CN108267302B - 一种测试风扇叶片榫头强度的试验件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测试风扇叶片榫头强度的试验件，所述试验件包括榫头和由所述榫头顶部向上延伸的伸根段，所述伸根段和所述榫头根据风扇叶片的制造工艺一体制成，所述榫头与所述风扇叶片的榫头结构一致，在所述试验件横向截面内，所述伸根段与榫头截面中心线呈一夹角，所述夹角与所述风扇叶片的待测位置相关，以使得所述试验件失效模式和对应应力分量分布与所述风扇叶片的待测位置处的失效模式和对应应力分量分布一致。

Description

一种测试风扇叶片榫头强度的试验件

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种测试风扇叶片榫头强度的试验件。

背景技术

涡轮发动机是一种利用旋转的机件自穿过它的流体中汲取动能的发动机形式，是内燃机的一种，在航空领域有着广泛的应用。

在大涵道比涡轮风扇发动机中，复合材料风扇叶片榫头将风扇叶片承受的离心载荷和气动载荷传递给轮盘，是复合材料风扇叶片的重要组成部分。复合材料风扇叶片的榫头在工作状态下，所受的载荷较为复杂，也是叶片上承受载荷最大的部位，其疲劳性能直接关系到复合材料风扇叶片的寿命。

目前国内尚无成熟复合材料风扇叶片应用到航空发动机中，在设计研发过程中，为了满足榫头部位的低周疲劳强度要求，常规做法是通过整个风扇叶片进行试验验证，这样导致试验费用高、研制周期长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试风扇叶片榫头强度的试验件，该试验件结构简单，制造方便，尺寸较风扇叶片大幅减小，进而使得试验能够更加快速、简便地完成，进一步降低试验成本。

根据上述目的，本发明提供一种测试风扇叶片榫头强度的试验件，其特征在于，所述试验件包括榫头和由所述榫头顶部向上延伸的伸根段，所述伸根段和所述榫头根据风扇叶片的制造工艺一体制成，所述榫头与所述风扇叶片的榫头结构一致，在所述试验件的垂直于发动机轴线的截面内，所述伸根段与榫头截面中心线呈一夹角，所述夹角与所述风扇叶片的待测位置相关，以使得所述试验件的失效模式和对应应力分量分布与所述风扇叶片的待测位置处的失效模式和对应应力分量分布一致。

在一实施例中，所述试验件还包括：夹持机构，用于夹持所述伸根段上部，以实现能够通过对所述夹持机构施加力，进而对所述试验件施加力。

在一实施例中，在所述垂直与发动机轴线的截面内，所述夹持机构的截面中心线与所述榫头的截面中心线保持一致。

在一实施例中，所述夹持机构的高度为所述试验件高度的30％～50％。

在一实施例中，所述夹持机构的高度为所述试验件高度的40％。

在一实施例中，所述试验件的高度大于所述风扇叶片的流道线在所述风扇叶片上的高度。

在一实施例中，所述伸根段和所述榫头根据风扇叶片的铺层制造工艺一体制成。

在一实施例中，所述伸根段和所述榫头根据风扇叶片的编织制造工艺一体制成。

在一实施例中，所述风扇叶片的待测位置处为风扇叶片的前缘。

在一实施例中，所述风扇叶片的待测位置处为风扇叶片的尾缘。

如上所述本发明提供了一种测试风扇叶片榫头强度的试验件，其能保持与风扇叶片待测位置处的失效模式和对应应力分量分布一致，其体积小、制造简单，进而降低了试验成本。

附图说明

图1示出了传统的航空发动机的风扇布局结构的示意图；

图2示出了风扇叶片与风扇盘的连接方式；

图3示出了风扇叶片的立体示意图；

图4示出了风扇叶片榫头的放大图；

图5示出了本发明一个方面的测试风扇叶片榫头强度的试验件的示意图；

图6示出了风扇叶片在伸根段部位沿横向的不同位置的截面图；

图7示出了试验件伸根段偏转角度的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种测试风扇叶片榫头强度的试验件，通过设计合理的试验件结构，使试验件的失效模式和对应的应力分量分布与风扇叶片待测位置处的失效模式和对应的应力分量分布一致。从而，无需对整个风扇叶片而只是对试验件做测试试验，就能有效地反映风扇叶片伸根段和榫头部位的疲劳失效情况，验证风扇叶片的低周疲劳设计，在降低试验费用的同时，大大缩短了研发周期。

