CN101464240A - 涡轮盘/叶片榫接高温复合疲劳加载方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种涡轮盘/叶片榫接高温复合疲劳加载装置，它由低周载荷加力机构、传力销钉、传力主拉力板、传力顶板、传力圆棒、叶片夹具、滚动轴承、压紧螺栓、高周传递板、高频加温圈、激振器组成。低周载荷加力机构与传力主拉力板通过传力销钉相连；传力主拉力板与传力圆棒通过滚动轴承相连；传力顶板的下端套装在传力圆棒上，上端与叶片夹具的承力凸耳通过滚动轴承连接；叶片夹具通过压紧螺栓与涡轮叶片进行连接；涡轮盘通过传力销钉与低周载荷加力机构相连；高周传递板通过压紧螺栓与叶片夹具相连；激振器位于高周载荷传递板的上方一侧。加载方法将低周载荷的施力点后移，使得高周小载荷顺利传到榫接处且沿榫齿应力分布合理，解决了复合载荷的相互干扰。

Description

涡轮盘/叶片榫接高温复合疲劳加载方法及其装置

(一)技术领域

本发明涉及航空发动机部件上一种加载方法及其装置，特别是涉及一种涡轮盘/叶片榫接高温复合疲劳加载方法及其装置，属于航空航天技术领域。

(二)背景技术

航空发动机涡轮盘和涡轮叶片通常采用枞树型榫接，榫接结构的可靠性是限制飞机和发动机寿命和安全可靠性的瓶颈。其原因在于涡轮盘榫槽/叶片榫齿是应力集中部位，极易产生裂纹，轻者裂纹超过标准后报废；重者导致叶片脱榫，造成重大事故。榫接部位的裂纹性质属于高温下的低频大载荷(主要为离心力)叠加高频小载荷(主要为高周叶片弯曲振动载荷)的复合疲劳。因此采用真实涡轮盘/叶片开展高温高低周复合疲劳试验是确保航空发动机涡轮部件安全可靠工作的必要手段。传统方法对真实涡轮盘/叶片榫接部位施加高温复合载荷的问题在于：在试验器上施加低频离心大载荷时，高频振动小载荷不容易顺利地传到榫接处且沿各榫齿合理分布应力；同时存在高低周载荷的相互干扰，很难再现实际载荷状态。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种涡轮盘/叶片榫接高温复合疲劳加载方法及其装置，它克服了现有技术的不足，较好的解决了真实涡轮榫接部位高温复合疲劳载荷施加的难点，从而，确保航空发动机涡轮部件高温高低周复合疲劳试验得以顺利进行，为航空发动机安全可靠工作提供了技术基础和安全保障。

2、技术方案：

本发明一种涡轮盘/叶片榫接高温复合疲劳加载装置，该装置由低周载荷上加力机构、低周载荷下加力机构、上传力销钉、下传力销钉、传力主拉力板、左传力顶板、右传力顶板、传力圆棒、叶片夹具、滚动轴承1、滚动轴承2、压紧螺栓1、压紧螺栓2、高周载荷传递板、高频感应加温圈、激振器组成。低周载荷上加力机构与传力主拉力板通过上传力销钉相连；传力主拉力板与传力圆棒通过一对滚动轴承1相连；左、右传力顶板的下端套装在传力圆棒上，上端与叶片夹具的承力凸耳通过一对滚动轴承2连接；每个承力凸耳分成两半，分别与叶片夹具上、下两片铸成一体；叶片夹具的上、下两片内腔分别按试验涡轮叶片的叶盆和叶背型面数据进行精确的数控加工，并通过四个压紧螺栓1与涡轮叶片进行连接；涡轮盘通过下传力销钉与低周载荷下加力机构相连，低周载荷下加力机构固定在疲劳试验机上；高周载荷传递板通过六个压紧螺栓2与叶片夹具相连；激振器位于高周载荷传递板的上方一侧。

