CN107421984B - 一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统及方法，包括高、低周载荷加载子系统、温度载荷加载子系统、冷却子系统及载荷协调控制子系统；高、低周载荷加载子系统对被专用夹具稳定夹持的涡轮叶片独立地施加高、低周载荷；温度载荷加载子系统对涡轮叶片考核截面进行加热；冷却子系统包括水冷部分和气冷部分，水冷部分用于试验过程中冷却，气冷部分用于协助实现试验中的温度循环及叶片内部冷却情况的模拟；载荷协调控制子系统用于控制各个系统协调工作。本发明能够模拟涡轮叶片考核截面服役过程中应力场、温度场、振动情况以及叶片内部冷却情况，进行涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验，为航空发动机安全可靠的工作提供保障。

Description

一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统及 方法

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮叶片复合疲劳试验系统及方法，特别是涉及一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统及方法，它能够模拟涡轮叶片考核截面服役过程中的应力场、温度场、振动情况以及叶片内部的冷却情况，在此基础上可以进行空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验，测试涡轮叶片寿命，为航空发动机安全可靠的工作提供保障，属于航空发动机技术领域。

背景技术

航空发动机涡轮叶片服役条件恶劣，不仅承受着交变的机械载荷与热载荷，而且涡轮叶片服役时还承受着由气动载荷诱发叶片横向振动及自身的小幅值、高频率的高周振动。目前涡轮叶片大多为带气膜冷却孔的空心叶片，叶片内外壁存在显著的温度梯度。在气膜冷却孔处，除了温度梯度还有应力集中效应。这些都使得涡轮叶片容易发生损坏。作为航空发动机的核心部件之一，涡轮叶片损坏后果很严重，因此开展涡轮叶片在复杂极端工况下的疲劳试验，以研究其疲劳性能，确定其疲劳寿命具有十分重要的意义。

北航闫晓军等针对涡轮叶片疲劳试验研制了涡轮叶片夹具(闫晓军,聂景旭.定向结晶涡轮叶片蠕变/疲劳寿命的试验与分析[J].航空动力学报,2005,20(6):925-931.)，该夹具利用互相垂直的两对销轴将夹具的主要零件进行连接，每个销轴联接的两个零件构成一个转向节；零件在销轴联接处存在间隙，通过调整销轴连接部位的间隙，可以调整叶片的应力分布。在此基础上，北航王荣桥、荆甫雷等(CN102539135A)基于该夹具，实现了涡轮叶片热机械疲劳试验系统。国内梁文、石炜、赵伟等(梁文,石炜,赵伟,等.DD6单晶涡轮叶片热机综合疲劳试验研究[J].燃气涡轮试验与研究,2015,28(5):29-32.)在该夹具基础上设计了二位移调节机构来调节叶片应力场，二位移调节机构主要利用一个丝杠机构，在平面坐标系(x，y)内调节叶冠夹具的前后及左右位置，从而调节涡轮叶片加载中心位置，实现应力场调试。但是上述夹具及系统均无法施加高周载荷。

北航王荣桥等提出了针对涡轮榫接模拟件的复合疲劳试验技术(CN201382883)，将低周载荷施加力点通过一传力圆棒后移至榫槽后方，用一传力支板从后方推至承力圆柱上，并在传力圆柱上增加滚动轴承。这样在保证低周载荷很好传递的同时，使承力圆柱面上的滑动摩擦变为滚动摩擦，激振器产生的振动载荷可以很容易地克服阻力，在此基础上可以实现涡轮叶片高低周复合疲劳试验。但是该方案针对涡轮榫接结构，无法调节真实叶片叶身的应力分布。

综上所述，在现有技术条件的基础上，无法实现调节涡轮叶片考核截面应力状态并同时施加施加高、低周载荷，因此无法实现涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统及方法，实现空心涡轮叶片在疲劳试验中稳定夹持，并且能够模拟涡轮叶片考核截面服役过程中的应力场、温度场、振动情况以及叶片内部的冷却情况，在此基础上可以实现空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验。

