CN106768755B - 一种用于燕尾形榫头涡轮叶片振动疲劳试验的一体式夹具及试验方法 - Google Patents

一种用于燕尾形榫头涡轮叶片振动疲劳试验的一体式夹具及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于燕尾形榫头涡轮叶片振动疲劳试验的一体式夹具及试验方法，包括一体式夹具本体燕尾形榫头涡轮叶片，所述一体式夹具本体燕尾形榫头涡轮叶片一端设置有榫槽夹口燕尾形榫头涡轮叶片，所述榫槽夹口燕尾形榫头涡轮叶片外侧面开设有与燕尾形榫头形状相同并可容置燕尾形榫头的榫槽，所述一体式夹具本体燕尾形榫头涡轮叶片顶部设置有调节紧固螺栓燕尾形榫头涡轮叶片，避免了叶片从榫头喉部R处断裂，可以顺利完成试验，达成试验的目标，减少试验件的数量，降低试验成本。

Description

一种用于燕尾形榫头涡轮叶片振动疲劳试验的一体式夹具及 试验方法
技术领域
本发明属于航空发动机叶片试验技术领域，涉及一种发动机燕尾形榫头涡轮叶片振动疲劳试验夹具及试验方法。
背景技术
发动机涡轮叶片所处的工作温度最高，应力最复杂、是发动机上环境最为恶劣的部位，其叶片数量较多，形状复杂，加工难度大，成品率较低，多采用高温合金制造，叶片成本高，是发动机的核心零件之一。涡轮叶片疲劳性能的好坏，直接影响发动机的寿命和可靠性工作。发动机的涡轮叶片上枞树形榫头应用最为广泛，燕尾形榫头涡轮叶片(参见图1)比较少见。为了评估燕尾形榫头涡轮叶片的疲劳储备，验证其加工工艺的合理性，预测和验证燕尾形榫头涡轮叶片的使用寿命需开展了涡轮叶片疲劳试验项目。由于国内是首次进行燕尾形榫头涡轮叶片的疲劳强度试验，缺少参考资料，通过检索，也未发现国外有关文献。
参照以往压气机叶片的燕尾形榫头疲劳试验夹具设计了钳口式夹具和后顶式夹具，但由于涡轮叶片叶身厚度要远大于压气机叶片，造成涡轮叶片榫头尺寸与考核部位叶身相比相对较小(榫头长18mm，厚度6.7mm)。在应用压气机叶片常用的两种夹具进行试验时，致使叶片榫头喉部出现应力集中，叶片从榫头喉部R处断裂，未能考核到叶身，致使试验失败。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于燕尾形榫头涡轮叶片疲劳试验的一体式振动夹具及试验方法，本发明设计合理，结构简单，解决了在试验过程中叶片从榫头喉部R处断裂的技术问题，通过本试验装置可以顺利完成试验，达成试验的目标，减少试验件的数量，提高生产效率，降低试验成本。
为达到上述目的，本发明所述一种用于燕尾形榫头涡轮叶片疲劳试验的一体式振动夹具包括一体式夹具本体，所述一体式夹具本体一端设置有榫槽夹口，所述榫槽夹口开设有用于夹持燕尾形榫头的榫槽，所述一体式夹具本体顶部设置有调节紧固螺栓。
所述一体式夹具本体榫槽上下采取薄壁拱桥弹性夹形式连接。
所述榫槽夹口与燕尾形榫头涡轮叶片的喉部R处间隙配合。
所述调节紧固螺栓贯穿一体式夹具本体，并通过螺纹调节榫槽的大小。
还包括连接法兰，所述连接法兰和一体式夹具本体一体成型。
所述一体成型的一体式夹具本体通过和连接法兰通过连接螺栓直接与振动台台面连接。
一种燕尾形榫头涡轮叶片振动疲劳试验的方法，其特征在于，该方法采用上述燕尾形榫头涡轮叶片振动疲劳试验一体式夹具，该方法包括以下步骤：
1)将一体式振动疲劳试验夹具置于振动台上，用夹具与连接螺栓将一体式夹具本体和连接法兰与振动台紧固连接；
2)按照试验要求，随机抽取燕尾形榫头涡轮叶片进行试验；
3)在燕尾形榫头涡轮叶片的叶身上粘贴应变片，进行应力分布和叶尖振幅测量，粘贴应变片的位置应根据叶片应力分布特点确定；
4)将粘贴好应变片的燕尾形榫头涡轮叶片装入一体式夹具本体中；
5)逐步调节紧固螺栓，以测试出燕尾形榫头涡轮叶片的最小夹紧力矩，用测得的最小夹紧力矩固持燕尾形榫头涡轮叶片；
6)将燕尾形榫头涡轮叶片上每片应变片的引线与用于测叶片应变的动静态多通道应变仪的相应通道连接；再将动静态多通道应变仪和激光位移传感器与试验控制台(11)连接；
7)控制振动台以加速度为1g载荷振动扫频，以找到燕尾形榫头涡轮叶片(7)的一阶弯曲共振频率；
8)逐级加载振动载荷进行测试，记录不同振动载荷下动静态多通道应变仪中各通道应变值及激光位移传感器测得的叶尖振幅值，确定最大应力位置，以确定最大应力——叶尖振幅关系；
9)在规定的试验载荷下，进行疲劳强度试验；
10)记录疲劳强度试验结果，继续完成疲劳强度试验时，更换燕尾形榫头涡轮叶片，重复步骤3)至8)即可。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明通过采用一体式夹具本体，并在夹具本体中设置与燕尾形榫头形状匹配的榫槽，以及用于调节榫槽夹紧力的调节紧固螺栓，避免了叶片从榫头喉部R处断裂，可以顺利完成试验，达成试验的目标，减少试验件的数量，降低试验成本。
进一步的，一体式夹具本体燕尾榫槽上下采取薄壁拱桥弹性夹形式连接，该结构兼具支撑刚性及变形弹性，消除附加弯矩，既保证一体式夹具有足够的刚性，又可增加榫槽与叶片榫头工作面的接触面积，解决夹具加工差异与叶片配合的一致性问题。
