CN114863783B - 一种涡轮叶片前缘模拟件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮叶片前缘模拟件，该涡轮叶片前缘模拟件被配置为安装在试验机中进行预定模拟试验，包括构件主体、主流通道、前缘通道、气膜孔组。其中，构件主体，包括试验段、设置于试验段两侧的第一连接端和第二连接端，其中第一连接端和第二连接端分别被配置为可拆卸连接在试验机中；主流通道，沿构件主体的轴向贯通设置于构件主体内部，主流通道被配置为通入冷却气体；前缘通道，设置于构件主体内部，并且前缘通道的两端与主流通道连通；气膜孔组，设置于构件主体内部，被配置为将前缘通道与外界连通。

Description

一种涡轮叶片前缘模拟件

技术领域

本发明属于热工机械设备试验技术领域，具体涉及一种涡轮叶片前缘模拟件。

背景技术

涡轮叶片长期处在高温燃气中，同时还受到离心载荷和气动载荷的作用，容易发生断裂、烧蚀等损伤，威胁燃气轮机的安全运行，是燃机的寿命关键部件。需要在正式投产前对涡轮叶片的重点考核部位(如涡轮叶片前缘部位)进行叶片拉伸/疲劳/蠕变等模拟试验。

相关技术中，通常采用真实叶片进行模拟试验，不仅因此试验难度大、成本高、周期长，而对于重型燃气轮机这样的大型涡轮叶片，进行真实叶片在模拟环境下的试验实现难度更大，并且因为真实叶片的不同考核部位的受到的载荷特性不同，若直接采用真实叶片进行试验，很难得到对某一重点考核部位的有针对性的测试结果，试验结果可参考性不强。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种涡轮叶片前缘模拟件，以至少部分解决上述技术问题。

上述涡轮叶片前缘模拟件被配置为安装在试验机中进行预定模拟试验，包括构件主体、主流通道、前缘通道、气膜孔组。

其中，构件主体，包括试验段、设置于试验段两侧的第一连接端和第二连接端，其中第一连接端和第二连接端分别被配置为可拆卸连接在试验机中；

主流通道，沿构件主体的轴向贯通设置于构件主体内部，主流通道被配置为通入冷却气体；

前缘通道，设置于构件主体内部，并且前缘通道的两端与主流通道连通；

气膜孔组，设置于构件主体内部，被配置为将前缘通道与外界连通。

根据本发明的实施例，其中，前缘通道包括第一前缘通道和第二前缘通道，第一前缘通道和第二前缘通道对称或反对称分布在主流通道两侧；

气膜孔组包括第一气膜孔组和第二气膜孔组，第一气膜孔组和第二气膜孔组对称或反对称分布在主流通道两侧，其中第一气膜孔组被配置为将第一前缘通道与外界连通，第二气膜孔组被配置为将第二前缘通道与外界连通。

根据本发明的实施例，其中，主流通道的两端端口被配置为通入冷却气体；第一气膜孔组和第二气膜孔组被配置为流出冷却气体。

根据本发明的实施例，其中，第一气膜孔组和第二气膜孔组采用圆柱形通孔；第一气膜孔组中每个气膜孔的中心轴线与主流通道的中心轴线之间的夹角范围为：0°-80°；第二气膜孔组中每个气膜孔的中心轴线与主流通道的中心轴线之间的夹角范围为：0°-80°。

根据本发明的实施例，其中：

主流通道以第一预定截面为分界面，分为第一通道部和第二通道部，其中第一预定截面为主流通道的中心轴线所在的平面；

试验段以第一预定截面为分界面，分为第一组成部和第二组成部；

其中，第一组成部、第一通道部、第一前缘通道形成第一结构单元，第二组成部、第二通道部、第二前缘通道形成第二结构单元，第一结构单元和第二结构单元以第一预定截面为参考面，对称或反对称分布在第一预定截面两侧。