本发明的技术解决方案是：一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统，包括高周载荷加载子系统、低周载荷加载子系统、温度载荷加载子系统、冷却子系统及载荷协调控制子系统；高周载荷加载子系统、低周载荷加载子系统分别通过激振器和疲劳试验机对被专用夹具稳定夹持的空心涡轮叶片独立地施加高、低周载荷；温度载荷加载子系统通过高频感应加热炉和感应加热线圈对空心涡轮叶片的考核截面进行加热；冷却子系统包括水冷部分和气冷部分，水冷部分用于试验过程中疲劳试验机、高频感应加热炉、专用夹具以及感应加热线圈的冷却；气冷部分具有两方面的作用，空气压缩机压缩后的冷却空气经过减压稳压阀后，分为两路，一路经过质量流量控制器控制流量后通过专用夹具的冷却通道供给空心涡轮叶片内部，用于模拟空心涡轮叶片内部的冷却情况；另一路则与温度控制器控制的常闭电磁阀相连，当空心涡轮叶片的考核截面温度高于温度控制器设定温度时，常闭电磁阀打开，冷却空气对空心涡轮叶片的考核截面进行降温，该路与温度载荷加载子系统一起形成闭环，共同实现试验中的温度循环；载荷协调控制子系统控制低周载荷加载子系统、温度载荷加载子系统以及冷却子系统中气冷部分的协调工作，其中，载荷控制器控制疲劳试验机施加低周载荷的同时，会根据变化的低周载荷实时计算出相应的目标温度值，并将信号传递给温度控制器，温度控制器实时比较目标温度值与绑定在试件上热电偶测得的测量温度值的差异，当目标温度值高于测量温度值时，输出加热信号给温度载荷加载子系统中的高频感应加热炉和冷却子系统中的常闭电磁阀；反之，输出冷却信号；该系统能够实现空心涡轮叶片考核截面服役过程中应力场、温度场、振动情况以及叶片内部冷却情况的模拟，在此基础上可以进行空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验；试验过程中，涡轮叶片考核截面不及承受热机械疲劳载荷，还承受持续的高周振动，当涡轮叶片考核截面寿命达到规定循环次数或者发生破坏时，试验结束。

所述专用夹具由上接头、上叉子、承力梁、承力臂、限幅板、摆动臂、叶背夹具、叶盆夹具、榫头夹具、普通挡板、带气流通路的挡板、下叉子和下接头组成；上接头、下接头通过销轴分别与上叉子、下叉子相连；上叉子通过销轴与承力梁相连；承力梁通过键与承力臂固定；限幅板通过螺钉固定在承力臂上，试验时通过添加不同数量的垫片调节限幅板与承力臂之间的距离，垫片数量使得摆动臂按要求载荷谱振动时刚好碰到限幅板；承力臂通过圆柱滚子轴承与摆动臂连接；摆动臂通过键与叶背夹具固定；涡轮叶片夹在叶背夹具和叶盆夹具之间，叶背夹具和叶盆夹具通过螺栓连接在一起，并压紧在叶片具有弯扭特点的型面上，将载荷传递给叶片；榫头夹具带有与叶片榫头相配合的榫槽，榫头插入榫槽后可以起到传递载荷的作用；普通挡板和带气流通路的挡板均通过螺栓固定在榫头夹具上，用于限制叶片榫头的沿榫槽轴线的移动；榫头夹具通过销轴与下叉子相连；上接头与上叉子之间、上叉子与承力梁之间、榫头夹具与下叉子之间以及下叉子与下接头之间均有调节螺钉，通过调节螺钉的旋入长度改变各部分的相对位置，进而改变涡轮叶片与疲劳试验机主轴的相对位置，实现涡轮叶片的偏心拉伸，将单轴的拉伸载荷分解出使涡轮叶片产生弯曲、扭转变形的分量，在此基础上借助应变仪的测量，可以调整涡轮叶片的应力场，实现空心涡轮叶片的考核截面工作应力场的模拟。

