CN103196644A - 整体叶轮叶片振动疲劳试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整体叶轮叶片振动疲劳试验装置及试验方法，该试验装置包括振动试验台及整体叶轮，整体叶轮经夹具轴向压紧并固定在振动试验台上；振动试验台连接有用于起振的振动装置；整体叶轮连接有用于检测并记录试验参数的检测装置；整体叶轮上的相邻叶片之间设有用于使相邻叶片互相阻尼的橡胶阻尼块。本发明通过在整体叶轮上相邻叶片问设置橡胶阻尼块使得相邻叶片问互相阻尼，保证了对整体叶轮上单个叶片进行振动疲劳试验时其他叶片不能自由振动，既避免了对整体叶轮进行等分切割的麻烦，又避免了因支撑叶片的轮盘的刚性变化导致叶片固有频率的改变，从而保证了振动疲劳试验结果的可靠性。

Description

整体叶轮叶片振动疲劳试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及航空发动机试验领域，特别地，涉及一种航空发动机叶轮叶片振动疲劳试验装置及试验方法。

背景技术

航空发动机叶片是航空发动机中最关键的零件之一。由于叶片的振动疲劳失效可能会造成发动机空中停车故障，有时甚至可能造成严重等级事故。因此，在航空发动机研制阶段，进行叶片振动疲劳试验，查找出叶片设计和制造中的各种缺陷，是十分必要的，而且意义重大。

多数航空发动机的转子叶片与轮盘是分开式设计的，转子叶片的榫头必须安装在轮盘的榫槽中才能使叶片与轮盘连接在一起。这种不与轮盘制造成一体的单个转子叶片，其振动疲劳试验方法是：设计一种可模拟转子叶片与轮盘安装连接方式的专用夹具(或称转接段)，通过这种专用夹具将单个转子叶片悬臂安装固定在振动试验台上，振动试验台以一定的激振频率和激振力对单个转子叶片激振，使叶片在其某阶固有频率下以规定的振幅(或应力水平)进行振动，直到叶片固有频率下降1％(产生疲劳裂纹)。

整体叶轮(也称整体叶片盘)是现代航空发动机中广泛使用的一种先进结构，这种结构将叶片与轮盘经铸造或者锻造等机械加工方式做成一体，或将做好的单个叶片用电子束焊焊接到轮盘外缘而形成一体。对于整体叶轮叶片的振动疲劳试验方法，直至目前在国内外还未见有相关的文献资料进行过报道。为了对整体叶轮进行叶片的振动疲劳试验，可以将整体叶轮等分切割成单个叶片，然后按照如上所述的单个转子叶片的振动疲劳试验方法进行试验。

现有的整体叶轮叶片的振动疲劳试验方法，需要将整体叶轮等分切割成单个叶片，然后按照单个转子叶片的振动疲劳试验方法进行试验，但叶片沿叶高方向呈扭曲状、叶片前后缘呈弯曲状，有些整体叶轮(例如离心叶轮)不能等分切割成单个叶片，也就不能按照单个转子叶片的振动疲劳试验方法进行试验。另外，即使能将整体叶轮等分切割成单个叶片，一方面切割困难、费时费力；另一方面，切割成的单个叶片，由于支承叶片的盘体刚性变化，使叶片同有频率发生改变，从而影响叶片振动疲劳试验结果。

发明内容

本发明目的在于提供一种叶轮叶片振动疲劳试验装置及试验方法，以解决现有的一体式结构的整体叶轮的叶片难以切割及叶片振动疲劳试验效率低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种整体叶轮叶片振动疲劳试验装置，包括振动试验台及整体叶轮，整体叶轮经夹具轴向压紧并固定在振动试验台上；

振动试验台连接有用于起振的振动装置；整体叶轮连接有用于检测并记录试验参数的检测装置；

整体叶轮上的相邻叶片之间设有用于使相邻口f1片互相阻尼的橡胶阻尼块。

进一步地，橡胶阻尼块的厚度比整体叶轮上相邻叶片之间间距大0．5．1．5mm，橡胶阻尼块的长度大于整体叶轮上叶片长度的1／3；橡胶阻尼块的宽度大于整体叶轮上叶片宽度的1／2。

