一种无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载方法技术

本发明专利技术涉及一种无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载方法，具体为：在无冠空心单晶涡轮叶片铸造前，在其蜡模上焊接一个叶冠蜡模，形成组合蜡模，然后利用所述组合蜡模铸造带冠叶片试验件，带冠叶片试验件的铸造叶冠为倒梯形体结构，其内部带有保证空心单晶涡轮叶片内部冷却气流顺利排出的气流通道。带冠叶片试验件的铸造叶冠与所设计的专用夹具的分半内夹块连接后，装入整体外夹块中部的倒梯形体空腔，借助所设计的专用夹具可以实现无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载。对于尺寸、大小等差异较大的无冠空心单晶涡轮叶片，无法采用统一尺寸的铸造叶冠时，重新加工成本较低的分半内夹块即可，无需多次加工成本较高的整体外夹块。

Tip loading method for single crystal turbine blade without crowns

The invention relates to a method for loading the tip of a crown-less hollow single crystal turbine blade, in particular to welding a crown wax mold on the wax mold before casting the crown-less hollow single crystal turbine blade to form a combined wax mold, and then casting the crown blade test piece with the combined wax mold, and the crown of the crown blade test piece is an inverted ladder. The inner part of the structure is provided with an air passage to ensure the smooth discharge of cooling air from the inner part of the hollow single crystal turbine blade. After the casting crown of the crowned blade test piece is connected with the half inner clamp of the special clamp designed, the inverted trapezoidal cavity in the middle of the whole outer clamp block is loaded, and the crowness hollow single crystal turbine blade tip loading can be realized by the special clamp designed. For cordless hollow single crystal turbine blades with large difference in size and size, when the uniform size of casting crown can not be used, the lower cost of re-processing can be partitioned into half of the inner clip, and the overall external clip with higher processing cost is not needed.

【技术实现步骤摘要】
一种无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载方法
本专利技术涉及航空发动机无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载方法，用于在实验室条件下实现对无冠空心单晶涡轮叶片的稳定加载，进而进行无冠空心单晶涡轮叶片特定考核截面的高温疲劳试验，属于航空航天发动机

