CN114861356A - 一种单晶涡轮叶片扰流柱部位热机械疲劳模拟件设计方法 - Google Patents

一种单晶涡轮叶片扰流柱部位热机械疲劳模拟件设计方法 Download PDF

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胡殿印
李明睿
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Abstract

本发明涉及一种单晶涡轮叶片扰流柱部位热机械疲劳模拟件设计方法，步骤为：(1)基于外场服役、试车试验或有限元仿真确定单晶涡轮叶片最危险的扰流柱；(2)针对最危险的扰流柱，提取形状、尺寸特征参数，如扰流柱直径、倒角大小、壁厚等；(3)在保证危险部位几何相同/相似的条件下，初步设计模拟件形状；(4)通过调整、优化模拟件的尺寸，使得模拟件危险部位最大Schmid应力幅值在危险路径方向临界距离范围内与真实叶片扰流柱危险部位一致；(5)模拟件加工工艺与真实涡轮叶片相同，其微观组织与考核部位尽量保持一致，考虑到叶片第二晶向不确定性的，模拟件应涵盖至少6种不同第二晶向，最大与最小第二晶向之差不小于40°。

Description

一种单晶涡轮叶片扰流柱部位热机械疲劳模拟件设计方法
技术领域
本发明属于航空航天发动机技术领域，具体涉及一种单晶涡轮叶片扰流柱部位热机械疲劳模拟件设计方法。
背景技术
涡轮叶片是航空发动机的关键安全件，在服役过程中承受着复杂交变的力载荷和温度载荷，制约着航空发动机的使用寿命。在过去的几十年中，涡轮进口的燃气温度提高了近500℃，采用带有扰流柱的冷却结构，是提高涡轮前温度重要的冷却手段之一。通过对扰流柱的尺寸、布局方式设计，可以增大对流换热面积，增强湍流度，强化横流换热。扰流柱在换热过程中，温度和热应力都经历着交替的变化，叠加离心力和气动力的影响，使其成为涡轮叶片的危险部位之一。因此，有必要对扰流柱部位的热机械疲劳性能进行分析。但采用真实叶片试验成本高昂，且缺少扰流柱部位的模拟件设计方法，因此需要提出相应模拟件设计方法。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种单晶涡轮叶片扰流柱部位热机械疲劳模拟件设计方法，在反映真实扰流柱部位的几何形状、加工工艺和微观组织的情况下，进一步实现真实扰流柱部位最大Schmid应力幅值等效，服务与支撑航空发动机涡轮叶片模拟件设计。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种单晶涡轮叶片扰流柱部位热机械疲劳模拟件设计方法，以涡轮叶片扰流柱部位为模拟部分，实现模拟件与真实部位几何相同/相似，加工工艺和微观组织一致，最大Schmid应力幅值在临界距离范围内等效，实现步骤如下：
步骤(1)：基于外场服役、试车试验或有限元仿真确定单晶涡轮叶片最危险的扰流柱；
步骤(2)：针对最危险的扰流柱，提取形状、尺寸特征参数，所述尺寸特征参数包括扰流柱直径、扰流柱与叶片尾缘壁连接处的倒角尺寸和叶片尾缘壁的厚度；
步骤(3)：在保证危险部位几何相同/相似的条件下，依据涡轮叶片扰流柱部位尺寸，初步设计模拟件形状；
步骤(4)：通过调整、优化模拟件的尺寸，使得模拟件危险部位最大Schmid应力幅值在危险路径方向临界距离范围内与真实叶片扰流柱危险部位一致；
步骤(5)：模拟件加工工艺与真实涡轮叶片相同，其微观组织与考核部位尽量保持一致，考虑到叶片第二晶向不确定性的，模拟件应涵盖至少6种不同第二晶向，其中最大与最小第二晶向之差不小于40°。
进一步地，所述步骤(2)的尺寸特征参数和步骤(3)的涡轮叶片扰流柱部位尺寸的确定是通过对单晶涡轮叶片尺寸参数进行分析确定的。
进一步地，所述步骤(4)中，模拟件最大Schmid应力幅值与真实结构最大Schmid应力幅值分布在临界距离内最大误差不大于5％。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明在现有模拟件设计方法的基础上，提出了一种单晶涡轮叶片扰流柱部位热机械疲劳模拟件设计方法，在反映真实扰流柱部位的几何形状、加工工艺和微观组织的情况下，进一步实现真实扰流柱部位最大Schmid应力幅值等效，服务与支撑航空发动机涡轮叶片模拟件设计。目前相关技术未见报道，本发明弥补了相关研究不足。
附图说明
图1为本发明的一种单晶涡轮叶片扰流柱部位热机械疲劳模拟件设计方法实施流程图；
图2为本发明假定的最危险的扰流柱；
