适用于燃气轮机单晶涡轮动叶的榫头堵头结构设计方法与流程

本发明属于燃气轮机设计，特别涉及一种适用于燃气轮机单晶涡轮动叶的榫头堵头结构设计方法。

背景技术：

1、涡轮动叶是船用燃气轮机中的关键部件之一，叶片工作环境恶劣，叶片所接触的燃气温度已高达1300℃，远超过叶片材料熔点。为保障叶片的安全运行，叶片内部设有复杂的冷却空气通道，冷却空气由榫头底部进气孔进入叶身，对叶身冷却后由尾缘劈缝或气膜孔流出叶片。动叶内部通常有多个冷却通道，进入通道的冷却空气量必须精确控制，过多会影响整机效率，过少会导致叶片局部烧蚀。调整榫头底部进气孔通流面积可精确控制冷却空气量，但因涡轮动叶通过精密铸造成型，榫头底部进气孔必须有一定的面积来确保构成叶片内部冷却结构的陶芯强度。需要减小或封堵某个进气孔的进气面积时，必需通过装配堵头来进行封堵。

2、现有技术中，榫头堵头的装配往往需要对榫头进行机加工或热加工，或是将堵头焊接到榫头上。随着燃气温度的不断提高，耐温等级更高的单晶材料在涡轮冷却动叶上开始大规模应用，但单晶材料在受力较大时容易产生再结晶，焊接时容易产生杂晶，严重影响叶片性能。

3、因此，如何提供一种适用于燃气轮机单晶涡轮动叶的榫头堵头结构设计方法，解决常规榫头堵头设计方法无法适用于单晶涡轮动叶的问题，并对设计完成的堵头装配结构进行试验件装配评估，避免设计不合理造成的叶片铸件报废等情况，已成为一个亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种适用于燃气轮机单晶涡轮动叶的榫头堵头结构设计方法，解决常规榫头堵头设计方法无法适用于单晶涡轮动叶的问题，对设计完成的堵头装配结构进行试验件装配评估，避免设计不合理造成的叶片铸件报废等情况。

2、本发明实施例中，提供一种适用于燃气轮机单晶涡轮动叶的榫头堵头结构设计方法，包括：

3、s101、确定涡轮叶片的榫头上需要堵塞的进气孔，分析所述进气孔至少包括进气孔所处榫头的纵向与横向位置、进气孔横截面积、进气孔长度的三维形貌；

4、s102、确定所述进气孔的堵头装配孔设计允许的最小截面积与最大长度；

5、s103、确定堵头装配孔，设计至少包括所述堵头装配孔的底部入口段、连接所述底部入口段的变形引导段及喉部结构；

6、s104、确定堵头结构，所述堵头包括：堵头过渡段、堵头变形段及堵头引导段，所述堵头变形段的直径与所述堵头装配孔的底部入口段直径保持一致，所述堵头变形段为圆形薄壁结构，所述堵头引导段的顶部外圆截面积小于堵头装配孔底部入口段的截面积；

7、s105、设计堵头通气孔；

8、s106、确定堵头装配孔与堵头的装配关系，堵头装配孔入口段与堵头变形段按孔轴间隙配合，配合公差参照孔轴间隙配合公差表；

9、s107、评估堵头装配孔与堵头生产工艺，对铸造工艺性和机加工艺性不满足要求的，重新设计堵头装配孔、更改堵头设计；

10、s108、通过3d打印的方式，采用高温合金快速加工叶片榫头堵头装配孔局部结构及堵头试验件，进行试装配，如仅使用橡胶锤或其他软性工具即可完成安装，且安装后堵头松紧度合适，则堵头装配结构设计完成；否则，分析原因，返回s103或s104重新设计。

11、进一步地，确定堵头装配孔，设计至少包括所述堵头装配孔的底部入口段、连接所述底部入口段的变形引导段及喉部结构，包括：

12、确定所述底部入口段截面为圆形，圆心位于榫头的中线上，所述底部入口段的截面积不小于设计允许的最小截面积，不大于堵头装配孔最顶部截面积；

13、确定所述底部入口段后为堵头装配孔的变形引导段，该段横截面直径沿榫头长方向由底部向顶部逐渐增大，在变形引导段顶部至少增大至入口段直径的1.1倍，但不大于原进气孔的直径。