技术介绍
无冠空心单晶涡轮叶片是当前航空发动机的广泛应用的核心部件之一，工作在高温环境中，承受巨大的离心力，极易发生疲劳破坏。因此，开展无冠空心单晶涡轮叶片考核截面的高温疲劳试验具有十分重要的意义。在涡轮叶片叶尖加载方面，不同涡轮叶片的加载方式不同。对于带冠涡轮叶片，首先需要校核叶冠在试验载荷下的强度，如果叶冠强度足够，则可以通过叶冠承受拉伸载荷，实现涡轮叶片机械载荷的模拟；如果冠强度不够，还需采取其他方式与叶冠一起传递离心载荷，例如摩擦加载。对于无冠涡轮叶片，由于通常涡轮叶片的考核截面位于涡轮叶片中上部，无法为摩擦加载提供足够的夹持空间，难以直接实现涡轮叶片叶尖加载。中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所采用在叶尖部分焊接夹持端的方式进行加载(CN202467935U)，对于无冠等轴晶高温合金涡轮叶片，该方案可行。但对于无冠单晶涡轮叶片而言，对涡轮叶片叶尖的焊接操作，将导致涡轮叶片晶体完整性破坏，并且由于单晶没有晶界强化元素，其多晶形式的高温合金的疲劳强度、耐高温能力将显著降低，试验过程中容易首先在焊缝处出现裂纹，导致试验失败。为了解决该潜在风险，北航王荣桥、荆甫雷等采用在无冠空心单晶涡轮叶片的叶尖部位通过浇铸较短小异型叶冠配合分半叶片夹具的方式进行加载(王荣桥,荆甫雷,胡殿印.单晶涡轮叶片热机械疲劳试验技术[J].航空动力学报,2013,28(2):252-258.)。尽管浇铸形成的叶冠能够实现叶冠的稳定夹持。然而，由于涡轮叶片考核截面距离夹具较近，为了防止夹具在高温下首先出现破坏，需要引入冷却水对夹具进行冷却，不仅增加了加工成本而且引入的冷却水孔以及连接分半叶片夹具的螺栓孔还会削弱叶片夹具的整体强度；同时由于叶冠为异型，不同叶片需要加工不同叶冠夹具，成本较高。综上所述，当前无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载方法并不完善，配套夹具加工复杂、成本过高，仍有较大改进空间。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：针对无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载问题，提供一种加工成本低、使用方便的无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载方法，用于无冠空心单晶涡轮叶片考核截面在室温至高温1000℃温度范围内的疲劳试验。本专利技术的技术解决方案是：在无冠空心单晶涡轮叶片铸造前，在其蜡模上焊接一个叶冠蜡模，形成组合蜡模，然后利用所述组合蜡模铸造带冠叶片试验件，这种方法使得带冠叶片试验件的铸造叶冠部分和无冠空心单晶涡轮叶片部分保持单一晶体状态，保证了铸造叶冠与无冠空心单晶涡轮叶片叶尖连接处的强度。铸造叶冠为倒梯形体结构，其内部带有保证空心单晶涡轮叶片内部冷却气流顺利排出的气流通道；铸造叶冠的长度由无冠空心单晶涡轮叶片考核截面与无冠空心单晶涡轮叶片叶尖的距离决定，若无冠空心单晶涡轮叶片考核截面靠近无冠空心单晶涡轮叶片叶尖，可通过改变铸造叶冠长度使无冠空心单晶涡轮叶片考核截面距离专用夹具底部有5cm-10cm的距离，这样可以防止专用夹具在考核截面加温过程中受热，影响专用夹具强度，同时可以省去专用夹具的冷却设计并降低加工成本。带冠叶片试验件的铸造叶冠与所设计的专用夹具的分半内夹块连接，借助所设计的专用夹具可以实现无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载。专用夹具由分半内夹块和整体外夹块组成，分半内夹块与铸造叶冠配合后恰好可装入整体外夹块中部的倒梯形体空腔，对于尺寸、大小等差异较大的无冠空心单晶涡轮叶片，无法采用统一尺寸的铸造叶冠时，重新加工成本较低的分半内夹块即可，无需多次加工成本较高的整体外夹块。实际服役条件下无冠空心单晶涡轮叶片的整体承受拉伸载荷，专用夹具可以满足拉伸加载需求。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术能够实现无冠空心单晶涡轮叶片叶尖在高温疲劳试验中的稳定夹持，可用于无冠空心单晶涡轮叶片特定考核截面在室温至高温1200℃的温度范围内的疲劳试验，无需考虑夹具冷却以及螺栓连接带来的专用夹具强度不足的问题，加工成本低，装配简单，使用方便。