图3为本发明的涡轮叶片扰流柱部位模拟件初步构型。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合附图，对本发明一种单晶涡轮叶片扰流柱部位热机械疲劳模拟件设计方法技术方案做进一步说明。
如图1所示，本发明涉及一种单晶涡轮叶片扰流柱部位热机械疲劳模拟件设计方法，实现步骤如下：
第一步，基于外场服役、试车试验或有限元仿真确定单晶涡轮叶片最危险的扰流柱。根据涡轮叶片服役过程中或试车试验过程中，初始裂纹萌生的扰流柱或断裂发生的扰流柱，确定该扰流柱为最危险的扰流柱。或者通过有限元仿真，观察等效应力最大的扰流柱，确定该扰流柱为最危险的扰流柱。本发明假定的最危险的扰流柱如图2所示。
第二步，针对最危险的扰流柱，提取形状、尺寸特征参数。确定图2中最危险的扰流柱之后，扰流柱的特征为圆柱形，提取扰流柱直径、扰流柱与叶片尾缘壁连接处的倒角尺寸和叶片尾缘壁的厚度。
第三步，在保证危险部位几何相同/相似的条件下，初步设计模拟件形状。基于第二步获得的扰流柱直径、叶片尾缘壁的厚度、扰流柱的特征和倒角尺寸，设计模拟件，如图3所示。由于叶片尾缘壁曲率较大，且扰流柱尺寸较小，扰流柱附近的尾缘壁近似为平面，因此模拟件的初始设计为带圆柱的平板(图3)，其中，平板的厚度与最危险扰流柱处叶片尾缘壁的厚度相同，圆柱直径与扰流柱直径相同，圆柱和平板连接处的倒角与扰流柱和叶片尾缘壁连接处的倒角尺寸相同。
第四步：通过调整、优化模拟件的尺寸，使得模拟件危险部位最大Schmid应力幅值在危险路径方向临界距离范围内与真实叶片扰流柱危险部位一致。在保证模拟件圆柱直径、平板的厚度、圆柱的倒角尺寸不变的情况下，调整、优化圆柱在平板中的位置、平板的形状、加载的位置，如当单晶涡轮叶片扰流柱倒角处的应力梯度较大时，调整模拟件圆柱和加载的位置无法实现圆柱倒角处的应力梯度与叶片扰流柱倒角处的应力梯度一致，在圆柱附近平板的边缘处增加圆弧，提高圆柱倒角处的应力梯度，进一步调整圆弧的半径和深度，保证模拟件圆柱倒角处的应力梯度与叶片扰流柱倒角处的应力梯度一致。首先，将最危险扰流柱的裂纹路径或通过有限元仿真计算得到的最大Schmid应力路径定为危险路径，通过有限元仿真提取危险路径上节点的坐标和Schmid应力。接着，通过有限元仿真提取模拟件危险路径上节点的坐标和Schmid应力。对比模拟件和真实叶片危险路径上的Schmid应力，若在临界距离内最大误差不大于5％，不调整模拟件尺寸；若在临界距离内最大误差大于5％，调整、优化模拟件尺寸，再次进行有限元仿真，提取Schmid应力，与真实叶片的Schmid应力对比分析。
第五步，模拟件加工工艺与真实涡轮叶片相同，其微观组织与考核部位尽量保持一致，考虑到叶片第二晶向不确定性的，模拟件应涵盖至少6种不同第二晶向，其中最大与最小第二晶向之差不小于40°。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种单晶涡轮叶片扰流柱部位热机械疲劳模拟件设计方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤(1)：基于外场服役、试车试验或有限元仿真确定单晶涡轮叶片最危险的扰流柱；
步骤(2)：针对最危险的扰流柱，提取形状、尺寸特征参数，所述尺寸特征参数包括扰流柱直径、扰流柱与叶片尾缘壁连接处的倒角尺寸和叶片尾缘壁的厚度；
步骤(3)：在保证危险部位几何相同/相似的条件下，依据涡轮叶片扰流柱部位尺寸，初步设计模拟件形状；
步骤(4)：通过调整、优化模拟件的尺寸，使得模拟件危险部位最大Schmid应力幅值在危险路径方向临界距离范围内与真实叶片扰流柱危险部位一致；
步骤(5)：模拟件加工工艺与真实涡轮叶片相同，其微观组织与考核部位尽量保持一致，考虑到叶片第二晶向不确定性的，模拟件应涵盖至少6种不同第二晶向，其中最大与最小第二晶向之差不小于40°。
2.根据权利要求1所述的一种单晶涡轮叶片扰流柱部位热机械疲劳模拟件设计方法，其特征在于：所述步骤(2)的尺寸特征参数和步骤(3)中涡轮叶片扰流柱部位尺寸的确定是通过对单晶涡轮叶片尺寸参数进行分析确定的。
3.根据权利要求1所述的一种单晶涡轮叶片扰流柱部位热机械疲劳模拟件设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，模拟件最大Schmid应力幅值与真实结构最大Schmid应力幅值分布在临界距离内最大误差不大于5％。
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