(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210895505.3 (22)申请日 2022.07.26 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 胡殿印　王荣桥　彭驰　陈校生　 (74)专利代理 机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 1 1251 专利代理师 金怡　邓治平 (51)Int.Cl. G01M 13/00(2019.01) G01M 15/14(2006.01) G01M 15/02(2006.01) G01K 13/00(2021.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01)G06F 119/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种航空发动机涡轮叶片热机械疲劳壁厚 方向非均匀温度场调试方法 (57)摘要 本发明涉及一种航空发动机涡轮叶片热机 械疲劳壁厚方向非均匀温度场调试方法， 包括 (1)对涡轮叶片三维建模， 根据涡轮叶片温度考 核要求， 确定涡轮叶片的内外壁非均匀温度分 布； (2)在有限元软件中对涡轮叶片进行传热分 析， 设置外壁面温度场， 不断调试通过涡轮叶片 的通气流量， 使得内壁面温度场满足考核要求； (3)制造涡轮叶片， 进行试验前的叶片装夹和温 度控制系统的准备； (4)在疲劳机 上开展试验， 加 热子系统控制外壁面温度， 冷却子系统控制内壁 面温度， 热电偶监测考核温度， 验证(2)中确定的 冷却气流量是否满足要求。 本发 明将有限元计算 的方法考虑到壁厚方向温度场调试中， 弥补了相 关研究不足。 权利要求书1页 说明书3页 附图4页 CN 115420481 A 2022.12.02 CN 115420481 A 1.一种航空发动机涡轮叶片热机械疲劳壁厚方向非均匀温度场调试方法， 其特征在 于， 包括步骤如下： 步骤(1)： 对涡轮叶片进行三维建模， 根据航空发动机的实际工作情况， 确定涡轮叶片 的考核温度要求， 提取出涡轮叶片的内外壁面关键部位的工作温度， 在该工作温度的范围 下考核涡轮叶片的热机 械疲劳性能； 步骤(2)： 开展涡轮叶片的温度场有限元计算， 根据外壁面的考核温度要求确定涡轮叶 片外壁面的温度场； 通过调试冷却气的质量流量， 使得涡轮叶片的内壁面的考核温度也满 足要求， 获得使得涡轮叶片的内外壁的考核温度同时满足要求的冷却气的质量 流量； 步骤(3)： 制造涡轮叶片， 并在热机械疲劳试验台上进行热机械疲劳考核试验， 完成涡 轮叶片的装夹和试验台调试工作； 步骤(4)： 开展涡轮叶片的热机械疲劳考核试验时， 通过热机械疲劳试验台的加热子系 统控制涡轮叶片的外壁面温度， 同时通过热机械疲劳试验台的冷却子系统实施控制通入的 冷却气的质量 流量， 从而控制涡轮叶片的内壁 面温度。 2.根据权利要求1的一种航空发动机涡轮叶片热机械疲劳壁厚方向非均匀温度场调试 方法， 其特征在于： 所述步骤(2)中的确定涡轮叶片的内、 外壁面的考核温度同时满足试验 要求的方法是外壁 面温度偏差为 ±10℃， 内壁 面的温度偏差为 ±20℃。 3.根据权利要求1所述的一种航空发动机涡轮叶片热机械疲劳壁厚方向非均匀温度场 调试方法， 其特征在于： 所述步骤(2)中根据外壁面的考核温度要求确定涡轮叶片 外壁面的 温度场后， 通过有限元模拟传热计算， 调试冷却气的质量流量， 确定内壁面的考核温度满足 要求时的冷却气的质量 流量。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115420481 A 2一种航空发动机涡轮叶片热机械疲劳壁厚方向非均匀温度场 调试方法 技术领域 [0001]本发明属于航空航天发动机技术领域， 具体涉及 一种航空发动机涡轮叶片热机械 疲劳壁厚方向非均匀温度场调试 方法。 背景技术 [0002]涡轮叶片是航空发动机中承受高温及离心应力的关键部件， 涡轮叶片服役过程中 需承受发动机启动、 停车以及不规则机动带来的交变机械载荷和热载荷， 热机械疲劳是其 主要失效模式， 对涡轮叶片的热机械疲劳寿命进行评估是发动机设计过程中的重要步骤。 现有技术中， 对单晶叶片的热机械疲劳寿命进行评估时， 需要进 行材料试验、 零部件的高周 疲劳试验、 低循环疲劳试验， 这类试验都有对应的温度场要求， 如果温度场不满足要求， 评 估出的叶片寿命和实际情况存在差异， 可能会在发动机工作时出现严重的疲劳损伤事故。 同时不同叶片的温度场调试时， 需要反复得调整加热设备和叶片位置， 如果直接在试验机 上进行调试， 试验成本极高， 试验效率极低， 影响涡轮叶片疲劳性能评估的进度。 [0003]现有文献“涡轮叶片表面温度场及综合冷却效果试验研究[J].邓丽君,宣文韬,钟 博,杨卫华.南京航空航天大学学报,2021,53(03):442 ‑448.”探究的涡轮叶片温度场 未考 虑沿壁厚方向的变化情况。 [0004]现有中国发明专利CN111639401A “一种用涡轮后温度场计算涡轮前温度场的方 法”提出的有限元计算方法也没有考虑沿叶片壁厚方向的温度变化。 发明内容 [0005]为克服现有技术的不足， 本发明提供一种航空发动机涡轮叶片热机械疲劳壁厚方 向非均匀温度场调试方法， 在充分反映涡轮叶片在热机械疲劳时内外壁的温度场分布的情 况下， 通过在有限元软件中调 试确定冷却气流量的办法降低试验成本， 服务与支撑航空发 动机涡轮叶片热机 械疲劳试验。 [0006]本发明技术解决方案为： 一种航空发动机涡轮叶片热机械疲劳壁厚方向非均匀温 度场调试方法， 在充分反映涡轮叶片在热机械疲劳时内外壁的温度场分布的情况下， 通过 在有限元软件中调 试确定冷却气流量的办法降低试验成本， 建立有效的温度场调 试方法， 实现步骤如下： [0007]步骤(1)： 对涡轮叶片进行三维建模， 根据航空发动机的实际工作情况， 确定涡轮 叶片的考核温度要求， 提取出涡轮叶片的内外壁面关键部位的工作温度， 在该工作温度的 范围下考核涡轮叶片的热机 械疲劳性能； [0008]步骤(2)： 开展涡轮叶片的温度场有限元计算， 根据外壁面的考核温度要求确定涡 轮叶片外壁面的温度场； 通过调试冷却气的质量流量， 使得涡轮叶片的内壁面的考核温度 也满足要求， 获得使得涡轮叶片的内外壁的考核温度同时满足要求的冷却气的质量 流量； [0009]步骤(3)： 制造涡轮叶片， 并在热机械疲劳试验台上进行热机械疲劳考核试验， 完说　明　书 1/3 页 3 CN 115420481 A 3