所述叶片榫头夹具一侧带气流通路的挡板的进气通道、榫头夹具底部空腔、叶片内部的冷却通道共同组成了气流通路；从空气压缩机输出的压缩气流有一路通过带气流通路的挡板进入榫头夹具底部空腔中，进而进入空心涡轮叶片内部，最终通过专用夹具上部的开口处排出，从而模拟空心涡轮叶片内部的冷却情况。

所述专用夹具的承力臂与摆动臂在相同位置具有螺纹孔，在模拟空心涡轮叶片的考核截面服役条件过程中，首先进行应力场、内部冷却情况以及温度场的模拟，为了防止加载低周载荷时摆动臂的摆动，用螺钉将承力臂与摆动臂连接在一起，当应力场、内部冷却情况以及温度场的模拟完成后，松开将承力臂与摆动臂连接在一起的螺钉，进行振动情况的模拟。

本发明的一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验方法，步骤如下：

(1)专用夹具组装

所述专用夹具由上接头、上叉子、承力梁、承力臂、限幅板、摆动臂、叶背夹具、叶盆夹具、榫头夹具、普通挡板、带气流通路的挡板、下叉子和下接头组成；上接头、下接头通过销轴分别与上叉子、下叉子相连；上叉子通过销轴与承力梁相连；承力梁通过键与承力臂固定；限幅板通过螺钉固定在承力臂上，试验时通过添加不同数量的垫片调节限幅板与承力臂之间的距离，垫片数量使得摆动臂按要求载荷谱振动时刚好碰到限幅板；承力臂通过圆柱滚子轴承与摆动臂连接；摆动臂通过键与叶背夹具固定；涡轮叶片夹在叶背夹具和叶盆夹具之间，叶背夹具和叶盆夹具通过螺栓连接在一起，并压紧在叶片具有弯扭特点的型面上，将载荷传递给叶片；榫头夹具带有与叶片榫头相配合的榫槽，榫头插入榫槽后载荷可以起到传递载荷的作用；普通挡板和带气流通路的挡板均通过螺栓固定在榫头夹具上，用于限制叶片榫头的沿榫槽轴线的移动；榫头夹具通过销轴与下叉子相连；上接头与上叉子之间、上叉子与承力梁之间、榫头夹具与下叉子之间以及下叉子与下接头之间均有调节螺钉，通过调节螺钉的旋入长度改变各部分的相对位置，进而改变涡轮叶片与疲劳试验机主轴的相对位置，实现涡轮叶片的偏心拉伸，将单轴的拉伸载荷分解出使涡轮叶片产生弯曲、扭转变形的分量，在此基础上借助应变仪的测量，可以调整涡轮叶片的应力场，实现空心涡轮叶片的考核截面工作应力场的模拟；

(2)服役条件模拟

选取空心涡轮叶片考核截面4～6个测试点，粘贴好应变片，将步骤(1)中组装好的专用夹具装到疲劳试验机上，用螺钉将承力臂与摆动臂连接在一起。将粘贴好的应变片与应变仪相连，测量各个测试点的应力大小，通过调节上接头与上叉子之间、上叉子与承力梁之间、榫头夹具与下叉子之间以及下叉子与下接头之间的调节螺钉，进行偏心调节，使得空心涡轮叶片的考核截面内的应力场符合空心涡轮叶片工作状态下的真实情况；将压缩机气流引入带气流通路的挡板的接口，使压缩气流进入专用夹具气流通道，通过调节压缩机气流流量模拟空心涡轮叶片内部的气流冷却；通过调节感应加热线圈的形状以及与空心涡轮叶片的考核截面的相对位置，使得空心涡轮叶片的考核截面内的温度场符合叶片工作状态下的真实情况；通过添加垫片调节限幅板与承力臂之间的距离，使得摆动臂按正确载荷谱振动时刚好碰到限幅板，松开将承力臂与摆动臂连接在一起的螺钉，调节高周载荷加载子系统的函数信号发生器、功率放大器和激振器施加高周载荷，使得摆动臂刚好碰到限幅板，模拟空心涡轮叶片振动情况；