本发明的原理及流程是：低周载荷施力点由上传力销钉通过传力主拉力板后移至榫槽后方，然后通过传力圆棒和左、右传力顶板从后方推至叶片夹具上的承力凸耳上。并且，在左、右传力顶板和承力凸耳上加一对滚动轴承2，这样在保证低周载荷很好传递的同时，使承力凸耳上的滑动摩擦变为滚动摩擦，摩擦系数减少了两个数量级，激振器产生的振动载荷可以很容易地克服承力凸耳面上的滚动摩擦力。如此可以在基本上不受损失的情况下高频振动小载荷顺利地传到真实涡轮盘榫槽和叶片的榫齿上。为进一步减少高周激振力的传递阻力，在传力主拉力板和传力圆棒上套加另一对滚动轴承1，这样对激振器的功率要求可以大幅度下降。

振动载荷由电磁激振器提供，用变频器实现不同振动频率的改变。通过控制激振器间隙的大小来调节激振点的振幅值，以提供准确的高频振动载荷。高周载荷通过传递板施加到叶片夹具上，从而顺利地传到涡轮盘/叶片的榫接处。

由于采用真实叶片进行试验，叶片夹具的上下两片内腔分别按试验涡轮叶片叶盆和叶背型面数据进行精确的数控加工。试验时，叶片的大离心载荷主要靠四个螺栓压紧两片夹板从而夹紧叶片的方式施加，即对榫接的拉力通过这种摩擦夹持的方法加载。这种加载方式可以很好地模拟叶片离心力的受力形式，保持叶片上的低频离心大载荷保真地向榫接传递。

采用高频感应加热器控制高温感应加温线圈，实现对涡轮盘的局部加温。

本发明一种涡轮盘/叶片榫接高温复合疲劳加载方法，通过改变低周载荷的传递路线，将低周载荷的施力点后移，这样在保证高频振动小载荷顺利传递到榫接并沿各榫齿合理分布应力的同时，巧妙地解决了高低周载荷的相互干扰问题。高温复合疲劳载荷是在低周载荷基础上叠加高周载荷谱，高、低周载荷同时施加，且在试验开始前先进行加温并保持40分钟。该方法具体步骤如下：

(1)高温的施加：

加温系统主要由高频感应加热炉、指针式电位差毫伏计、热电偶、计算机系统等组成。采用高频感应加热器，在轮盘试验榫槽周围局部加热，热电偶测温。使用该方法，在工作电压电流不大的情况下，十分钟即可加至550℃±10℃，并保持恒温，沿榫槽厚度方向基本上无温度梯度。防止高频感应加热炉在加温一段时间后出现电压电流漂移造成加温不稳定的现象，建立了一套自动加温系统，实现由微机进行温度控制。热电偶输出温度信号由放大器后经A/D转换，由计算机进行数据采集，运算处理后输出偏差量，经D/A转换、放大器放大后，控制高频炉的温度输出调节系统，使高频炉的功率输出在程序设定的数值附近变化，从而使试件上的温度控制在试验要求的温度范围内。目前的控制精度为±5-10℃，高频率的最高功率输出为60KW。

(2)低周载荷的施加：

低频离心大载荷由可进行发动机涡轮盘全尺寸低周疲劳试验的菲力轮试验器产生，计算机中的程序控制电液伺服阀，通过试验器上的液压作动筒同步加载到低周载荷加力机构上，而后通过传力顶板和叶片夹具上的承力凸耳、传力主拉力板和传力圆棒上的两对滚动轴承推加到叶片夹具上，利用叶片夹具和涡轮叶片型面衬片间的摩擦力传递到涡轮叶片上，从而顺利传递到涡轮盘/叶片榫接处。可采用多个液压缸对涡轮盘进行多轴同步加载，模拟涡轮盘实际工作状态。试验器可对直径不超过500mm的轮盘进行试验，至多可安装38个作动筒，每个作动筒均可施加0-100KN无级可调的载荷，位置可在360度范围内任意确定。电液伺服系统是实时控制改变液压载荷的主要部件，用计算机控制可实现梯形波、三角波等载荷谱波形。该系统的额定压力210Kg/cm²，流量Q＝60L/min，供油挂力范围0-210Kg/cm²，额定电流I＝±30mA，频率特性小于60Hz，流量允差±10％Q，要求供油过滤精度10-15μm。

