涡轮叶片和涡轮叶片的制备方法与流程

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种涡轮叶片的制备方法和涡轮叶片的设计装置。

背景技术：

航空发动机或其他燃气涡轮发动机中具有叶片脱落防止轮盘破裂的机械超转保护功能，即在涡轮叶片上设计一个脱落截面，一旦发动机失去负荷，涡轮转子超转到一定转速后，叶片在该脱落截面处脱落，从而使轮盘失去转速继续上升的动力，避免了轮盘超转破裂带来的危害发动机后果。现有技术中的制备方法制备的涡轮叶片精度较低，经常会在达到叶片脱落转速时并未脱落，导致轮盘损坏。

因此，有必要设计一种新的涡轮叶片的制备方法和涡轮叶片。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术叶片经常会在达到叶片脱落转速时并未脱落，导致轮盘损坏的不足，提供一种设计出的涡轮叶片在达到叶片脱落转速时脱落，不会对轮盘造成损坏的涡轮叶片的制备方法和涡轮叶片的设计装置。

本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。

根据本发明的一个方面，一种涡轮叶片的制备方法，所述涡轮叶片被脱落截面分为第一部分叶片和第二部分叶片，所述第一部分叶片的质心与所述脱落截面的形心在所述涡轮叶片径向方向上具有间距；所述涡轮叶片的制备方法包括：

确定涡轮叶片所装配的轮盘的破裂转速和涡轮叶片的设计转速；

根据所述破裂转速与涡轮叶片脱落转速的设计裕度确定叶片脱落转速；

根据所述涡轮叶片的材料极限、所述涡轮叶片脱落转速以及所述涡轮叶片设计转速计算叶片脱落截面的初始应力组；

建立所述涡轮叶片的有限元模型，模拟涡轮叶片的正常工作状态获得设计应力组；

调节所述间距直到所述设计应力组与所述初始应力组之间满足预设条件。

在本公开的一种示例性实施例中，所述设计应力组包括设计等效应力、设计拉伸应力和设计拉弯合应力。

在本公开的一种示例性实施例中，调节所述间距，包括：

调节所述涡轮叶片的有限元模型中所述第一部分叶片中心轴线一侧的质量，使得所述质心偏离所述第一部分叶片中心轴线。

在本公开的一种示例性实施例中，所述初始应力组至少包括初始等效应力、初始拉伸应力和初始拉弯合应力；根据所述涡轮叶片的材料极限、所述涡轮叶片脱落转速以及所述涡轮叶片设计转速计算叶片脱落截面的初始应力组，包括：

根据所述涡轮叶片的材料极限、所述涡轮叶片脱落转速以及所述涡轮叶片设计转速确定脱落截面的初始等效应力；

根据脱落截面的初始等效应力，确定脱落截面的初始拉伸应力和初始拉弯合应力。

在本公开的一种示例性实施例中，调节所述间距直到所述设计应力组与所述初始应力组之间满足预设条件，包括：

调节所述间距至所述设计拉弯合应力在阈值范围内等于所述初始拉弯合应力。

在本公开的一种示例性实施例中，调节所述间距，包括：

在所述涡轮叶片的有限元模型上形成凹槽，所述脱落截面通过所述凹槽，调节所述凹槽的深度与面积使得所述脱落截面的形心偏离所述涡轮叶片的中心轴线。

在本公开的一种示例性实施例中，所述初始应力组至少包括初始等效应力、初始拉伸应力和初始拉弯合应力；根据所述涡轮叶片的材料极限、所述涡轮叶片脱落转速以及所述涡轮叶片设计转速计算叶片脱落截面的初始应力组，包括：