进一步地，振动装置包括用于控制振动试验台的激振频率及激振力的振动控制器，振动控制器的控制端连接有用于设置参数的计算机，振动控制器的输出端经功率放大器连接至振动试验台。

进一步地，振动装置还包括一用于对振动试验台的振动发热进行冷却的冷却风机。

进一步地，检测装置包括信号分析仪，信号分析仪连接有应变仪，整体叶轮的自由叶片上设有应变片，应变片将感应到的自由叶片的振动力转换为电信号，应变仪将电信号转换为应力水平参数传递给信号分析仪。

进一步地，信号分析仪还经激光位移前置控制器连接有激光位移传感器，激光位移传感器用于感应自由叶片的振动幅度并生成振幅信号。

进一步地，整体叶轮沿轴向的端子上设有加速度传感器，加速度传感器经电荷放大器连接至信号分析仪，加速度传感器用于感应整体叶轮的振动加速度并生成加速度信号传递给信号分析仪。

根据本发明的另一方面，还提供了一种整体叶轮叶片振动疲劳试验方法，应用上述的整体叶轮叶片振动疲劳试验装置，包括以下步骤：

将整体叶轮经夹具轴向压紧并固定在振动试验台上；

在整体叶轮上保留一个能够自由振动的自由叶片，即除了自由叶片与其相邻的两个叶片之间不塞入橡胶阻尼块外，在整体叶轮其余的相邻叶片之间均塞入橡胶阻尼块；

振动试验台以预定的激振频率和激振力对自由叶片激振，使自由叶片在其固有频率下以预定的振幅进行振动直到产生疲劳裂纹；

记录在振动疲劳试验过程中自由叶片的包括应力水平、振动频率、试验时问的试验参数。

进一步地，对整体叶轮上其他叶片进行振动疲劳试验时，通过调整橡胶阻尼块的位置将被试叶片设置成自由叶片，即除了被试叶片与其相邻的两个叶片之间不塞入橡胶阻尼块外，在整体叶轮其余的相邻叶片之间均塞入橡胶阻尼块。

本发明具有以下有益效果：

本发明整体叶轮叶片振动疲劳试验装置及试验方法，通过在整体叶轮上相邻叶片间设置橡胶阻尼块使得相邻叶片问互相阻尼，保证了对整体叶轮上单个叶片进行振动疲劳试验时其他叶片不能自由振动，既避免了对整体叶轮进行等分切割的麻烦，又避免了因支撑叶片的轮盘的刚性变化导致叶片固有频率的改变，从而保证了振动疲劳试验结果的可靠性；且在对整体叶轮上其他叶片进行振动疲劳试验时，不必要拆卸整体叶轮，只需要通过调整橡胶阻尼块的位置将被试叶片设置为自由叶片进行振动疲劳试验，从而提高了试验效率。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例整体叶轮叶片振动疲劳试验装置的结构示意图；以及

图2是本发明优选实施例中整体叶轮的俯视示意图。

附图标记：

10、振动试验台；1l、功率放大器；12、振动控制器；13、计算机；14、冷却风机；20、整体叶轮；21、自由叶片；22、橡胶阻尼块；30、夹具；4、加速度传感器；5、电荷放大器：6、应变仪；7、激光位移传感器；8、激光位移前置控制器；9、信号分析仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种整体叶轮叶片振动疲劳试验装置，包括振动试验台10及整体叶轮20，整体叶轮20经夹具30轴向压紧并固定在振动试验台10上；

振动试验台10连接有用于起振的振动装置；整体叶轮20连接有用于检测并记录试验参数的检测装置；

整体叶轮20上的相邻叶片之间设有用于使相邻叶片互相阻尼的橡胶阻尼块22。具体而言，将整体叶轮20上的被试叶片设置成可以自由振动的自由叶片21，即将自由叶片21与和自由叶片21相邻的两个叶片之间不塞入橡胶阻尼块22外，在整体叶轮20其他的相邻叶片之间均塞入橡胶阻尼块22，从而使得整体叶轮20上除自由叶片21外的其他叶片均相互阻尼而不能自由振动，从而省去了对整体叶轮20进行等分切割以进行单个叶片振动疲劳试验的麻烦。