(3)高周载荷的施加：

高频振动小载荷由电磁激振器提供，包括50Hz和100Hz两种频率，用变频器实现不同振动频率的改变。激振点距涡轮叶片根部约255mm，激振点处的全振幅用ZZF6-1型电涡流式位移振幅测量仪测定。振动频率为50Hz时保持激振器间隙为8mm，这时，激振点全振幅为5mm；振动频率为100Hz时保持间隙为4mm，激振点全振幅为2.5mm。这样，振动载荷通过高周载荷传递板施加到叶片夹具上，从而顺利地传到涡轮盘/叶片的榫接处。标定结果表明两种频比下传至榫槽第一榫齿上的振动载荷基本相同。

3、优点及功效：

本发明将高频振动小载荷传递过程中产生的滑动摩擦转变为滚动摩擦，减小了阻力，从而顺利地将高周载荷传递到榫槽/榫齿处且动态标定结果表明沿各榫齿应力分布合理，它巧妙地解决了高低周载荷的相互干扰问题，使涡轮盘/叶片榫接的应力符合真实工作状态。试验实例再现了涡轮盘榫接外场故障模式，得到的寿命与外场寿命一致。本发明对于确保航空发动机涡轮部件的安全可靠工作具有重要意义。

(四)附图说明

图1为本发明加载装置的主视图

图2为本发明加载装置的左视图

图3为本发明验证试验用的载荷谱

图中符号说明如下：

1.低周载荷上加力机构  2.上传力销钉  3.传力主拉力板  4.压紧螺栓15.叶片夹具  6.左传力顶板  7.高频感应加温圈  8.滚动轴承1  9.传力圆棒  10.右传力顶板  11.涡轮盘  12.滚动轴承2  13.涡轮叶片14.压紧螺栓2  15.高周载荷传递板  16.激振点  17.低周载荷下加力机构  18.下传力销钉  19.激振器

F载荷(吨)；t(s)时间(秒)；O-A-B-C低周载荷谱，梯形波；P高周循环；T温度(度)。

(五)具体实施方式

见图1、图2、图3所示，本发明一种涡轮盘/叶片榫接高温复合疲劳加载方法及其装置，具体实施如下：

本发明一种涡轮盘/叶片榫接高温复合疲劳加载装置，该装置由低周载荷上加力机构1、上传力销钉2、传力主拉力板3、压紧螺栓4、叶片夹具5、左传力顶板6、高频感应加温圈7、滚动轴承8、传力圆棒9、右传力顶板10、滚动轴承12、、压紧螺栓14、高周载荷传递板15、低周载荷下加力机构17、下传力销钉18、激振器19组成。

低周载荷上加力机构1与传力主拉力板3通过上传力销钉2相连；传力主拉力板3与传力圆棒9通过一对滚动轴承8相连；左、右传力顶板6、10的下端套装在传力圆棒9上，上端与叶片夹具5的承力凸耳通过一对滚动轴承12连接；每个承力凸耳分成两半，分别与上、下叶片夹具5铸成一体；叶片夹具5的上、下两片内腔分别按试验涡轮叶片13的叶盆和叶背型面数据进行精确的数控加工，并通过四个压紧螺栓4与涡轮叶片13进行连接；涡轮盘11通过下传力销钉18与低周载荷下加力机构17相连，低周载荷下加力机构17固定在疲劳试验机上；高周载荷传递板15通过六个压紧螺栓14与上叶片夹具5相连；激振器19位于高周载荷传递板15的上方一侧。