根据所述涡轮叶片的材料极限、所述涡轮叶片脱落转速以及所述涡轮叶片设计转速确定叶片脱落截面的初始等效应力；

根据所述初始等效应力计算所述脱落截面的初始拉伸应力；

计算脱落截面上部叶片质心位置到截面形心的离心弯矩；

计算离心力、离心弯矩工况下的初始拉弯合应力。

在本公开的一种示例性实施例中，调节所述间距直到所述设计应力组与所述初始应力组之间满足预设条件，包括：

调节所述间距至设计等效应力等效应力等于初始等效应力，且设计等效应力、设计拉伸应力和设计拉弯合应力满足以下关系式：

σ0＝kσ拉弯合应力+(1-k)σ拉伸应力

其中，σ0为设计等效应力，σ拉弯合应力为设计拉弯合应力，σ拉伸应力表示设计拉伸应力，k为结构常数。

根据本发明的一个方面，所述涡轮叶片被脱落截面分为第一部分叶片和第二部分叶片，所述第一部分叶片的质心与所述脱落截面的形心在所述涡轮叶片径向方向上具有间距。

在本公开的一种示例性实施例中，所述涡轮叶片被脱落截面分为第一部分叶片和第二部分叶片，所述第一部分叶片的质心与所述脱落截面的形心在所述涡轮叶片径向方向上具有间距，包括：

所述涡轮叶片的所述第一部分叶片中心轴线两侧的质量不同；或所述第一部分叶片的中心轴线的一侧设有凹槽，所述脱落截面通过所述凹槽。

由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：

本发明涡轮叶片的制备方法，涡轮叶片被脱落截面分为第一部分叶片和第二部分叶片，第一部分叶片的质心与脱落截面的形心在涡轮叶片径向方向上具有间距，通过建立涡轮叶片的有限元模型，模拟涡轮叶片的正常工作状态获得设计应力组，通过调节间距直到设计应力组满足预设条件进而完成对涡轮叶片的设计。相较于现有技术，一方面，第一部分叶片的质心与脱落截面的形心在涡轮叶片径向方向上具有间距，产生弯曲应力，通过调节间距来控制弯曲应力的大小，经过模拟设计出的涡轮叶片达到叶片脱落速度时第一部分叶片会脱落，设计精度更高，解决了现有技术中涡轮叶片有时在达到叶片脱落速度时第一部分叶片未脱落而造成轮盘损坏的问题；另一方面，在相同脱落转速的情况下，可以在设计时适当增大脱落截面的面积，通过调节间距使得涡轮叶片的第一部分叶片在达到脱落转速时脱落，由于脱落截面的增大，提升了采用该方法制备出涡轮叶片的刚度值，进而使得涡轮叶片的使用寿命增强。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是相关技术中涡轮叶片的结构示意图

图2是本发明涡轮叶片的制备方法的流程图；

图3是本发明涡轮叶片的制备方法设计涡轮叶片的第一种实施方式中涡轮叶片的结构示意图；

图4是本发明涡轮叶片的制备方法设计涡轮叶片的第二实施方式中涡轮叶片的结构示意图。

附图标记说明如下：

1、质心；2、形心；3、脱落截面。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

参照图1所示，现有叶片脱落转速计算方法进行脱落截面为纯拉伸应力状态的叶片脱落转速预测，脱落截面以上部分的质心和截面形心重合，脱落截面只承受离心力。

本发明首先提供一种涡轮叶片的制备方法，所述涡轮叶片被脱落截面3分为第一部分叶片和第二部分叶片，所述第一部分叶片的质心1与所述脱落截面3的形心2在所述涡轮叶片径向方向上具有间距△x，参照图2所示，该涡轮叶片的制备方法可以包括以下步骤

步骤s110，确定涡轮叶片所装配的轮盘破裂转速和涡轮叶片的设计转速。

步骤s120，根据所述轮盘破裂转速与涡轮叶片脱落转速的设计裕度确定叶片脱落转速。

步骤s130，根据所述涡轮叶片的材料极限、所述涡轮叶片脱落转速以及所述涡轮叶片设计转速计算叶片脱落截面的初始应力组。

步骤s140，建立所述涡轮叶片的有限元模型，模拟涡轮叶片的正常工作状态获得设计应力组。

步骤s150，调节所述间距直到所述设计应力组满足预设条件。

相较于现有技术，第一部分叶片的质心1与脱落截面3的形心2在涡轮叶片径向方向上具有间距△x，产生弯曲应力，通过间距△x来控制弯曲应力的大小，经过模拟设计出的涡轮叶片达到叶片脱落速度时第一部分叶片会脱落，设计精度更高，解决了现有技术涡轮叶片有时在达到叶片脱落速度时第一部分叶片未脱落而造成轮盘损坏的问题；另一方面，在相同脱落转速的情况下，可以在设计时适当增大脱落截面3的面积，通过调节间距△x使得涡轮叶片的第一部分叶片在达到脱落转速时脱落，由于脱落截面3的增大，提升了采用该方法制备出涡轮叶片的刚度值，进而使得涡轮叶片的使用寿命增强。