附图说明图1为无冠空心单晶涡轮叶片示意图，其中(a)为叶背图；(b)为叶盆图；B为叶尖；C为叶身；D为缘板；E为伸根；F为榫头；图2为带冠叶片试验件示意图，其中A为铸造叶冠、C为叶身、D为缘板、E为伸根、F为榫头；图3为分半内夹块示意图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为左视图；(d)为俯视图；图4为整体外夹块示意图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为俯视图；(d)为左视图；图5为装配示意图；具体实施方式图1为无冠空心单晶涡轮叶片示意图，其中B为叶尖、C为叶身、D为缘板、E为伸根、F为榫头，为实现实验室条件下涡轮叶片危险截面的考核，需要实现无冠空心单晶涡轮叶片叶尖的稳定加载。本专利技术为一种无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载方法，具体实施方案如下：(1)在无冠空心单晶涡轮叶片铸造前，在其蜡模上焊接一个叶冠蜡模，形成组合蜡模，然后利用所述组合蜡模铸造带冠叶片试验件，如图2所示，其中A为铸造叶冠、C为叶身、D为缘板、E为伸根、F为榫头，这种方法使得带冠叶片试验件的铸造叶冠部分和无冠空心单晶涡轮叶片部分保持单一晶体状态，保证了铸造叶冠与无冠空心单晶涡轮叶片叶尖连接处的强度。铸造叶冠为倒梯形体结构，其内部带有保证空心单晶涡轮叶片内部冷却气流顺利排出的气流通道；铸造叶冠的长度由无冠空心单晶涡轮叶片考核截面与无冠空心单晶涡轮叶片叶尖的距离决定，若无冠空心单晶涡轮叶片考核截面靠近无冠空心单晶涡轮叶片叶尖，可通过改变铸造叶冠长度使无冠空心单晶涡轮叶片考核截面距离专用夹具底部有5cm-10cm的距离，这样可以防止专用夹具在考核截面加温过程中受热，影响专用夹具强度，同时可以省去专用夹具的冷却设计并降低加工成本。(2)实现无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载还借助所设计的专用夹具，如图3、4所示，专用夹具由分半内夹块3和整体外夹块4组成，带冠叶片试验件2(如图2所示)的铸造叶冠与所设计的专用夹具的分半内夹块3(如图3所示)连接，分半内夹块3(如图3所示)与铸造叶冠配合后恰好可装入整体外夹块4(如图4所示)中部的倒梯形体空腔，装配结果如图5所示，其中2为带冠叶片试验件、3为分半内夹块、4为整体外夹块。由于无冠空心单晶涡轮叶片在实际过程中承受拉伸载荷，因此，在实验室条件下对无冠空心单晶涡轮叶片考核截面进行试验时，也施加交变的拉伸载荷，此时，本专利技术中的专用夹具可以满足加载需要，对于不同无冠空心单晶涡轮叶片，尽量采用外部尺寸相同的铸造叶冠(内部冷却通道可以不同)，无需多次加工分半内夹块与整体外夹块，降低加工成本；对于差异较大的无冠空心单晶涡轮叶片，无法采用外部尺寸相同的铸造叶冠(内部冷却通道可以不同)的情况下，重新加工相应的分半内夹块即可，无需多次加工成本较高的整体外夹块，降低加工成本。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载方法，其特征在于：在无冠空心单晶涡轮叶片铸造前，在其蜡模上焊接一个叶冠蜡模，形成组合蜡模，然后利用所述组合蜡模铸造带冠叶片试验件，带冠叶片试验件的铸造叶冠部分和无冠空心单晶涡轮叶片部分保持单一晶体状态，保证了铸造叶冠与无冠空心单晶涡轮叶片叶尖连接处的强度；带冠叶片试验件的铸造叶冠与所设计的专用夹具的分半内夹块连接，分半内夹块与所设计的专用夹具的整体外夹块连接，借助所设计的专用夹具可以实现无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载。

【技术特征摘要】
1.一种无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载方法，其特征在于：在无冠空心单晶涡轮叶片铸造前，在其蜡模上焊接一个叶冠蜡模，形成组合蜡模，然后利用所述组合蜡模铸造带冠叶片试验件，带冠叶片试验件的铸造叶冠部分和无冠空心单晶涡轮叶片部分保持单一晶体状态，保证了铸造叶冠与无冠空心单晶涡轮叶片叶尖连接处的强度；带冠叶片试验件的铸造叶冠与所设计的专用夹具的分半内夹块连接，分半内夹块与所设计的专用夹具的整体外夹块连接，借助所设计的专用夹具可以实现无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载。2.根据权利要求1所述的一种无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载方法，其特征在于：所述铸造叶冠为倒梯形体结构，内部带有保证空心单晶涡轮叶片内部冷却气流顺利排出的气流通道；铸造叶冠的长度...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡殿印，王荣桥，张斌，毛建兴，马琦航，崔金铎，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11