CN107024386A - 用于叶片载荷施加的试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及叶片试验装置技术领域，尤其涉及一种用于叶片载荷施加的试验装置。该装置包括第一拉伸单元、第二拉伸单元、第一夹持单元以及第二夹持单元；所述第一拉伸单元通过所述第一夹持单元与待试验叶片的径向的一端连接，所述第二拉伸单元通过所述第二夹持单元与待试验叶片的径向的另一端连接；在垂直于所述待试验叶片的径向的方向上，所述第一拉伸单元与所述第一夹持单元的相对位置可调。本发明通过在垂直于叶片的径向的方向上调整第一拉伸单元相对第一夹持单元的位置，可使第一拉伸单元通过施加偏心载荷来对叶片待考核部位施加力矩，以模拟叶片实际的应力分布，使叶片疲劳试验的结果更加真实、准确，从而更好地评估叶片疲劳寿命，提高安全性。

Description

用于叶片载荷施加的试验装置
技术领域
本发明涉及叶片试验装置技术领域，尤其涉及一种用于叶片载荷施加的试验装置。
背景技术
航空发动机涡轮叶片几何特征复杂，主要结构包括叶身、叶根和榫头，叶身又包括叶盆和叶背。航空发动机涡轮叶片作为航空发动机的核心部分，直接影响着航空发动机的安全性和可靠性。其断裂失效主要由低循环疲劳或蠕变断裂造成，故开展涡轮叶片疲劳寿命试验对涡轮叶片寿命的评定具有重大意义。航空发动机涡轮叶片的工作环境极为恶劣，需要时刻承受离心载荷、气动载荷、热载荷和振动载荷等时变载荷，使得叶片应力分布极不均匀，因此模拟涡轮叶片考核部位的应力分布面临很大的困难。
而现有的叶片疲劳寿命试验夹具主要是通过螺栓将叶片固定，不仅极易损伤叶片，而且难以模拟叶片实际的应力分布，给叶片寿命评估带来了极大误差。因此如何合理的模拟涡轮叶片考核部位的实际应力分布是叶片疲劳寿命试验的关键问题。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中无法模拟叶片实际载荷分布的技术问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种用于叶片载荷施加的试验装置。该装置包括第一拉伸单元、第二拉伸单元、第一夹持单元以及第二夹持单元；所述第一拉伸单元通过所述第一夹持单元与待试验叶片的径向的一端连接，所述第二拉伸单元通过所述第二夹持单元与待试验叶片的径向的另一端连接；在垂直于所述待试验叶片的径向的方向上，所述第一拉伸单元与所述第一夹持单元的相对位置可调。
其中，所述第一夹持单元包括相对设置的第一夹板和第二夹板，所述第一夹板朝向所述第二夹板的一侧上设有第一楔形块，所述第二夹板朝向所述第一夹板的一侧上设有第二楔形块，所述第一楔形块朝向所述第二楔形块的一侧设有与所述待试验叶片的叶盆的形状相适应的曲面、用于在所述第一夹板和所述第二夹板相向移动指定距离后抵紧所述叶盆，所述第二楔形块朝向所述第一楔形块的一侧设有与所述待试验叶片的叶背的形状相适应的曲面、用于所述第一夹板和所述第二夹板相向移动指定距离后抵紧所述叶背。
其中，所述第一夹板和/或所述第二夹板上设有冷却通道。
其中，所述第一拉伸单元包括第一转接头和第一夹头，所述第一夹头的一端设有用于与试验机连接的第一连接孔、另一端设有第一凹槽，所述第一转接头上设有分别向相反方向延伸的第一插板和第二插板，所述第一插板插设在所述第一凹槽内、并通过销轴与所述第一夹头转动连接，所述第二插板插设在所述第一夹板和所述第二夹板之间、并通过销轴与所述第一夹板和所述第二夹板转动连接。
其中，所述第一插板的两侧与所述第一凹槽的两侧壁之间均具有用于插设多个垫片的间隙。
其中，所述第二插板的两侧与所述第一夹板和所述第二夹板之间均具有用于插设多个垫片的间隙。