根据本发明的实施例，其中，第一组成部包括第一前缘部和第一筋板；第二组成部包括第二前缘部和第二筋板。

根据本发明的实施例，还包括第一过渡段和第二过渡段。

其中，第一过渡段，被配置为连接试验段和第一连接端；

第二过渡段，被配置为连接试验段和第二连接端。

根据本发明的实施例，其中，第一过渡段设有两个夹持平面；第二过渡段设有两个夹持平面。

根据本发明的实施例，其中，构件主体设有涂层区，涂层区表面被覆盖有热障涂层。

根据本发明的实施例，其中，涂层区至少覆盖试验段外表面。

附图说明

图1是根据本发明实施例的涡轮叶片前缘模拟件的结构主视图；

图2是根据本发明实施例的图1中涡轮叶片前缘模拟件的结构右视图；

图3是根据本发明实施例的涡轮叶片前缘模拟件的内部气流通道结构示意图；

图4是根据本发明实施例的涡轮叶片前缘模拟件的内部气流通道中的气体流向示意图；

图5是根据本发明实施例的图1中涡轮叶片前缘模拟件在A截面处的剖视图；

图6是被模拟的真实涡轮叶片的结构示意图；

图7是根据本发明实施例的涡轮叶片前缘模拟件表面的涂层区的覆盖范围示意图。

附图标记说明：

1、构件主体；

10、涂层区；

11、试验段；

111、第一组成部；

1111、第一前缘部；

1112、第一筋板；

112、第二组成部；

1121、第二前缘部；

1122、第二筋板；

12、第一连接端；

13、第二连接端；

14、第一过渡段；

15、第二过渡段；

16、夹持平面；

21、主流通道；

211、第一通道部；

212、第二通道部；

221、第一前缘通道；

222、第二前缘通道；

231、第一气膜孔组；

232、第二气膜孔组。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

涡轮叶片长期处在高温燃气中，同时还受到离心载荷和气动载荷的作用，容易发生断裂、烧蚀等损伤，威胁燃气轮机的安全运行，是燃机的寿命关键部件。随着燃气轮机效率的提升，涡轮前温度越来越高(新型先进燃气轮机燃气温度已达1500℃以上，未来可达1700℃)，涡轮叶片所处环境更加恶劣。因此，涡轮叶片安全设计显得至关重要，需要在正式投产前对涡轮叶片的重点考核部位(如涡轮叶片前缘部位)进行叶片拉伸/疲劳/蠕变等模拟试验。

为验证叶片设计可靠性，相关技术中，通常采用挂片或模拟试验的方式进行考核性试验。挂片试验作为最直接有效的方式，可以更准确的反应试验结果。然而挂片试验危险性较大，一旦试验不成功，往往产生机毁人亡的严重事故。因此，在挂片考核试验前通常进行大量的仿真计算和基础试验作为支撑，降低事故风险。

相关技术中，也可采用模拟试验的方法。模拟试验通常是在模拟环境中进行的，如在燃气冲刷环境下或者离心转轮下进行的叶片拉伸/疲劳/蠕变等试验。该试验对环境要求较高，通常采用真实叶片进行模拟试验，不仅因此试验难度大、成本高、周期长，而对于重型燃气轮机这样的大型涡轮叶片，进行真实叶片在模拟环境下的试验实现难度更大，并且因为真实叶片的不同考核部位的受到的载荷特性不同，若直接采用真实叶片进行试验，很难得到对某一重点考核部位的有针对性的测试结果，试验结果可参考性不强。

因此，有必要根据叶片不同部位的结构特点和失效模式，有针对性的设计模拟件结构和试验方案。在不影响试验结果的基础上，大幅减小试验难度，可以有效解决以上难点，是研究叶片可靠性设计的一种高效手段。

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种涡轮叶片前缘模拟件，上述涡轮叶片前缘模拟件被配置为安装在试验机中进行预定模拟试验。

图1是根据本发明实施例的涡轮叶片前缘模拟件的结构主视图；图2是根据本发明实施例的图1中涡轮叶片前缘模拟件的结构右视图；图3是根据本发明实施例的涡轮叶片前缘模拟件的内部气流通道结构示意图。

