单晶涡轮叶片寿命确定过程和系统技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
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。
技术介绍
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专利技术人发现的或本领域中已知的一个或多个问题。
技术实现思路
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是轴流式本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.11 US 61/962291;2013.11.15 US 14/0819231.一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

\t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...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·J·格伦，J·P·道格拉斯，
申请(专利权)人：索拉透平公司，
类型：发明
国别省市：美国;US