(3)试验过程

在完成步骤(2)后进行空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验，载荷控制器控制疲劳试验机施加低周载荷的同时，会根据变化的低周载荷实时计算出对应的目标温度值，并将其传递给温度控制器，温度控制器实时比较目标温度值与绑定在试件上热电偶测得的测量温度值的差异，当目标温度值高于测量温度值时，输出加热信号给温度载荷加载子系统中的高频感应加热炉和冷却子系统中的常闭电磁阀；此时常闭电磁阀关闭，试件被高频感应加热炉控制的感应线圈加热，当目标温度值低于测量温度值时，输出冷却信号给温度载荷加载子系统中的高频感应加热炉和冷却子系统中的常闭电磁阀，此时常闭电磁阀打开，冷却空气对空心涡轮叶片的考核截面进行降温；通过上述设备的协调工作，低周载荷与温度载荷同步的施加于涡轮叶片考核截面，实现涡轮叶片考核截面的热机械疲劳试验；此外，在整个试验过程中，函数信号发生器产生的、由功率放大器放大的高周载荷始终由激振器独立的通过专用夹具施加到涡轮叶片上；涡轮叶片考核截面在试验过程中承受叠加高周振动的热机械疲劳载荷，当涡轮叶片考核截面寿命达到规定循环次数或者发生破坏时，试验结束。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明解决了在现有技术条件的基础上难以实现涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验的难题，通过特殊设计的专用夹具实现了对涡轮叶片考核截面高、低周载荷的独立施加，通过高周载荷加载子系统、低周载荷加载子系统、温度载荷加载子系统、冷却子系统及载荷协调控制子系统的协调工作，能实现涡轮叶片考核截面服役过程中的应力场、温度场、振动情况以及叶片内部冷却情况的模拟，在此基础上开展叠加高周振动的热机械疲劳试验更加符合航空发动机涡轮叶片的真实服役状态，对于准确测试涡轮叶片寿命、保证航空发动机安全具有重要意义。

附图说明

图1为本发明专用夹具的上接头图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为俯视图；(d)为左视图；

图2为本发明专用夹具的上叉子图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为俯视图；(d)为左视图；

图3为本发明专用夹具的承力梁图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为左视图；(d)为俯视图；

图4为本发明专用夹具的承力臂图，其中(a)为外观图；(b)为俯视图；(c)为左视图；(d)为正视图；

图5为本发明专用夹具的限幅板图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为左视图；(d)为俯视图；

图6为本发明专用夹具的摆动臂图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为俯视图；(d)为左视图；

图7为本发明专用夹具的叶盆夹具图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为左视图；(d)为俯视图；

图8为本发明专用夹具的叶背夹具图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为左视图；(d)为俯视图；

图9为空心涡轮叶片图，其中(a)为正视图；(b)为俯视图；(c)为左视图；

图10为本发明专用夹具的榫头夹具图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为俯视图；(d)为左视图；

图11为本发明专用夹具的挡板(普通)图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为俯视图；(d)为左视图；

图12为本发明专用夹具的挡板(带气流通路)图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为俯视图；(d)为左视图；

图13为本发明专用夹具的下叉子图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为俯视图；(d)为左视图；

图14为本发明专用夹具的下接头图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为俯视图；(d)为左视图；

图15为本发明专用夹具安装总图；

图16为本发明的一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统；

图17为涡轮叶片考核截面测试点位置示意图，其中21～27为特定考核截面上的测试点；

图18为专用夹具调节螺钉示意图，其中28为销轴，29为调节螺钉；

图19为涡轮叶片与专用夹具组成的气流通路示意图；

图20为用于调节考核截面温度场的感应加热线圈示意图，其中a为涡轮叶片考核截面，b为空心铜管，c为焊接接头，d为塑料水管。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

本发明主要针对空心涡轮叶片的叠加高周振动的热机械疲劳试验系统，其中的高、低周载荷为行业内术语，低周载荷一般为大幅低频载荷(幅值一般大于5kN，频率一般小于1Hz)，高周载荷一般为小幅高频载荷(位移幅值一般小于1.5mm，频率一般大于10Hz)。