以下，结合图1、图2、图3，对本发明实施例的涡轮叶片前缘模拟件进行说明。

如图1、图2、图3所示，本发明实施例的涡轮叶片前缘模拟件包括构件主体1、主流通道21、前缘通道、气膜孔组。

其中，构件主体1包括试验段11、设置于试验段11两侧的第一连接端12和第二连接端13，其中第一连接端12和第二连接端13分别被配置为可拆卸连接在试验机中。

涡轮叶片在真实工作环境中一方面承受机械载荷(叶片高速旋转过程中产生的离心载荷、气动载荷)，另一方面承受温度载荷(燃气轮机燃气温度在1500℃以上)，为了模拟涡轮叶片前缘在真实工作环境中受到的机械载荷和温度载荷，并考虑真实工作状态下叶片因内部冷却，存在沿叶片壁厚方向的温度梯度，该涡轮叶片前缘模拟件通过试验机对其加载机械载荷的同时，对涡轮叶片前缘模拟件提供高温的温度环境，并且需要向该涡轮叶片前缘模拟件内部通入冷却气体。

为了模拟叶片在真实工作环境中的温度载荷(沿叶片壁厚方向的温度梯度)，该涡轮叶片前缘模拟件中设有内部气流通道，内部气流通道用于冷却气在其内部流通，对处于高温测试环境中的涡轮叶片前缘模拟件进行冷却，以使得处于高温环境中的涡轮叶片前缘模拟件沿壁厚方向产生如真实工作环境下存在的温度梯度。

如图3所示，该涡轮叶片前缘模拟件中的内部气流通道包括主流通道21、前缘通道、气膜孔组。

其中，主流通道21沿构件主体1的轴向贯通设置于构件主体1内部，主流通道21被配置为通入冷却气体。前缘通道设置于构件主体1内部，并且前缘通道的两端与主流通道21连通。气膜孔组，设置于构件主体1内部，被配置为将前缘通道与外界连通。

通过主流通道21、前缘通道、气膜孔组形成内部冷却气体循环通道，冷却气体可由主流通道21的两端端口被通入，经由前缘通道后通过气膜孔组排出。

根据本发明的实施例，本发明实施例的构件主体1中，试验段11结构与真实涡轮叶片前缘部位的结构相同或相似(如等比例缩放)。构件主体1中的第一连接端12和第二连接端13分别被配置为可拆卸连接在试验机中，用于在不破坏试验段11的结构的基础上使得构件主体1能够被稳固安装在试验机中进行模拟试验。(如若采用真实叶片进行试验，需要破坏叶片本身结构进行安装，由于叶片结构遭到了破坏，测试结果不能反应真实情况)。

根据本发明的实施例，由于涡轮叶片长期处在高温燃气中，同时还受到离心载荷和气动载荷的作用，容易发生断裂、烧蚀等损伤，为了实现对涡轮叶片的前缘部位进行叶片拉伸/疲劳/蠕变等模拟试验，本发明实施例的构件主体1中，试验段11结构与真实涡轮叶片前缘部位的结构相同或相似(如等比例缩放)，通过主流通道21、前缘通道、气膜孔组类比真实叶片内部的气流通道，使得该涡轮叶片前缘模拟件可以在与叶片实际工作环境相同的试验条件下进行叶片拉伸/疲劳/蠕变等模拟试验。

通过针对叶片的重点考核部位-前缘设计出的本公开实施例的上述涡轮叶片前缘模拟件，可用于较好地模拟叶片前缘部位在温度载荷和机械载荷的双重作用下的真实应力应变状态。相比于采用真实叶片进行模拟试验，在不影响试验结果的基础上，降低了试验难度大和试验成本，缩短了试验周期。并且，因为真实叶片的不同考核部位的受到的载荷特性不同，若直接采用真实叶片进行试验，很难得到对某一重点考核部位的有针对性的测试结果。相比于采用真实叶片进行模拟试验，该涡轮叶片前缘模拟件可以得出针对涡轮叶片中的重点考核部位-前缘的有针对性的测试结果，试验结果可参考性强。

根据本发明的实施例，进一步地，如图3所示，前缘通道包括第一前缘通道221和第二前缘通道222，第一前缘通道221和第二前缘通道222对称或反对称分布在主流通道21两侧。

气膜孔组包括第一气膜孔组231和第二气膜孔组232，第一气膜孔组231和第二气膜孔组232对称或反对称分布在主流通道21两侧，其中第一气膜孔组231被配置为将第一前缘通道221与外界连通，第二气膜孔组232被配置为将第二前缘通道222与外界连通。

