[发明专利]单晶涡轮叶片寿命确定过程和系统

说明书

技术领域

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。

背景技术

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发明人发现的或本领域中已知的一个或多个问题。

发明内容

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