本发明一种涡轮盘/叶片榫接高温复合疲劳加载方法，通过改变低周载荷的传递路线，将低周载荷的施力点后移，这样在保证高频振动小载荷顺利传递到榫接并沿各榫齿合理分布应力的同时，巧妙地解决了高低周载荷的相互干扰问题。高温复合疲劳载荷是在低周载荷基础上叠加高周载荷谱，高、低周载荷同时施加，且在试验开始前先进行加温并保持40分钟。该方法具体步骤如下：

(1)高温的施加：

加温系统主要由高频感应加热炉、指针式电位差毫伏计、热电偶、计算机系统等组成。采用高频感应加热器，在轮盘试验榫槽周围局部加热，热电偶测温。使用该方法，在工作电压电流不大的情况下，十分钟即可加至550℃±10℃，并保持恒温，沿榫槽厚度方向基本上无温度梯度。防止高频感应加热炉在加温一段时间后出现电压电流漂移造成加温不稳定的现象，建立了一套自动加温系统，实现由微机进行温度控制。热电偶输出温度信号由放大器后经A/D转换，由计算机进行数据采集，运算处理后输出偏差量，经D/A转换、放大器放大后，控制高频炉的温度输出调节系统，使高频炉的功率输出在程序设定的数值附近变化，从而使试件上的温度控制在试验要求的温度范围内。目前的控制精度为±5-10℃，高频率的最高功率输出为60KW。

(2)低周载荷的施加：

低频离心大载荷由可进行发动机涡轮盘全尺寸低周疲劳试验的菲力轮试验器产生，计算机中的程序控制电液伺服阀，通过试验器上的液压作动筒同步加载到低周载荷上加力机构1，而后通过左、右传力顶板6、10和叶片夹具5上的承力凸耳、传力主拉力板3和传力圆棒9上的两对滚动轴承8、12推加到叶片夹具5上，利用叶片夹具5和涡轮叶片13型面衬片间的摩擦力传递到涡轮叶片13上，从而顺利传递到涡轮盘/叶片榫接处。可采用多个液压缸对涡轮盘进行多轴同步加载，模拟涡轮盘实际工作状态。试验器可对直径不超过500mm的轮盘进行试验，至多可安装38个作动筒，每个作动筒均可施加0-100KN无级可调的载荷，位置可在360度范围内任意确定。电液伺服系统是实时控制改变液压载荷的主要部件，用计算机控制可实现梯形波、三角波等载荷谱波形。该系统的额定压力210Kg/cm²，流量Q＝60L/min，供油挂力范围0-210Kg/cm²，额定电流I＝±30mA，频率特性小于60Hz，流量允差±10％Q，要求供油过滤精度10-15μm。

(3)高周载荷的施加：

高频振动小载荷由激振器19提供，包括50Hz和100Hz两种频率，用变频器实现不同振动频率的改变。激振点16距涡轮叶片13根部约255mm，激振点16处的全振幅用ZZF6-1型电涡流式位移振幅测量仪测定。振动频率为50Hz时保持激振器间隙为8mm，这时，激振点16全振幅为5mm；振动频率为100Hz时保持间隙为4mm，激振点16全振幅为2.5mm。这样，振动载荷通过高周载荷传递板15施加到叶片夹具5上，从而顺利地传到涡轮盘/叶片的榫接处。标定结果表明两种频比下传至榫槽第一榫齿上的振动载荷基本相同。

Claims (2)

1、一种涡轮盘/叶片榫接高温复合疲劳加载装置，其特征在于：该装置由低周载荷上加力机构、低周载荷下加力机构、上传力销钉、下传力销钉、传力主拉力板、左传力顶板、右传力顶板、传力圆棒、叶片夹具、滚动轴承、滚动轴承、压紧螺栓、压紧螺栓、高周载荷传递板、高频感应加温圈、激振器组成；低周载荷上加力机构与传力主拉力板通过上传力销钉相连；传力主拉力板与传力圆棒通过一对滚动轴承相连；左、右传力顶板的下端套装在传力圆棒上，上端与叶片夹具的承力凸耳通过一对滚动轴承连接；每个承力凸耳分成两半，分别与叶片夹具上、下两片铸成一体；叶片夹具的上、下两片内腔分别按试验涡轮叶片的叶盆和叶背型面数据进行精确的数控加工，并通过四个压紧螺栓与涡轮叶片进行连接；涡轮盘通过下传力销钉与低周载荷下加力机构相连，低周载荷下加力机构固定在疲劳试验机上；高周载荷传递板通过六个压紧螺栓与叶片夹具相连；激振器位于高周载荷传递板的上方一侧。