根据本发明的实施例，通过设有两组前缘通道和气膜孔组，并且两组前缘通道和气膜孔组对称或反对称分布在主流通道21两侧，可使得涡轮叶片前缘模拟件的形心位于该模拟件的几何中心附近，避免模拟件在外力载荷作用下因受力不合理产生非预料强度破坏，而达不到模拟真实破坏情形的试验效果。

图4是根据本发明实施例的涡轮叶片前缘模拟件的内部气流通道中的气体流向示意图。

如图4所示，通过主流通道21、前缘通道、气膜孔组形成内部冷却气体循环通道，冷却气体可由主流通道21的两端端口被通入，经由前缘通道后通过气膜孔组排出。具体地，主流通道21的两端端口被配置为通入冷却气体，之后分成两股气流，分别经由第一前缘通道221和第二前缘通道222后，经由第一气膜孔组231和第二气膜孔组232将冷却气体引出，以实现对模拟件前缘部位壁面的冷却。

根据本发明的实施例，通过上述气流形式，以横向方向为参考方向，形成上下对称分布的气流形式；以纵向方向为参考方向，形成左右对称分布的气流形式，可以更好地模拟真实叶片的中的气流运行状态，试验结果可参考性强。

根据本发明的实施例，其中，第一气膜孔组231和第二气膜孔组232采用圆柱形通孔；第一气膜孔组231中每个气膜孔的中心轴线与主流通道21的中心轴线之间的夹角范围为：0°-80°，优选为70°；第二气膜孔组232中每个气膜孔的中心轴线与主流通道21的中心轴线之间的夹角范围为：0°-80°，优选为70°。即，两侧气膜孔组气体的出口方向为，其中一侧斜向上，另一侧斜向下。气膜孔为圆柱形，直径0.9～0.95mm。

图5是根据本发明实施例的图1中涡轮叶片前缘模拟件在A截面处的剖视图；图6是被模拟的真实涡轮叶片的结构示意图。

如图5所示，主流通道21以第一预定截面为分界面，分为第一通道部211和第二通道部212，其中第一预定截面为主流通道21的中心轴线所在的平面；试验段11以第一预定截面为分界面，分为第一组成部111和第二组成部112；其中，第一组成部111、第一通道部211、第一前缘通道221形成第一结构单元，第二组成部112、第二通道部212、第二前缘通道222形成第二结构单元，第一结构单元和第二结构单元以第一预定截面为参考面，对称或反对称分布在第一预定截面两侧。

根据本发明的实施例，其中，第一组成部111包括第一前缘部1111和第一筋板1112；第二组成部112包括第二前缘部1121和第二筋板1122。

本公开实施例的涡轮叶片前缘模拟件，可用于类比被模拟的真实涡轮叶片中的叶片前缘部位，如图5、图6所示，第一结构单元或第二结构单元的结构形式与真实涡轮叶片中的叶片前缘部位结构相似或相同。

因第一结构单元和第二结构单元对称或反对称分布在第一预定截面两侧，使得试验段11整体呈现对称或反对称结构，可使得试验段11的形心位于该其几何中心，两侧前缘部受力均衡，进一步避免了模拟件在外力载荷作用下因受力不合理产生非预料强度破坏，而达不到模拟真实破坏情形的试验效果。

根据本发明的实施例，如图1、图2所示，上述涡轮叶片前缘模拟件还包括第一过渡段14和第二过渡段15。

其中，第一过渡段14，被配置为连接试验段11和第一连接端12；第二过渡段15，被配置为连接试验段11和第二连接端13。

进一步地，第一过渡段14设有两个夹持平面16；第二过渡段15设有两个夹持平面16。

根据本发明的实施例，上述涡轮叶片前缘模拟件中，试验段11的结构尺寸可以是和真实叶片前缘部位尺寸相同，或者基于真实叶片前缘部位尺寸进行等比例缩放得到。

例如，图1、2所示的模拟件中，试验段11是试验时的考核段，其长度30mm，截面形状沿长度方向不变。试验段11的截面形状如图5所示，其为截面a-a的反对称结构。反对称截面a-a两侧结构都与真实叶片前缘结构相同，第一前缘部1111和第二前缘部1121中壁厚为3.6mm。