下面对本公开实施方式的涡轮叶片的设计方法的各步骤进行详细说明：

在步骤s110中，确定涡轮叶片所装配的轮盘破裂转速和涡轮叶片的设计转速。

确定涡轮叶片所装配的轮盘破裂转速vdisk叶片设计转速v0；轮盘破裂转速为当转速超过该速度时会使得轮盘损坏，使得轮盘无法正常工作。

在步骤s120中，根据所述轮盘破裂转速与涡轮叶片脱落转速的设计裕度确定叶片脱落转速。

根据轮盘破裂转速与叶片脱落转速的设计裕度n，确定叶片脱落转速vblade；片脱落转速与轮盘破裂转速以及设计裕度的关系如以下公式：

vblade＝vdisk/n

在步骤s130中，根据所述涡轮叶片的材料极限、所述涡轮叶片脱落转速以及所述涡轮叶片设计转速计算叶片脱落截面3的初始应力组。

在步骤s140中，建立所述涡轮叶片的有限元模型并模拟涡轮叶片的正常工作状态获得设计应力组。

在步骤s150中，调节所述间距直到所述设计应力组满足预设条件。

在本示例实施方式中，参照图3所示，改变间距△x的方式可以是改变第一部分叶片中心轴线一侧的质量，使得第一部分叶片的质心1偏离所述第一部分叶片中心轴线。进而使得第一部分叶片的质心1与脱落截面3的形心2发生偏移，改变第一部分叶片中心轴线一侧的质量的方式可以是在制造时，在需要改变质量的一侧增加一部分原料，以使得第一部分叶片中心轴线左右两侧的质量不同，使得第一部分叶片的质心1偏离中心轴线，从而使得第一部分叶片的质心1与脱落截面3的形心2在涡轮叶片的径向方向上产生间距△x。还可以是将第一部分叶片与第二部分配片进行偏移设置来达到第一部分叶片的质心1与脱落截面3形心2偏移的目的。

根据叶片材料极限σb，叶片脱落转速vblade以及叶片设计转速v0，通过以下脱落转速计算公式确定叶片脱落截面3的等效应力σ0，脱落转速计算公式为：

vblade＝v0(σb/σ0)^0.5

根据脱落截面3的等效应力σ0，根据σ拉伸应力＝f/s＝mrw²/s，可知脱落截面3拉伸应力σ拉伸应力＝350mpa，根据等效应力分解公式确定脱落截面3的拉伸应力σ拉伸应力和拉弯合应力σ拉弯合应力；等效应力分解公式为：

σ0＝kσ拉弯合应力+(1-k)σ拉伸应力

其中，k为结构常数，s为脱落截面3的面积。

然后建立涡轮叶片的有限元模型，并模拟涡轮叶片的正常工作状态获得设计应力组，设计应力组可以包括设计等效应力、设计拉伸应力和设计拉弯合应力。

调节间距△x时设计拉弯合应力随着间距△x的改变而改变，而设计等效应力和设计拉伸应力不做改变。即设计等效应力等于初始等效应力为一定值，同时设计拉伸应力等于初始拉伸应力也为定值。

调节上述间距△x使得直至脱落截面3的设计拉弯合应力在阈值范围内等于初始拉弯合应力。从而确定间距△x，进而确定该有限元模型的最终设计方案。

例如，某发动机动力涡轮盘轮盘破裂转速为180％的设计转速，设计时，轮盘破裂转速和叶片断裂转速的设计裕度n取1.2，即可得到叶片断裂转速为150％的设计转速，取材料强度极限σb为1000mpa，根据脱落转速计算公式可知σ0＝445mpa，脱落转速计算公式为：

vblade＝v0(σb/σ0)^0.5

而叶片在设计转速时，根据拉伸应力计算公式可知脱落截面3拉伸应力σ拉伸应力＝350mpa，拉伸应力计算公式为：

σ拉伸应力＝f/s＝mrw²/s

根据等效应力分解公式，计算出拉弯合应力的值，等效应力分解公式为：

σ0＝kσ拉弯合应力+(1-k)σ拉伸应力

当k取0.3时，σ拉弯合应力＝670mpa,调节脱落截面3以上叶片质心1和脱落截面3形心2间距△x,直至脱落截面3设计拉弯合应力等于670mpa,此时得到的叶片将在设计转速的150％时自行从脱落截面3发生脱落，而不会导致轮盘破裂(180％的设计转速)。

