[發(fā)明專利]一種渦輪葉片氣膜孔的孔邊應(yīng)力計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310218523.2
• 申請日: 2023-03-09
• 公開（公告）號: CN115952622B
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程榮輝;李昆;吳堅;張少平;賀進;龐燕龍;田洪宇;楊遠龍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 北京清大紫荊知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11718
• 代理人: 秦亞群

本發(fā)明提供了一種渦輪葉片氣膜孔的孔邊應(yīng)力計算方法，包括獲取葉片整體坐標系下氣膜孔位置的名義應(yīng)力分量；將名義應(yīng)力分量轉(zhuǎn)換到構(gòu)建的氣膜孔局部標準坐標系下；計算在轉(zhuǎn)換后的名義應(yīng)力分量單位載荷下的二維橢圓孔理論解和三維橢圓直孔有限元仿真解；定義三維應(yīng)力影響系數(shù)；構(gòu)建三維應(yīng)力影響系數(shù)數(shù)學(xué)模型；采用轉(zhuǎn)換后獲得的名義應(yīng)力分量和三維應(yīng)力影響系數(shù)對單位載荷下的二維橢圓孔理論解進行修正，即可計算任意材料泊松比、任意壁厚、任意橢圓長軸與短軸比例下渦輪葉片氣膜孔不同孔邊位置的應(yīng)力。本發(fā)明設(shè)計的方法能對渦輪葉片不同幾何參數(shù)的橢圓氣膜孔的孔邊各位置應(yīng)力進行快速、準確的分析，且計算效率高、誤差小。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航空發(fā)動機渦輪葉片設(shè)計領(lǐng)域，涉及氣膜孔孔邊應(yīng)力計算技術(shù)，具體涉及一種渦輪葉片氣膜孔的孔邊應(yīng)力計算方法。

背景技術(shù)

航空發(fā)動機渦輪葉片工作在高溫燃氣環(huán)境中，一般需要采用大量不同幾何參數(shù)的氣膜冷卻孔（即氣膜孔）以降低葉片溫度水平，但是渦輪葉片上設(shè)計的氣膜孔會破壞了材料的連續(xù)性，進而會引起明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)孔邊應(yīng)力過大時將影響渦輪葉片的工作壽命，因此需要對渦輪葉片上氣膜孔的孔邊開展應(yīng)力分析，以判斷結(jié)構(gòu)渦輪葉片設(shè)計是否合理。

目前，氣膜孔孔邊應(yīng)力通常采用二維標準橢圓孔理論近似計算或三維有限元數(shù)值仿真方法計算：

二維標準橢圓孔理論近似計算方法，采用《應(yīng)力集中系數(shù)手冊》中Inglis針對二維無限大帶橢圓孔或圓孔平板，給出計算孔邊應(yīng)力分布（包括沿孔整圈位置）的計算公式，其原理是：將渦輪葉片氣膜孔簡化為二維橢圓孔（包括圓孔），采用二維標準橢圓孔理論公式近似計算獲取葉身三維橢圓孔邊應(yīng)力水平。但是其在計算時，忽略了壁厚、泊松比等影響因素，將葉身上三維橢圓孔簡化為平面二維橢圓孔，將氣膜孔開孔位置平面內(nèi)的名義主應(yīng)力（不考慮開孔影響，氣膜孔開孔位置的應(yīng)力水平）作為平板各邊受到的應(yīng)力。該方法計算較為簡單，能夠快速得到二維帶孔平板在兩端施加拉應(yīng)力時的橢圓孔邊應(yīng)力分布，但是在對渦輪葉片氣膜孔的孔邊應(yīng)力計算時，由于沒有考慮三維結(jié)構(gòu)帶來的泊松比、壁厚等對孔邊應(yīng)力的影響，進而使得部分氣膜孔的孔邊應(yīng)力誤差可超過40%，難以用于指導(dǎo)渦輪葉片氣膜結(jié)構(gòu)強度設(shè)計。

三維有限元數(shù)值仿真方法計算，通過對帶氣膜孔結(jié)構(gòu)的渦輪葉片進行三維有限元建模，并開展數(shù)值仿真得到氣膜孔孔邊應(yīng)力分布，即氣膜孔孔邊整圈的應(yīng)力值。該方法的計算精度高，能夠獲取任意材料、任意結(jié)構(gòu)特征的橢圓氣膜孔在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的孔邊應(yīng)力分布。但是由于渦輪葉片氣膜孔數(shù)量眾多（部分渦輪葉片氣膜孔接近300個），不同位置的氣膜孔的孔徑及橢圓程度各不相同，對氣膜孔逐一開展有限元建模工作將會耗費大量人力和時間成本，同時包含眾多氣膜孔結(jié)構(gòu)特征的渦輪葉片有限元模型規(guī)模較大，數(shù)值仿真時會耗費大量的計算資源。

鑒于此，需要設(shè)計一種針對不同幾何參數(shù)的氣膜孔在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的孔邊應(yīng)力分布快速、準確的分析方法，以實現(xiàn)準確描述不同材料、不同結(jié)構(gòu)特征的氣膜孔在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的孔邊應(yīng)力分布。

發(fā)明內(nèi)容

為解決通過現(xiàn)有二維標準橢圓孔理論近似計算不能準確描述不同材料、不同結(jié)構(gòu)特征的氣膜孔在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的孔邊應(yīng)力分布，三維有限元數(shù)值仿真方法計算氣膜孔應(yīng)力時，計算量大，周期長，難以滿足工程需要的問題，本發(fā)明設(shè)計了一種渦輪葉片氣膜孔的孔邊應(yīng)力計算方法，該方法可以對不同材料、不同幾何參數(shù)的氣膜孔在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的孔邊各位置的應(yīng)力進行快速、準確的分析，具有計算效率高、誤差小，且可以滿足設(shè)計周期要求的渦輪葉片氣膜孔的優(yōu)點。

實現(xiàn)發(fā)明目的的技術(shù)方案如下：一種渦輪葉片氣膜孔的孔邊應(yīng)力計算方法，包括以下步驟：

S1、以氣膜孔的長軸為X坐標，短軸為Y坐標建立氣膜孔局部標準坐標系；

S2、獲取葉片整體坐標系下氣膜孔位置的名義應(yīng)力分量；

S3、將名義應(yīng)力分量轉(zhuǎn)換到氣膜孔局部標準坐標系下，獲取轉(zhuǎn)換后的名義應(yīng)力分量；

S4、計算在轉(zhuǎn)換后的名義應(yīng)力分量單位載荷下的二維橢圓孔理論解和三維橢圓直孔有限元仿真解；