假设温度不会引起结构的变形。

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