进一步的，榫槽夹口与燕尾形榫头涡轮叶片的喉部R处间隙配合，在保证足够夹紧力的同时，有效降低夹具对燕尾形榫头涡轮叶片的R处的表面接触应力，消除有害附加应力。
进一步的，调节紧固螺栓贯穿一体式夹具本体，并通过螺纹调节榫槽的大小，保证每件燕尾形榫头涡轮叶片的装夹位置和施力点一致，同时保证使用中有较精确位置度和垂直度。
进一步的，还包括连接法兰，连接法兰和一体式夹具本体为锻造一体成型结构，刚性好，能够将振动台的能量更直接、不失真的传递给燕尾形榫头涡轮叶片，避免了焊接或螺栓连接造成的振动夹具频响特性的失真。
进一步的，所述一体成型的一体式夹具本体通过和连接法兰通过连接螺栓直接与振动台台面连接，有利于振动台的能量不失真的传递给燕尾形榫头涡轮叶片。
采用该夹具进行试验，可准确得到叶片的疲劳强度，避免试验夹具可能带来的喉部表面接触应力，消除有害附加应力，使燕尾形榫头涡轮叶片振动疲劳试验有了适用合理的疲劳试验夹具，试验的加载应力精度较高，且装夹简单、方便，为批产叶片制造工艺可行性、稳定性评定，提供技术数据支持，确保发动机的安全使用。
附图说明
图1为燕尾形榫头涡轮叶片示意图；
图2为燕尾形榫头涡轮叶片一体式振动疲劳试验夹具示意图；
图3为夹具夹口处放大图；
图4为榫槽与叶片榫头配合示意图；
图5为燕尾形榫头涡轮叶片一体式振动疲劳试验系统示意图。
附图中：1、连接法兰；2、榫槽；3、一体式夹具本体；4、调节紧固螺栓；5、榫槽夹口；6、连接螺栓；7、燕尾形榫头涡轮叶片；8、喉部R处；9、激光位移传感器；10、振动台；11、试验控制台、12、薄壁拱桥弹性夹式连接处。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图2、图3和图4，一种用于燕尾形榫头涡轮叶片振动疲劳试验的一体式夹具包括锻造为一体的一体式夹具本体3和连接法兰1，所述一体式夹具本体3一端设置有榫槽夹口5，所述榫槽夹口5开设有用于夹持燕尾形榫头的榫槽2，所述一体式夹具本体3顶部设置有调节紧固螺栓4，调节紧固螺栓4贯穿一体式夹具本体3，并通过精密螺纹调节榫槽2的大小，保证每件燕尾形榫头涡轮叶片的装夹位置和施力点一致，同时保证使用中有较精确位置度和垂直度，一体式夹具本体3燕尾榫槽上下采取薄壁拱桥弹性夹形式连接，图2中12所指处为薄壁拱桥弹性夹式连接处，该结构兼具支撑刚性及变形弹性，消除附加弯矩，既保证一体式夹具有足够的刚性，又可增加榫槽2与叶片榫头工作面的接触面积，解决夹具加工差异与叶片配合的一致性问题。
榫槽夹口5外侧面与垂直面的角度α为10°，彻底避让开燕尾形榫头涡轮叶片7的喉部R处8，在保证足够夹紧力的同时，有效降低夹具对燕尾形榫头涡轮叶片7的R处8的表面接触应力，消除有害附加应力，避免了叶片从榫头喉部R处(易断裂部位)断裂。
一体式夹具本体3和连接法兰1通过连接螺栓6直接与振动台10的台面连接，有利于振动台的能量不失真的传递给燕尾形榫头涡轮叶片7。
参见图5，一种燕尾形榫头涡轮叶片振动疲劳试验的方法，包括以下步骤：
1)将一体式振动疲劳试验夹具置于振动台10，用夹具与连接螺栓6将一体式夹具本体和连接法兰1与振动台10紧固连接；
2)按照试验要求，随机抽取燕尾形榫头涡轮叶片7进行试验；
3)在燕尾形榫头涡轮叶片7的叶身上粘贴应变片，进行应力分布和叶尖振幅测量，粘贴应变片的位置应根据叶片应力分布特点确定；
4)将粘贴好应变片的燕尾形榫头涡轮叶片7装入一体式夹具本体3的榫槽2中；
5)逐步调节紧固螺栓4，以测试出燕尾形榫头涡轮叶片7的最小夹紧力矩，用测得的最小夹紧力矩固持该叶片；
6)将燕尾形榫头涡轮叶片7上每片应变片的引线与用于测叶片应变的动静态多通道应变仪的相应通道连接；再将动静态多通道应变仪和激光位移传感器9与试验控制台11连接，试验控制台11用于接收并分析动静态多通道应变仪和激光位移传感器9传递的测量数据；
7)控制振动台10以加速度为1g载荷振动扫频，以找到燕尾形榫头涡轮叶片7的一阶弯曲共振频率；
8)逐级加载振动载荷进行测试，记录不同振动载荷下动静态多通道应变仪中各通道应变值及激光位移传感器9测得的叶尖振幅值，确定最大应力位置，以确定最大应力——叶尖振幅关系；
9)在规定的试验载荷下，进行疲劳强度试验；
10)利用试验控制台11记录并分析疲劳强度试验结果，继续完成疲劳强度试验时，更换燕尾形榫头涡轮叶片7，重复步骤3)至8)即可。
用此试验装置和方法完成发动机燕尾形榫头第2级涡轮叶片振动疲劳试验，使燕尾形榫头涡轮叶片疲劳强度考核有了适用合理的疲劳试验夹具，通过反复试验，从获取的大量技术数据和试验结果可以证明该试验夹具可以真实、准确得到该叶片的疲劳强度，避免试验夹具可能带来的喉部表面接触应力，消除有害附加应力，造成非考核部位过早出现裂纹或多元线源。具有试验的应力加载精度较高，装夹简单、方便等优点，为批产叶片制造工艺可行性、稳定性评定提供技术数据支持，确保发动机的安全使用，为国内发动机燕尾形榫头涡轮叶片振动疲劳试验夹具设计创新提供了范例。