如图16所示，本发明系统包括高周载荷加载子系统、低周载荷加载子系统、温度载荷加载子系统、冷却子系统以及载荷协调控制子系统五部分。高周载荷加载子系统、低周载荷加载子系统分别通过激振器和疲劳试验机对被专用夹具稳定夹持的涡轮叶片独立地施加高周载荷、低周载荷；温度载荷加载子系统通过高频感应加热炉及感应加热线圈对空心涡轮叶片的考核截面进行加热。冷却子系统包括水冷部分和气冷部分，水冷部分用于试验过程中疲劳试验机、高频感应加热炉、专用夹具以及感应加热线圈的冷却；气冷部分具有两方面的作用，空气压缩机压缩后的冷却空气经过减压稳压阀后，分为两路，一路经过质量流量控制器控制流量后通过专用夹具的冷却通道供给空心涡轮叶片内部，用于模拟空心涡轮叶片内部的冷却情况；另一路则与温度控制器控制的常闭电磁阀相连，当空心涡轮叶片的考核截面温度高于温度控制器设定温度时，常闭电磁阀打开，冷却空气对空心涡轮叶片的考核截面进行降温，该路与温度载荷加载子系统一起形成闭环，共同实现试验中的温度循环。载荷协调控制子系统控制低周载荷加载子系统、温度载荷加载子系统以及冷却子系统中气冷部分的协调工作。其中，载荷控制器控制疲劳试验机施加低周载荷的同时，会根据变化的低周载荷实时计算出对应的目标温度值，并将其传递给温度控制器。温度控制器实时比较目标温度值与绑定在试件上热电偶测得的测量温度值的差异。当目标温度值高于测量温度值时，输出加热信号给温度载荷加载子系统中的高频感应加热炉和冷却子系统中的常闭电磁阀；此时常闭电磁阀关闭，试件被高频感应加热炉控制的感应线圈加热。当目标温度值低于测量温度值时，输出冷却信号给温度载荷加载子系统中的高频感应加热炉和冷却子系统中的常闭电磁阀，此时常闭电磁阀打开，冷却空气对空心涡轮叶片的考核截面进行降温。

本发明系统中涉及到专用夹具，其安装及调试过程如下：

(1)专用夹具组装

本发明中专用夹具如图15所示，其部件分别如图1-14所示，专用夹具由上接头1、上叉子2、承力梁3、承力臂4、限幅板5、摆动臂6、叶盆夹具7、叶背夹具8、榫头夹具10、普通挡板11、带气流通路的挡板12、下叉子13和下接头14组成。上接头1、下接头14通过销轴分别与上叉子2、下叉子13相连；上叉子2通过销轴与承力梁3相连；承力梁3通过键与承力臂4固定；限幅板5通过螺钉连在承力臂4上；承力臂4通过圆柱滚子轴承与摆动臂6连接；摆动臂6通过键与叶背夹具8固定；涡轮叶片8夹在叶盆夹具7和叶背夹具8之间，叶盆夹具7和叶背夹具8通过螺栓连接在一起，并压紧在叶片具有弯扭特点的型面上，将载荷传递给涡轮叶片9；榫头夹具10带有与涡轮叶片9榫头相配合的榫槽，榫头插入榫槽后可以起到传递载荷的作用；挡板11和12通过螺栓固定在榫头夹具10上，用于限制叶片榫头的沿榫槽轴线的移动；榫头夹具10通过销轴与下叉子13相连。

