[发明专利]一种无冠空心单晶涡轮叶片叶尖加载方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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领域。

背景技术

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(CN202467935 U)，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。

发明内容

本发明解决的技术问题是：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。