Claims (2)

1.一种用于燕尾形榫头涡轮叶片振动疲劳试验的一体式夹具，其特征在于，包括一体式夹具本体(3)，所述一体式夹具本体(3)一端设置有榫槽夹口(5)，所述榫槽夹口(5)开设有用于夹持燕尾形榫头的榫槽(2)，所述一体式夹具本体(3)顶部设置有调节紧固螺栓(4)，其特征在于，所述榫槽夹口(5)与燕尾形榫头涡轮叶片(7)的喉部R处(8)间隙配合，所述调节紧固螺栓(4)贯穿一体式夹具本体(3)，并通过螺纹调节榫槽(2)的大小；所述一体式夹具本体(3)的榫槽(2)上下采取薄壁拱桥弹性夹形式连接；
还包括连接法兰(1)，所述连接法兰(1)和一体式夹具本体(3)一体成型；所述一体成型的一体式夹具本体(3)通过和连接法兰(1)通过连接螺栓(6)直接与振动台(10)台面连接。
2.一种燕尾形榫头涡轮叶片振动疲劳试验的方法，其特征在于，该方法采用权利要求1所述的用于燕尾形榫头涡轮叶片振动疲劳试验一体式夹具，该方法包括以下步骤：
1)将一体式振动疲劳试验夹具置于振动台(10)上，用夹具与连接螺栓(6)将一体式夹具本体和连接法兰(1)与振动台(10)紧固连接；
2)按照试验要求，随机抽取燕尾形榫头涡轮叶片(7)进行试验；
3)在燕尾形榫头涡轮叶片(7)的叶身上粘贴应变片，进行应力分布和叶尖振幅测量，粘贴应变片的位置应根据该叶片的应力分布特点确定；
4)将粘贴好应变片的燕尾形榫头涡轮叶片(7)装入一体式夹具本体(3)中；
5)逐步调节紧固螺栓(4)，以测试出燕尾形榫头涡轮叶片(7)的最小夹紧力矩，用测得的最小夹紧力矩固持试验叶片(7)；
6)将燕尾形榫头涡轮叶片(7)上每片应变片的引线与用于测叶片应变的动静态多通道应变仪的相应通道连接；再将动静态多通道应变仪和激光位移传感器(9)与试验控制台(11)连接；
7)控制振动台(10)以加速度为1g载荷振动扫频，以找到燕尾形榫头涡轮叶片(7)的一阶弯曲共振频率；
8)逐级加载振动载荷进行测试，记录不同振动载荷下动静态多通道应变仪中各通道应变值及激光位移传感器(9)测得的叶尖振幅值，确定最大应力位置，以确定最大应力——叶尖振幅关系；
9)在规定的试验载荷下，进行疲劳强度试验；
10)记录疲劳强度试验结果，继续完成疲劳强度试验时，更换燕尾形榫头涡轮叶片(7)，重复步骤3)至8)即可。
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