(2)服役条件模拟

在空心涡轮叶片9的考核截面上选取4～8个测试点(图17中21～27即为特定考核截面上的测试点)。然后，在测试点处粘贴好应变片。将上一步中组装好的专用夹具装到疲劳试验机上，用螺钉将承力臂4与摆动臂6连接在一起。将粘贴好的应变片与应变仪相连，测量各个测试点的应力大小。上接头1与上叉子2之间、上叉子2与承力梁3之间、榫头夹具10与下叉子13之间以及下叉子13与下接头14之间具有调节螺钉(如图18所示，其中28为销轴，29为调节螺钉)，通过调节上接头1与上叉子2之间、上叉子2与承力梁3之间、榫头夹具10与下叉子13之间以及下叉子13与下接头14之间的调节螺钉，进行偏心调节，使得空心涡轮叶片9的考核截面内的应力场符合空心涡轮叶片工作状态下的真实情况。将压缩机气流引入带气流通路的挡板12的接口，使压缩气流进入专用夹具气流通道(如图19所示，其中8为叶背夹具，9为空心涡轮叶片，10为榫头夹具)，通过调节压缩机气流流量模拟空心涡轮叶片内部的气流冷却。通过调节感应加热线圈的形状(如图20所示，其中a为涡轮叶片考核截面，b为空心铜管，c为焊接接头，d为塑料水管)以及与空心涡轮叶片9的考核截面的相对位置，使得空心涡轮叶片的考核截面内的温度场符合叶片工作状态下的真实情况。通过添加垫片调节限幅板5与承力臂4之间的距离，使得摆动臂6按正确载荷谱振动时刚好碰到限幅板5，松开将承力臂4与摆动臂6连接在一起的螺钉，调节高周载荷加载子系统的函数信号发生器、功率放大器和激振器施加高周载荷，使得摆动臂6刚好碰到限幅板5，模拟空心涡轮叶片8振动情况。

(3)试验过程

上述调试过程完成后可进行空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验。试验过程中，载荷控制器控制疲劳试验机通过专用夹具对涡轮叶片施加低周载荷的同时，会根据变化的低周载荷实时计算出对应的目标温度值，并将其传递给温度控制器。温度控制器实时比较目标温度值与绑定在试件上热电偶测得的测量温度值的差异。当目标温度值高于测量温度值时，输出加热信号给温度载荷加载子系统中的高频感应加热炉和冷却子系统中的常闭电磁阀；此时常闭电磁阀关闭，试件被高频感应加热炉控制的感应线圈加热。当目标温度值低于测量温度值时，输出冷却信号给温度载荷加载子系统中的高频感应加热炉和冷却子系统中的常闭电磁阀，此时常闭电磁阀打开，冷却空气对空心涡轮叶片的考核截面进行降温。通过上述设备的协调工作，低周载荷与温度载荷同步的施加于涡轮叶片考核截面，实现涡轮叶片考核截面的热机械疲劳试验。此外，在整个试验过程中，函数信号发生器产生的、由功率放大器放大的高周载荷始终由激振器独立的通过专用夹具施加到涡轮叶片上。因此，涡轮叶片考核截面在试验过程中承受叠加高周振动的热机械疲劳载荷，该试验属于叠加高周振动的热机械疲劳试验。当涡轮叶片考核截面寿命达到规定循环次数或者发生破坏时，试验结束。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统，其特征在于：包括高周载荷加载子系统、低周载荷加载子系统、温度载荷加载子系统、冷却子系统及载荷协调控制子系统；高周载荷加载子系统、低周载荷加载子系统分别通过激振器和疲劳试验机对被专用夹具稳定夹持的空心涡轮叶片独立地施加高、低周载荷；温度载荷加载子系统通过高频感应加热炉和感应加热线圈对空心涡轮叶片的考核截面进行加热；冷却子系统包括水冷部分和气冷部分，水冷部分用于试验过程中疲劳试验机、高频感应加热炉、专用夹具以及感应加热线圈的冷却；气冷部分具有两方面的作用，空气压缩机压缩后的冷却空气经过减压稳压阀后，分为两路，一路经过质量流量控制器控制流量后通过专用夹具的冷却通道供给空心涡轮叶片内部，用于模拟空心涡轮叶片内部的冷却情况；另一路则与温度控制器控制的常闭电磁阀相连，当空心涡轮叶片的考核截面温度高于温度控制器设定温度时，常闭电磁阀打开，冷却空气对空心涡轮叶片的考核截面进行降温，该路与温度载荷加载子系统一起形成闭环，共同实现试验中的温度循环；载荷协调控制子系统控制低周载荷加载子系统、温度载荷加载子系统以及冷却子系统中气冷部分的协调工作，其中，载荷控制器控制疲劳试验机施加低周载荷的同时，会根据变化的低周载荷实时计算出相应的目标温度值，并将信号传递给温度控制器，温度控制器实时比较目标温度值与绑定在试件上热电偶测得的测量温度值的差异，当目标温度值高于测量温度值时，输出加热信号给温度载荷加载子系统中的高频感应加热炉和冷却子系统中的常闭电磁阀；反之，输出冷却信号；该系统能够实现空心涡轮叶片考核截面服役过程中应力场、温度场、振动情况以及内部冷却情况的模拟，在此基础上可以进行空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验；试验过程中，涡轮叶片考核截面不仅承受热机械疲劳载荷，还承受持续的高周振动，当涡轮叶片考核截面寿命达到规定循环次数或者发生破坏时，试验结束；