其中，所述第一插板与所述第二插板互相垂直。
其中，所述第一连接孔的轴向与所述第一凹槽的长度方向互相垂直。
其中，所述第二夹持单元上设有安装槽和向外延伸的第三插板，所述安装槽与所述叶片的榫头卡接，所述第二拉伸单元的一端设有用于与试验机连接的第二连接孔、另一端设有第二凹槽，所述第三插板插设在所述第二凹槽内、并通过销轴与所述第二拉伸单元转动连接。
其中，所述第三插板的两侧与所述第二凹槽的两侧壁之间均具有用于插设多个垫片的间隙。
本发明通过在垂直于待试验叶片的径向的方向上调整第一拉伸单元相对第一夹持单元的位置，使第一拉伸单元对待试验叶片施加周向力矩和/或轴向力矩来模拟待试验叶片实际的应力分布，使叶片载荷试验的结果更加真实、准确，从而更好地反映了待试验叶片在实际飞行状态下的受载情况，为待试验叶片的定寿、延寿提供了依据，进而可更好地评估叶片疲劳寿命。
附图说明
图1是本发明实施例中用于叶片载荷施加的试验装置的正视图；
图2是本发明实施例中用于叶片载荷施加的试验装置的侧视图；
图3是本发明实施例中用于叶片载荷施加的试验装置的轴侧视图。
附图标记说明：
1、第一夹头；1-1、第一连接孔；1-2、第一凹槽；
2、第一转接头；2-1、第一插板；2-2、第二插板；
3-1、第一夹板；3-2、第二夹板；3-3、第一楔形块；
3-4、第二楔形块；4、第二夹持单元；4-1、安装槽；
4-2、第三插板；5、第二拉伸单元；5-1、第二连接孔；
5-2、第二凹槽，6、待试验叶片。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。
结合图1至图3所示，本发明实施例提供的一种用于叶片载荷施加的试验装置，该装置包括第一拉伸单元、第二拉伸单元5、第一夹持单元以及第二夹持单元4；第一拉伸单元通过第一夹持单元与待试验叶片6的径向的一端连接，第二拉伸单元5通过第二夹持单元4与待试验叶片6的径向的另一端连接；在垂直于待试验叶片6的径向的方向上，第一拉伸单元与第一夹持单元的相对位置可调。
由此，当需要给待试验叶片6施加力矩时，可在垂直于待试验叶片6的径向的方向上调整第一拉伸单元的位置，使由试验机传递过来的载荷通过第一拉伸单元对待试验叶片6施加周向力矩和/或轴向力矩。此时待试验叶片6的考核截面上的径向应力沿轴向方向的分布更加符合叶片在实际飞行状态下的情况。
此时待试验叶片6既受到作用力又受到力矩，更加符合实际的受力情况。
其中，第一夹持单元包括相对设置的第一夹板3-1和第二夹板3-2，第一夹板3-1朝向第二夹板3-2的一侧上设有第一楔形块3-3，第二夹板3-2朝向第一夹板3-1的一侧上设有第二楔形块3-4，第一楔形块3-3朝向第二楔形块3-4的一侧设有与待试验叶片6的叶盆的形状相适应的曲面、用于在第一夹板3-1和第二夹板3-2相向移动指定距离后抵紧叶盆，第二楔形块3-4朝向第一楔形块3-3的一侧设有与待试验叶片6的叶背的形状相适应的曲面、用于第一夹板3-1和第二夹板3-2相向移动指定距离后抵紧叶背。
当进行试验时，首先将叶片的叶身放置在第一楔形块3-3和第二楔形块3-4之间，使叶盆朝向第一楔形块3-3，叶背朝向第二楔形块3-4。然后通过拧紧用于连接第一夹板3-1和第二夹板3-2的螺栓，使第一夹板3-1和第二夹板3-2相向移动，直至第一楔形块3-3和第二楔形块3-4与叶片的两侧面完全贴合并夹紧叶片。另外，叶片与第一楔形块3-3和第二楔形块3-4之间可设置石棉垫片，以实现隔热和增大摩擦。优选地，第一楔形块3-3与第一夹板3-1、第二楔形块3-4与第二夹板3-2均为可拆卸连接。这样设置的好处在于，由于不同的叶片具有不同的曲面形状，可通过替换第一楔形块3-3和第二楔形块3-4，实现对不同叶片的无损伤的夹持。