在另一种示例实施方式中，参照图4所示，改变间距△x的方式是在脱落截面3的径向方向设置凹槽，调节凹槽的深度h与面积使得所述脱落截面3的形心2偏离所述涡轮叶片的中心轴线。凹槽的形状在此不做具体限制，只要能够该改变脱落截面3的形心2的位置即可。

根据叶片材料极限σb，叶片脱落转速vblade以及叶片设计转速v0，通过脱落转速计算公式确定叶片脱落截面3的初始等效应力σ0；脱落转速计算公式为：

vblade＝v0(σb/σ0)^0.5

根据拉伸应力计算公式确定预设值脱落截面3的初始拉伸应力σ⁰拉伸应力，拉伸应力计算公式为：

σ拉伸应力＝f/s＝mrw²/s

然后，分别计算脱落截面3上部叶片质心1位置到截面形心2的离心弯矩m⁰x和m⁰y，通过有限元建立脱落截面3面积的梁单元模型，计算离心力、离心弯矩工况下的初始拉弯合应力σ⁰拉弯合应力；

然后建立涡轮叶片的有限元模型，并对该模型模拟涡轮叶片的正常工作状态获得设计应力组，设计应力组可以包括设计等效应力、设计拉伸应力和设计拉弯合应力。

由于在该示例实施方式中，改变了脱落截面3的面积，所以调节间距△x时设计拉伸应力、设计拉弯合应力随着间距△x的改变而改变，而设计等效应力不做改变。

调节上述间距△x使得设计等效应力σ0、设计拉伸应力σ拉伸应力和设计拉弯合应力σ⁰拉弯合应力满足以下公式：

σ0＝kσ拉弯合应力+(1-k)σ拉伸应力

其中，k为结构常数。

调节上述间距△x使得直至脱落截面3的设计拉弯合应力在阈值范围内等于初始拉弯合应力。从而确定间距△x，进而确定该有限元模型的最终设计方案。

进一步的本发明还提供一种涡轮叶片，涡轮叶片被脱落截面分为第一部分叶片和第二部分叶片，第一部分叶片的质心与所述脱落截面的形心在所述涡轮叶片径向方向上具有间距。

可以使涡轮叶片的第一部分叶片中心轴线两侧的质量不同；可以是涡轮叶片中心轴线一侧的密度大于另一侧的密度，也可以是涡轮叶片中心轴线一侧的体积大于另一侧的体积；还可以是涡轮叶片中心轴线一侧的密度和体积均大于另一侧。

可以在第一部分叶片的中心轴线的一侧设有凹槽，脱落截面通过凹槽，设置凹槽后脱落截面的形心发生改变，从而使得第一部分的质心与脱落截面的形心之间在涡轮叶片的径向方向上产生间距。

再进一步的，本发明还提供一种涡轮叶片的设计装置，所述涡轮叶片被脱落截面3分为第一部分叶片和第二部分叶片，所述第一部分叶片的质心1与所述脱落截面3的型心在所述涡轮叶片径向方向上具有间距△x，其特征在于，涡轮叶片的设计装置可以包括以下模块

第一确定模块，用于确定涡轮叶片所装配的轮盘破裂转速和涡轮叶片的设计转速；

第二确定模块，用于根据所述轮盘破裂转速与涡轮叶片脱落转速的设计裕度，确定叶片脱落转速；

计算模块，用于根据所述涡轮叶片的材料极限、所述涡轮叶片脱落转速以及所述涡轮叶片设计转速计算叶片脱落截面3的初始应力组；

模拟模块，用于建立所述涡轮叶片的有限元模型，并对该模型模拟涡轮叶片的正常工作状态获得设计应力组；

调节模块，用于调节所述间距△x直到所述设计应力组满足预设条件。

该涡轮叶片的设计装置的具体实施方式在上述涡轮叶片的制备方法中已经进行了详细说明，因此，此处不再赘述。

上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语。

本说明书中，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。