14、进一步地，所述方法，包括：

15、确定变形引导段在允许的范围内尽可能设计地较长，便于与堵头形成配合；所述变形引导段顶部为喉部，沿榫头短方向孔两侧各设计一个凸台，凸台两侧与变形引导段平滑过渡，凸台所处位置引导段截面积不应小于入口段截面积；凸台后为堵头装配孔与进气孔的过渡段，由堵头装配孔截面圆滑过渡到进气孔截面。

16、进一步地，确定堵头结构，包括：

17、确定所述堵头过渡段为堵头变形段与不进入装配孔的底板间的过渡，其过渡段截面为圆形，最窄处圆形直径小于堵头装配孔底部入口直径；堵头的最底部为底板，底板截面积为圆形或方形，底板宽度小于榫头底部宽度，底板厚度小于叶片安装后榫头底部到轮盘榫槽底部的距离。

18、进一步地，确定堵头结构的加工材料，堵头选择镍基高温合金，高温合金耐温等级应高于叶片榫头的温度，所选材料易于加工，硬度小于叶片硬度。

19、进一步地，设计堵头通气孔，包括：

20、在堵头底板及过渡段中间设置通气孔，所述通气孔的横截面为圆形，其直径根据涡轮动叶冷却设计和叶片内部冷却通道流量计算确定。

21、本发明所带来的有益效果如下：

22、从上述方案可以看出，本发明实施例提供一种适用于燃气轮机单晶涡轮动叶的榫头堵头结构设计方法，通过确定涡轮叶片的榫头上需要堵塞的进气孔，确定所述进气孔的堵头装配孔设计允许的最小截面积与最大长度，确定堵头装配孔和堵头结构，设计堵头通气孔，确定堵头装配孔与堵头的装配关系，堵头装配孔入口段与堵头变形段按孔轴间隙配合；评估堵头装配孔与堵头生产工艺，对铸造工艺性和机加工艺性不满足要求的，重新设计堵头装配孔、更改堵头设计；通过3d打印的方式，采用高温合金快速加工叶片榫头堵头装配孔局部结构及堵头试验件，进行试装配。本发明技术方案，能够解决常规榫头堵头设计方法无法适用于单晶涡轮动叶的问题，对设计完成的堵头装配结构进行试验件装配评估，避免设计不合理造成的叶片铸件报废等情况。

技术特征：

1.一种适用于燃气轮机单晶涡轮动叶的榫头堵头结构设计方法，其特征在于，所述设计方法，包括：

2.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机单晶涡轮动叶的榫头堵头结构设计方法，其特征在于，确定堵头装配孔，设计至少包括所述堵头装配孔的底部入口段、连接所述底部入口段的变形引导段及喉部结构，包括：

3.根据权利要求2所述的一种适用于燃气轮机单晶涡轮动叶的榫头堵头结构设计方法，其特征在于，所述方法，包括：

4.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机单晶涡轮动叶的榫头堵头结构设计方法，其特征在于，确定堵头结构，包括：

5.根据权利要求4所述的一种适用于燃气轮机单晶涡轮动叶的榫头堵头结构设计方法，其特征在于，确定堵头结构的加工材料，堵头选择镍基高温合金，高温合金耐温等级应高于叶片榫头的温度，所选材料易于加工，硬度小于叶片硬度。

6.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机单晶涡轮动叶的榫头堵头结构设计方法，其特征在于，设计堵头通气孔，包括：

技术总结本发明提供一种适用于燃气轮机单晶涡轮动叶的榫头堵头结构设计方法，通过确定涡轮叶片榫头上需要堵塞的进气孔，确定进气孔的堵头装配孔允许的最小截面积与最大长度，确定堵头装配孔和堵头结构；确定堵头装配孔与堵头的装配关系，堵头装配孔入口段与堵头变形段按孔轴间隙配合；评估堵头装配孔与堵头生产工艺，对铸造工艺性和机加工艺性不满足要求的，重新设计；通过3D打印的方式，采用高温合金快速加工叶片榫头堵头装配孔局部结构及堵头试验件进行试装配。本发明技术方案，能够解决常规榫头堵头设计方法无法适用于单晶涡轮动叶的问题，对设计完成的堵头装配结构进行试验件装配评估，避免设计不合理造成的叶片铸件报废等情况。技术研发人员：侯隆安,马海红,牛夕莹,卫嘉,李涛,林洪飞,刘宇受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇三研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/18