考虑气膜冷却孔涡轮叶片持久寿命预测的研究

论文摘要

镍基高温合金用于制造航空发动机的高压涡轮叶片。为了提高涡轮叶片持久寿命设计参数选取和设计方法的可靠性,从涡轮叶片代表性部位取材并设计、加工试验试件,其中包括有孔(气膜冷却孔)、直孔和斜孔试件。对无孔试件和有孔试件在不同温度和应力下分组进行持久拉伸试验,记录试件断裂时间和拉伸过程中的蠕变变形量。试验结果表明,与标准试件比较,13个无孔试件持久寿命时间大为缩短,即使同一名义应力下,不同试件试验数据也存在着一定的离散性,但是每组(三个)试件中至少有两个数据是比较接近的;6个带孔试件的断裂时间较为接近,与标准试件比较相同名义应力下,持久寿命大为降低,由于应力集中效应的影响,其降低幅度大于无孔试件,降低幅度最大约为88%。气膜孔为直孔或斜孔,其对持久寿命的影响差别不大。为了解释上述试验结果,对试件进行有限元数值模拟和断口分析。通过采用θ法和非线性回归方法得到Norton蠕变规律参数,再将Norton参数转化成ANSYS所支持的格式,进而在ANSYS下进行有限元数值模拟。求得应力集中最大节点的应力值,进而算出其持久寿命,并与标准试件进行比较。模拟结果显示,气膜冷却孔的应力集中效应将大大降低试件的持久寿命,寿命预测时应该充分考虑其影响。断口分析表明,持久寿命数据离散是因为有些试件断口处存在较大尺寸的第二相粒子,其可能成为潜在的裂纹源,导致试件寿命大为降低。本文还将测得的试件变形值,换算成蠕变应变值,再对相同应力条件下的应变取平均,用修正θ法得到模拟试件的持久寿命预测方程,并且验证其可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 航空发动机涡轮叶片的发展状况及本课题的理论意义
• 1.2 涡轮叶片持久寿命研究状况
• 1.2.1 国外涡轮叶片寿命预测
• 1.2.2 国内涡轮叶片研究概况
• 1.3 课题来源
• 2 各向异性材料本构关系
• 3 蠕变本构关系
• 3.1 时间硬化理论
• 3.2 应变硬化理论
• 4 持久寿命预测方法
• 4.1 寿命-时间分数法（寿命分数法）
• 4.2 时间温度参数法
• 4.3 θ-Project Concept
• 4.4 修正θ-Project Concept
• 4.5 寿命方程系数的回归原理
• 4.5.1 非线性最小二乘法参数回归步骤
• 4.5.2 线性最小二乘法参数回归步骤
• 5 试件的设计制造及试验内容
• 5.1 试件材料的选取
• 5.2 试件尺寸设计
• 5.2.1 试件尺寸设计初步
• 5.2.2 试件尺寸设计
• 5.2.2.1 合金无孔试件的尺寸设计
• 5.2.2.1.1 合金材料宽度设计
• 5.2.2.1.2 销钉剪切强度校核
• 5.2.2.1.3 合金材料挤压强度校核
• 5.2.2.2 合金有孔试件尺寸设计
• 5.2.2.2.1 合金材料宽度设计
• 5.2.2.2.2 合金挤压强度校核
• 5.2.2.2.3 销钉剪切强度校核
• 5.3 试件的加工
• 6 持久寿命试验研究与理论分析
• 6.1 试件尺寸测量
• 6.2 持久寿命试验结果
• 6.3 模拟试件断口分析
• 6.4 气膜冷却孔的影响
• 6.4.1 确定分析参数
• 6.4.2 数值模拟结果分析
• 6.4.2.1 无孔试件
• 6.4.2.2 直孔试件
• 6.4.2.3 斜孔试件
• 6.4.2.4 相同名义应力下无孔、直孔和斜孔试件持久寿命预测比较
• 7 用修正θ-PROJECT CONCEPT法建立试件的持久寿命预测模型
• 7.1 试验数据可靠性验证
• 7.2 数据整理及参数回归
• 7.3 修正θ-Project Concept法预测模型的可靠性验证
• 8 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