所述专用夹具由上接头、上叉子、承力梁、承力臂、限幅板、摆动臂、叶背夹具、叶盆夹具、榫头夹具、普通挡板、带气流通路的挡板、下叉子和下接头组成；上接头、下接头通过销轴分别与上叉子、下叉子相连；上叉子通过销轴与承力梁相连；承力梁通过键与承力臂固定；限幅板通过螺钉固定在承力臂上，试验时通过添加不同数量的垫片调节限幅板与承力臂之间的距离，垫片数量使得摆动臂按要求载荷谱振动时刚好碰到限幅板；承力臂通过圆柱滚子轴承与摆动臂连接；摆动臂通过键与叶背夹具固定；涡轮叶片夹在叶背夹具和叶盆夹具之间，叶背夹具和叶盆夹具通过螺栓连接在一起，并压紧在叶片具有弯扭特点的型面上，将载荷传递给叶片；榫头夹具带有与叶片榫头相配合的榫槽，榫头插入榫槽后可以起到传递载荷的作用；普通挡板和带气流通路的挡板均通过螺栓固定在榫头夹具上，用于限制叶片榫头的沿榫槽轴线的移动；榫头夹具通过销轴与下叉子相连；上接头与上叉子之间、上叉子与承力梁之间、榫头夹具与下叉子之间以及下叉子与下接头之间均有调节螺钉，通过调节螺钉的旋入长度改变各部分的相对位置，进而改变涡轮叶片与疲劳试验机主轴的相对位置，实现涡轮叶片的偏心拉伸，将单轴的拉伸载荷分解出使涡轮叶片产生弯曲、扭转变形的分量，在此基础上借助应变仪的测量，可以调整涡轮叶片的应力场，实现空心涡轮叶片的考核截面工作应力场的模拟。

2.根据权利要求1所述的空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统，其特征在于：所述叶片榫头夹具一侧带气流通路的挡板的进气通道、榫头夹具底部空腔、叶片内部的冷却通道共同组成了气流通路；从空气压缩机输出的压缩气流有一路通过带气流通路的挡板进入榫头夹具底部空腔中，进而进入空心涡轮叶片内部，最终通过专用夹具上部的开口处排出，从而模拟空心涡轮叶片内部的冷却情况。

3.根据权利要求1或2所述的空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统，其特征在于：所述专用夹具的承力臂与摆动臂在相同位置具有螺纹孔，在模拟空心涡轮叶片的考核截面服役条件过程中，首先进行应力场、内部冷却情况以及温度场的模拟，为了防止加载低周载荷时摆动臂的摆动，用螺钉将承力臂与摆动臂连接在一起，当应力场、内部冷却情况以及温度场的模拟完成后，松开将承力臂与摆动臂连接在一起的螺钉，进行振动情况的模拟。