2、一种涡轮盘/叶片榫接高温复合疲劳加载方法，通过改变低周载荷的传递路线，将低周载荷的施力点后移，这样在保证高频振动小载荷顺利传递到榫接并沿各榫齿合理分布应力的同时，解决了高低周载荷的相互干扰问题；高温复合疲劳载荷是在低周载荷基础上叠加高周载荷谱，高、低周载荷同时施加，且在试验开始前先进行加温并保持40分钟；其特征在于：该方法具体步骤如下：

(1)高温的施加：

加温系统主要由高频感应加热炉、指针式电位差毫伏计、热电偶、计算机系统等组成；采用高频感应加热器，在轮盘试验榫槽周围局部加热，热电偶测温；使用该方法，在工作电压电流不大的情况下，十分钟即可加至550℃±10℃，并保持恒温，沿榫槽厚度方向基本上无温度梯度；防止高频感应加热炉在加温一段时间后出现电压电流漂移造成加温不稳定的现象，建立了一套自动加温系统，实现由微机进行温度控制；热电偶输出温度信号由放大器后经A/D转换，由计算机进行数据采集，运算处理后输出偏差量，经D/A转换、放大器放大后，控制高频炉的温度输出调节系统，使高频炉的功率输出在程序设定的数值附近变化，从而使试件上的温度控制在试验要求的温度范围内；目前的控制精度为±5-10℃，高频率的最高功率输出为60KW；

(2)低周载荷的施加：

低频离心大载荷由可进行发动机涡轮盘全尺寸低周疲劳试验的菲力轮试验器产生，计算机中的程序控制电液伺服阀，通过试验器上的液压作动筒同步加载到低周载荷加力机构上，而后通过传力顶板和叶片夹具上的承力凸耳、传力主拉力板和传力圆棒上的两对滚动轴承推加到叶片夹具上，利用叶片夹具和涡轮叶片型面衬片间的摩擦力传递到涡轮叶片上，从而顺利传递到涡轮盘/叶片榫接处；采用多个液压缸对涡轮盘进行多轴同步加载，模拟涡轮盘实际工作状态；试验器可对直径不超过500mm的轮盘进行试验，至多可安装38个作动筒，每个作动筒均可施加0-100KN无级可调的载荷，位置可在360度范围内任意确定；电液伺服系统是实时控制改变液压载荷的主要部件，用计算机控制可实现梯形波、三角波等载荷谱波形；该系统的额定压力210Kg/cm²，流量Q＝60L/min，供油挂力范围0-210Kg/cm²，额定电流I＝±30mA，频率特性小于60Hz，流量允差±10％Q，要求供油过滤精度10-15μm；

(3)高周载荷的施加：

高频振动小载荷由电磁激振器提供，包括50Hz和100Hz两种频率，用变频器实现不同振动频率的改变；激振点距涡轮叶片根部约255mm，激振点处的全振幅用ZZF6-1型电涡流式位移振幅测量仪测定；振动频率为50Hz时保持激振器间隙为8mm，这时，激振点全振幅为5mm；振动频率为100Hz时保持间隙为4mm，激振点全振幅为2.5mm；这样，振动载荷通过高周载荷传递板施加到叶片夹具上，从而顺利地传到涡轮盘/叶片的榫接处；标定结果表明两种频比下传至榫槽第一榫齿上的振动载荷基本相同。

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