在优选实施例中，橡胶阻尼块22的厚度比整体叶轮20上相邻叶片之间间距大0．5．1．5mm，橡胶阻尼块22的长度大于整体叶轮20上叶片长度的1／3；橡胶阻尼块22的宽度大于整体叶轮20上叶片宽度的1／2。此处橡胶阻尼块22的尺寸为优选的尺寸，本领域技术人员还可以根据需要对橡胶阻尼块22的尺寸进行改变，只要保证试验激振时被阻尼的叶片不能自由振动即可。夹具30可根据振动试验台10及整体叶轮20的结构情况设计加工而成，只需满足整体叶轮20在振动试验台10上固定并轴向压紧的要求。整体叶轮20的结构因发动机的型号不同而异，包括轴流叶轮、离心叶轮等，图2示出了轴流式整体叶轮的俯视示意图。

请继续参照图1，振动装置包括用于控制振动试验台10的激振频率及激振力的振动控制器12，振动控制器12的控制端连接有用于设置参数的计算机13，振动控制器12的输出端经功率放大器11连接至振动试验台10。较佳地，振动装置还包括一用于对振动试验台10的振动发热进行冷却的冷却风机14，冷却风机14的工作功率可由功率放大器11输入，从而满足在功率放大器11输出大功率时，由于振动试验台10的振动幅度及频率大，发热高，冷却风机14处于高功率工作状态；功率放大器11输出低功率时，振动试验台10相应的振动幅度及频率变小，发热少，冷却风机14处于低功率工作状态。

请继续参照图1，检测装置包括信号分析仪9，信号分析仪9连接有应变仪6，整体叶轮20的自由叶片21上设有应变片(图中未示出)，应变片将感应到的自由叶片21的振动力转换为电信号，应变仪6将电信号转换为应力水平参数传递给信号分析仪9。优选地，应变片粘贴在自由叶片21在固有频率下最大应力部位。

由于粘贴在自由叶片21上的应变片在经过一定试验时间后可能发生失效，较佳地，信号分析仪9还经激光位移前置控制器8连接有激光位移传感器7，激光位移传感器7用于感应自由叶片21的振动幅度并生成振幅信号。由于振幅与应力水平存在对应的映射关系，故信号分析仪9根据接收到的振幅信号即可得到相应的应力水平参数。

较佳地，整体叶轮20沿轴向的端子上设有加速度传感器4，加速度传感器4经电荷放大器5连接至信号分析仪9，加速度传感器4用于感应整体叶轮20的振动加速度并生成加速度信号传递给信号分析仪9。这样，信号分析仪9可以通过接收加速度传感器4采集到的振动加速度信号以对整体叶轮20的激振情况进行连续监测。

根据本发明的另一方面，一种整体叶轮叶片振动疲劳试验方法，应用本发明设计的整体叶轮叶片振动疲劳试验装置，包括以下步骤：

将整体叶轮20经夹具30轴向压紧并固定在振动试验台10上；

在整体叶轮20上保留一个能够自由振动的自由叶片21，即除了自由叶片21与其相邻的两个叶片之间不塞入橡胶阻尼块22外，在整体叶轮20其余的相邻叶片之间均塞入橡胶阻尼块22；

振动试验台10以预定的激振频率和激振力对自由叶片21激振，使自由叶片21在其固有频率下以预定的振幅进行振动直到产生疲劳裂纹；在优选实施例中，自由叶片21在激振的作用下在一阶弯曲固有频率下以规定的振幅进行振动，直到自由叶片21的一阶弯曲固有频率下降1％，即自由叶片21产生疲劳裂纹；

记录在振动疲劳试验过程中自由叶片21的包括应力水平、振动频率、试验时间的试验参数。根据自由叶片21的振动频率、试验时问，计算得到疲劳循环数。

当对整体叶轮20上其他叶片进行振动疲劳试验时，通过调整橡胶阻尼块22的位置将被试叶片设置成自由叶片21，即除了被试叶片与其相邻的两个叶片之问不塞入橡胶阻尼块22外，在整体叶轮20其余的相邻叶片之间均塞入橡胶阻尼块22。这样，不必把整体叶轮20从振动试验台10上拆卸下来，只需将欲要进行振动疲劳试验的被试叶片设置成可自由振动的状态，其余叶片之间采用橡胶阻尼块22进行阻尼，从而提高了对整体叶轮2(】上其他叶片进行振动疲劳试验的试验效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种整体叶轮叶片振动疲劳试验装置，包括振动试验台(10)及整体叶轮(20)，其特征在于：