进一步地，第一夹板3-1和/或第二夹板3-2上设有冷却通道。当模拟叶片在高温状态下的载荷分布给叶片进行加热时，热量会通过叶片传导至第一楔形块3-3、第二楔形块3-4、第一夹板3-1以及第二夹板3-2，进而导致第一楔形块3-3、第二楔形块3-4、第一夹板3-1以及第二夹板3-2发生热胀冷缩。因此，通过在冷却通道中通入冷水或制冷剂，可极大地降低第一楔形块3-3、第二楔形块3-4、第一夹板3-1以及第二夹板3-2的温度，进而有效避免夹持力下降和材料性能衰退的现象发生。需要说明的是，该冷却通道的形状可以但不限于是直线型、曲线型或二者的结合等，只要能够保证第一楔形块3-3、第二楔形块3-4、第一夹板3-1以及第二夹板3-2不因温度过高而无法夹紧叶片即可。
优选地，第一拉伸单元包括第一转接头2和第一夹头1，第一夹头1的一端设有用于与试验机连接的第一连接孔1-1、另一端设有第一凹槽1-2，第一转接头2上设有分别向相反方向延伸的第一插板2-1和第二插板2-2，第一插板2-1插设在第一凹槽1-2内、并通过销轴与第一夹头1转动连接，即安装时销轴的一端依次穿过第一凹槽1-2的一侧侧壁、第一插板2-1插设在第一凹槽1-2内的部分以及第一凹槽1-2的另一侧侧壁。第二插板2-2插设在第一夹板3-1和第二夹板3-2之间、并通过销轴与第一夹板3-1和第二夹板3-2转动连接，即安装时销轴的一端依次穿过第一夹板3-1、第二插板2-2插设在第一夹板3-1和第二夹板3-2之间的部分以及第二夹板3-2。
优选地，第一插板2-1的两侧与第一凹槽1-2的两侧壁之间均具有用于插设多个垫片的间隙。由于，第一夹头1与试验机连接，第一转接头2通过第一夹板3-1和第二夹板3-2与待试验叶片6连接。因此，通过在两侧间隙中放置一定数目的垫片，使第一转接头2与第一夹头1之间的相对位置发生偏移，就相当于使待试验叶片6与试验机即施力机构之间的相对位置发生偏移。由此，当试验机对待试验叶片6施加作用力时，就会产生第一力矩，该第一力矩的方向与第一插板2-1的长度方向相同。
优选地，第二插板2-2的两侧与第一夹板3-1和第二夹板3-2之间均具有用于插设多个垫片的间隙。由于，第一夹板3-1和第二夹板3-2与待试验叶片6连接，第一转接头2通过第一夹头1与试验机连接。因此，通过在两侧间隙中放置一定数目的垫片，使第一转接头2与第一夹板3-1和第二夹板3-2之间的相对位置发生偏移，就相当于使试验机传递过来的作用力与待试验叶片6之间的相对位置发生偏移。由此，当试验机对叶片施加作用力时，就会产生第二力矩，该第二力矩的方向与第二插板2-2的长度方向相同。
优选地，第一插板2-1与第二插板2-2互相垂直，即第一力矩与第二力矩互相垂直，也就是说第一力矩为周向力矩，第二力矩为轴向力矩。
进一步地，第一连接孔1-1的轴向与第一凹槽1-2的长度方向互相垂直。由于，第一插板2-1插设在第一凹槽1-2内，且第一插板2-1与第二插板2-2垂直。因此，第一连接孔1-1的轴向、第一插板2-1和第二插板2-2三者之间两两垂直。从而可避免第一力矩和/或第二力矩通过第一连接孔1-1传递到试验机主轴上而损坏试验机。
另外，第二夹持单元4上设有安装槽4-1和向外延伸的第三插板4-2，安装槽4-1与叶片的榫头卡接，第二拉伸单元5的一端设有用于与试验机连接的第二连接孔5-1、另一端设有第二凹槽5-2，第三插板4-2插设在第二凹槽5-2内、并通过销轴与第二拉伸单元5转动连接，即安装时销轴的一端依次穿过第二凹槽5-2的一侧侧壁、第三插板4-2插设在第二凹槽5-2内的部分以及第二凹槽5-2的另一侧侧壁。优选地，该安装槽4-1上设有至少一个向内延伸的限位部，该限位部插设在叶片榫头的凹陷部位，用于限制叶片榫头沿叶片径向方向的位移。更优选地，在与叶片径向方向垂直的方向上，该限位部与叶片榫头的凹陷部位之间存在间隙。