主流通道21和前缘通道之间由筋板隔开，第一筋板1112和第二筋板1122厚度3.5mm，与实际叶片筋板厚度相同。

第一连接端12和第二连接端13采用螺纹连接方式与外部载荷系统连接，第一连接端12和第二连接端13长度为40mm，螺纹规格为M39*3mm。试验段11与连接端之间为过渡段，包括第一过渡段14和第二过渡段15，过渡段由试验段11与连接端放样得到，两段连接处相切处理。第一过渡段14和第二过渡段15长度为70mm。为方便模拟件的安装和拆卸，在过渡段上设计夹持平面16，其宽度为30mm。

根据本发明的实施例，构件主体1设有涂层区10，涂层区10表面被覆盖有热障涂层。

图7是根据本发明实施例的涡轮叶片前缘模拟件表面的涂层区10的覆盖范围示意图。

如图7所示，涂层区10至少覆盖试验段11外表面。通过在涂层区10喷涂热障涂层，在外部高温辐射加热，内部冷却共同作用下，可以保证试验段11内结构、温度、载荷及涂层均与真实叶片前缘一致，从而保证失效模式相同。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种涡轮叶片前缘模拟件，被配置为安装在试验机中进行预定模拟试验，包括：

构件主体，包括试验段、设置于所述试验段两侧的第一连接端和第二连接端，其中所述第一连接端和第二连接端分别被配置为可拆卸连接在所述试验机中；

主流通道，沿所述构件主体的轴向贯通设置于所述构件主体内部，所述主流通道被配置为通入冷却气体；

前缘通道，设置于所述构件主体内部，并且所述前缘通道的两端与所述主流通道连通；

气膜孔组，设置于所述构件主体内部，被配置为将所述前缘通道与外界连通；

其中，所述前缘通道包括第一前缘通道和第二前缘通道，所述第一前缘通道和所述第二前缘通道对称或反对称分布在所述主流通道两侧；

所述气膜孔组包括第一气膜孔组和第二气膜孔组，所述第一气膜孔组和所述第二气膜孔组对称或反对称分布在所述主流通道两侧，其中所述第一气膜孔组被配置为将所述第一前缘通道与外界连通，所述第二气膜孔组被配置为将所述第二前缘通道与外界连通；

所述主流通道以第一预定截面为分界面，分为第一通道部和第二通道部，其中所述第一预定截面为所述主流通道的中心轴线所在的平面；

所述试验段以所述第一预定截面为分界面，分为第一组成部和第二组成部；

其中，所述第一组成部、所述第一通道部、所述第一前缘通道形成第一结构单元，所述第二组成部、所述第二通道部、所述第二前缘通道形成第二结构单元，所述第一结构单元和所述第二结构单元以所述第一预定截面为参考面，对称或反对称分布在所述第一预定截面两侧。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片前缘模拟件，其中：

所述主流通道的两端端口被配置为通入所述冷却气体；

所述第一气膜孔组和所述第二气膜孔组被配置为流出所述冷却气体。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片前缘模拟件，其中：

所述第一气膜孔组和所述第二气膜孔组采用圆柱形通孔；

所述第一气膜孔组中每个气膜孔的中心轴线与所述主流通道的中心轴线之间的夹角范围为：0°-80°；

所述第二气膜孔组中每个气膜孔的中心轴线与所述主流通道的中心轴线之间的夹角范围为：0°-80°。

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片前缘模拟件，其中：

所述第一组成部包括第一前缘部和第一筋板；

所述第二组成部包括第二前缘部和第二筋板。

5.根据权利要求1所述的涡轮叶片前缘模拟件，还包括：

第一过渡段，被配置为连接所述试验段和所述第一连接端；

第二过渡段，被配置为连接所述试验段和所述第二连接端。

6.根据权利要求5所述的涡轮叶片前缘模拟件，其中：

所述第一过渡段设有两个夹持平面；

所述第二过渡段设有两个所述夹持平面。

7.根据权利要求1所述的涡轮叶片前缘模拟件，其中：

所述构件主体设有涂层区，所述涂层区表面被覆盖有热障涂层。

8.根据权利要求7所述的涡轮叶片前缘模拟件，其中：

所述涂层区至少覆盖所述试验段外表面。