4.一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验方法，其特征在于：步骤如下：

(1)专用夹具组装

所述专用夹具由上接头、上叉子、承力梁、承力臂、限幅板、摆动臂、叶背夹具、叶盆夹具、榫头夹具、普通挡板、带气流通路的挡板、下叉子和下接头组成；上接头、下接头通过销轴分别与上叉子、下叉子相连；上叉子通过销轴与承力梁相连；承力梁通过键与承力臂固定；限幅板通过螺钉固定在承力臂上，试验时通过添加不同数量的垫片调节限幅板与承力臂之间的距离，垫片数量使得摆动臂按要求载荷谱振动时刚好碰到限幅板；承力臂通过圆柱滚子轴承与摆动臂连接；摆动臂通过键与叶背夹具固定；涡轮叶片夹在叶背夹具和叶盆夹具之间，叶背夹具和叶盆夹具通过螺栓连接在一起，并压紧在叶片具有弯扭特点的型面上，将载荷传递给叶片；榫头夹具带有与叶片榫头相配合的榫槽，榫头插入榫槽后可以起到传递载荷的作用；普通挡板和带气流通路的挡板均通过螺栓固定在榫头夹具上，用于限制叶片榫头的沿榫槽轴线的移动；榫头夹具通过销轴与下叉子相连；上接头与上叉子之间、上叉子与承力梁之间、榫头夹具与下叉子之间以及下叉子与下接头之间分别装上调节螺钉，通过调节螺钉的旋入长度改变各部分的相对位置，进而改变涡轮叶片与疲劳试验机主轴的相对位置，实现涡轮叶片的偏心拉伸，将单轴的拉伸载荷分解出使涡轮叶片产生弯曲、扭转变形的分量，在此基础上借助应变仪的测量，可以调整涡轮叶片的应力场，实现空心涡轮叶片的考核截面工作应力场的模拟；

(2)服役条件模拟

选取空心涡轮叶片考核截面4～6个测试点，粘贴好应变片，将步骤(1)中组装好的专用夹具装到疲劳试验机上，用螺钉将承力臂与摆动臂连接在一起；将粘贴好的应变片与应变仪相连，测量各个测试点的应力大小，通过调节上接头与上叉子之间、上叉子与承力梁之间、榫头夹具与下叉子之间以及下叉子与下接头之间的调节螺钉，进行偏心调节，使得空心涡轮叶片的考核截面内的应力场符合空心涡轮叶片工作状态下的真实情况；将空气压缩机气流引入带气流通路的挡板的接口，使压缩气流进入专用夹具气流通道，通过调节压缩机气流流量模拟空心涡轮叶片内部的气流冷却；通过调节感应加热线圈的形状以及与空心涡轮叶片的考核截面的相对位置，使得空心涡轮叶片的考核截面内的温度场符合叶片工作状态下的真实情况；通过添加垫片调节限幅板与承力臂之间的距离，使得摆动臂按正确载荷谱振动时刚好碰到限幅板，松开将承力臂与摆动臂连接在一起的螺钉，调节高周载荷加载子系统的函数信号发生器、功率放大器和激振器施加高周载荷，使得摆动臂刚好碰到限幅板，模拟空心涡轮叶片振动情况；

(3)试验过程

在完成步骤(2)后可进行空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验，载荷控制器控制疲劳试验机施加低周载荷的同时，会根据变化的低周载荷实时计算出对应的目标温度值，并将其传递给温度控制器，温度控制器实时比较目标温度值与绑定在试件上热电偶测得的测量温度值的差异，当目标温度值高于测量温度值时，输出加热信号给温度载荷加载子系统中的高频感应加热炉和冷却子系统中的常闭电磁阀；此时常闭电磁阀关闭，试件被高频感应加热炉控制的感应线圈加热，当目标温度值低于测量温度值时，输出冷却信号给温度载荷加载子系统中的高频感应加热炉和冷却子系统中的常闭电磁阀，此时常闭电磁阀打开，冷却空气对空心涡轮叶片的考核截面进行降温；通过上述设备的协调工作，低周载荷与温度载荷同步的施加于涡轮叶片考核截面，实现涡轮叶片考核截面的热机械疲劳试验；此外，在整个试验过程中，函数信号发生器产生的、由功率放大器放大的高周载荷始终由激振器独立的通过专用夹具施加到涡轮叶片上；涡轮叶片考核截面在试验过程中承受叠加高周振动的热机械疲劳载荷，当涡轮叶片考核截面寿命达到规定循环次数或者发生破坏时，试验结束。