优选地，第三插板4-2的两侧与第二凹槽5-2的两侧壁之间均具有用于插设多个垫片的间隙。由于，第一拉伸单元与试验机连接，第夹持单元通过第一夹板3-1和第二夹板3-2与待试验叶片6连接。因此，通过在两侧间隙中设置不同数目的垫片，使第一拉伸单元与第二夹持单元4之间的相对位置发生偏移，就相当于使待试验叶片6与试验机之间的相对位置发生偏移。由此，当试验机对待试验叶片6施加作用力时，就会产生第三力矩，该第三力矩的方向与第三插板4-2的长度方向相同。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于叶片载荷施加的试验装置，其特征在于，包括第一拉伸单元、第二拉伸单元、第一夹持单元以及第二夹持单元；所述第一拉伸单元通过所述第一夹持单元与待试验叶片的径向的一端连接，所述第二拉伸单元通过所述第二夹持单元与待试验叶片的径向的另一端连接；在垂直于所述待试验叶片的径向的方向上，所述第一拉伸单元与所述第一夹持单元的相对位置可调。
2.根据权利要求1所述的用于叶片载荷施加的试验装置，其特征在于，所述第一夹持单元包括相对设置的第一夹板和第二夹板，所述第一夹板朝向所述第二夹板的一侧上设有第一楔形块，所述第二夹板朝向所述第一夹板的一侧上设有第二楔形块，所述第一楔形块朝向所述第二楔形块的一侧设有与所述待试验叶片的叶盆的形状相适应的曲面、用于在所述第一夹板和所述第二夹板相向移动指定距离后抵紧所述叶盆，所述第二楔形块朝向所述第一楔形块的一侧设有与所述待试验叶片的叶背的形状相适应的曲面、用于所述第一夹板和所述第二夹板相向移动指定距离后抵紧所述叶背。
3.根据权利要求2所述的用于叶片载荷施加的试验装置，其特征在于，所述第一夹板和/或所述第二夹板上设有冷却通道。
4.根据权利要求2或3所述的用于叶片载荷施加的试验装置，其特征在于，所述第一拉伸单元包括第一转接头和第一夹头，所述第一夹头的一端设有用于与试验机连接的第一连接孔、另一端设有第一凹槽，所述第一转接头上设有分别向相反方向延伸的第一插板和第二插板，所述第一插板插设在所述第一凹槽内、并通过销轴与所述第一夹头转动连接，所述第二插板插设在所述第一夹板和所述第二夹板之间、并通过销轴与所述第一夹板和所述第二夹板转动连接。
5.根据权利要求4所述的用于叶片载荷施加的试验装置，其特征在于，所述第一插板的两侧与所述第一凹槽的两侧壁之间均具有用于插设多个垫片的间隙。
6.根据权利要求4所述的用于叶片载荷施加的试验装置，其特征在于，所述第二插板的两侧与所述第一夹板和所述第二夹板之间均具有用于插设多个垫片的间隙。
7.根据权利要求4所述的用于叶片载荷施加的试验装置，其特征在于，所述第一插板与所述第二插板互相垂直。
8.根据权利要求7所述的用于叶片载荷施加的试验装置，其特征在于，所述第一连接孔的轴向与所述第一凹槽的长度方向互相垂直。
9.根据权利要求2或3所述的用于叶片载荷施加的试验装置，其特征在于，所述第二夹持单元上设有安装槽和向外延伸的第三插板，所述安装槽与所述叶片的榫头卡接，所述第二拉伸单元的一端设有用于与试验机连接的第二连接孔、另一端设有第二凹槽，所述第三插板插设在所述第二凹槽内、并通过销轴与所述第二拉伸单元转动连接。
10.根据权利要求9所述的用于叶片载荷施加的试验装置，其特征在于，所述第三插板的两侧与所述第二凹槽的两侧壁之间均具有用于插设多个垫片的间隙。
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