所述整体叶轮(20)经夹具(30)轴向压紧并固定在所述振动试验台(10)上；

所述振动试验台(10)连接有用于起振的振动装置；所述整体叶轮(20)连接有用于检测并记录试验参数的检测装置；

所述整体叶轮(20)上的相邻叶片之间设有用于使所述相邻叶片互相阻尼的橡胶阻尼块(22)。

2.根据权利要求1所述的整体叶轮叶片振动疲劳试验装置，其特征在于：

所述橡胶阻尼块(22)的厚度比所述整体叶轮(20)上相邻叶片之间间距大0．5．1．5mm，所述橡胶阻尼块(22)的长度大于所述整体叶轮(20)上叶片长度的1／3；所述橡胶阻尼块(22)的宽度大于所述整体叶轮(20)上叶片宽度的1／2。

3.根据权利要求1或者2所述的整体叶轮叶片振动疲劳试验装置，其特征在于：

所述振动装置包括用于控制所述振动试验台(10)的激振频率及激振力的振动控制器(12)，所述振动控制器(12)的控制端连接有用于设置参数的计算机(13)，所述振动控制器(12)的输出端经功率放大器(11)连接至所述振动试验台(10)。

4.根据权利要求3所述的整体叶轮叶片振动疲劳试验装置，其特征在于：

所述振动装置还包括一用于对所述振动试验台(10)的振动发热进行冷却的冷却风机(14)。

5.根据权利要求1或者2所述的整体叶轮叶片振动疲劳试验装置，其特征在于：

所述检测装置包括信号分析仪(9)，所述信号分析仪(9)连接有应变仪(6)，所述整体叶轮(20)的自由叶片(21)上设有应变片，所述应变片将感应到的所述自由叶片(21)的振动力转换为电信号，所述应变仪(6)将所述电信号转换为应力水平参数传递给所述信号分析仪(9)。

6.根据权利要求5所述的整体叶轮叶片振动疲劳试验装置，其特征在于：

所述信号分析仪(9)还经激光位移前置控制器(8)连接有激光位移传感器(7)，所述激光位移传感器(7)用于感应所述自由叶片(21)的振动幅度并生成振幅信号。

7.根据权利要求5所述的整体叶轮叶片振动疲劳试验装置，其特征在于：

所述整体叶轮(20)沿轴向的端子上设有加速度传感器(4)，所述加速度传感器(4)经电荷放大器(5)连接至所述信号分析仪(9)，所述加速度传感器(4)用于感应所述整体叶轮(20)的振动加速度并生成加速度信号传递给所述信号分析仪(9)。

8.一种整体叶轮叶片振动疲劳试验方法，应用权利要求1至7任一项所述的整体叶轮叶片振动疲劳试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

将整体叶轮(20)经夹具(30)轴向压紧并固定在振动试验台(10)上；

在所述整体叶轮(20)上保留一个能够自由振动的自由叶片(21)，即除了所述自由叶片(21)与其相邻的两个叶片之问不塞入橡胶阻尼块(22)外，在所述整体叶轮(20)其余的相邻叶片之间均塞入橡胶阻尼块(22)；

所述振动试验台(10)以预定的激振频率和激振力对所述自由叶片(21)激振，使所述自由叶片(21)在其固有频率下以预定的振幅进行振动直到产生疲劳裂纹；

记录在振动疲劳试验过程中所述自由叶片(21)的包括应力水平、振动频率、试验时问的试验参数。

9.根据权利要求8所述的整体叶轮叶片振动疲劳试验方法，其特征在于：

对所述整体叶轮(20)上其他叶片进行振动疲劳试验时，通过调整橡胶阻尼块(22)的位置将被试叶片设置成自由叶片(21)，即除了所述被试叶片与其相邻的两个叶片之间不塞入橡胶阻尼块(22)外，在所述整体叶轮(20)其余的相邻叶片之问均塞入橡胶阻尼块(22)。

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