请参看图1，图1示出了传统的航空发动机的风扇布局结构的示意图。传统的风扇结构10包括位于上游的进口导向叶片101和位于进口导向叶片101下游的风扇叶片102。

传统的风扇布局结构10还包括风扇盘103、风扇外机匣104。进口导向叶片101和风扇叶片102位于风扇盘103和风扇外机匣104之间。通常，绕着发动机轴线105的圆周分布有多个风扇叶片102。

气流依次流过进口导向叶片101和风扇叶片102，从而实现对气流的增压。

请参见图2，图2示出了风扇叶片与风扇盘的连接方式，风扇叶片201通过风扇叶片底部的榫头202同风扇盘203固定连接。

榫头作为风扇叶片与风扇盘的连接部位，一方面将风扇叶片受到的载荷传递给风扇盘，另一方面也是作为风扇叶片的固定端。

图3示出了风扇叶片301的立体示意图，图4示出了风扇叶片榫头的放大图，其中示出了榫头401。

为了得到风扇叶片的强度，通常是会对整个风扇叶片进行强度试验，这样成本较高，试验的操作也较为复杂。本发明提出了一种测试风扇叶片榫头强度的试验件，代替整个风扇叶片进行强度试验，进而能够减少成本，使得试验能够更加快速、简便。

请参看图5，图5示出了本发明一个方面的测试风扇叶片榫头强度的试验件的示意图。图5是试验件在垂直于发动机轴线上的截面示意图。

试验件50包括榫头501和由榫头顶部向上延伸的伸根段502，为了保证试验件50能够有效地反映风扇叶片的疲劳失效形式，需要保证两者的受力形式一致，因此试验件50的固定端榫头501与待测风扇叶片的固定端应保持一致。榫头501与待测风扇叶片的榫头在结构、材料和制造工艺上都保持一致，进而能够更加准确地反映出待测风扇叶片的强度属性。

伸根段502的设置也是为了模拟待测风扇叶片伸根段的结构形式，从而提高测试的可靠性。

伸根段502的制造工艺与待测风扇叶片的制造工艺保持一致，为了更好地反映出待测风扇叶片的强度属性。

更进一步，为了能够更加真实地反映待测风扇叶片的强度，需使得试验件50的失效模式和对应应力分量分布与风扇叶片的待测位置处的失效模式和对应应力分量分布一致。

由于风扇叶片在伸根段部位沿发动机轴向上，垂直于发动机轴线的截面是不一致的，具体请参看图6，图6示出了风扇叶片深根部前缘601、风扇叶片深根部叶中602、风扇叶片深根部尾缘603的示意图，同时示出了风扇叶片深根部前缘601的截面611、风扇叶片深根部叶中602的截面612、风扇叶片深根部尾缘603的截面613，可以看出在风扇叶片沿发动机轴线的不同位置处，风扇叶片深根部在垂直于发动机轴线的截面内的偏转角度不同。

为了对应风扇叶片在伸根段部位沿发动机轴向上的截面的不一致，请参看图7，同样是在垂直于发动机轴线的截面。伸根段702与榫头701的截面中心线703呈一夹角704。所谓榫头的截面中心线是指，在垂直于发动机轴线的截面内，榫头形状的对称线。通过这一夹角704的设置即可模仿风扇叶片在伸根段部位沿发动机轴线不同位置处的伸根段结构。

通过上述描述，可以看出夹角704与风扇叶片的待测位置相关，设置不同的夹角，即可使得试验件70的失效模式和对应应力分量分布与风扇叶片的待测位置处的失效模式和对应应力分量分布一致，进而能够通过针对试验件的测试得到的结果，得出待测风扇叶片的强度。

在进行实际实验时，可以通过有限元仿真的方法，预先得出试验件伸根段在多个偏转角度的情况下的失效模式和对应应力分量分布。再通过有限元仿真的方法得出风扇叶片待测位置处的失效模式和对应应力分量分布。风扇叶片待测位置处的失效模式和对应应力分量分布与试验件伸根段在特定偏转角度的情况下的失效模式和对应应力分量分布一致时，取该特定偏转角度为试验件伸根段的偏转角度。

当然可以把角度无限细分，对应每一个角度都计算一个失效模式和对应应力分量分布，取与风扇叶片待测位置处的失效模式和对应应力分量分布最接近的情况下，对应的角度为试验件伸根段的偏转角度。

在一实施例中，根据风扇叶片最容易发生失效的位置处对应的失效模式和对应应力分量分布，来调整试验件伸根段的偏转角度，以使得试验件获得与风扇叶片最容易发生失效的位置处一致的失效模式和对应应力分量分布。

根据实际经验，叶片最容易发生失效的位置一般在风扇叶片前缘，在一实施例中，根据风扇叶片前缘处对应的失效模式和对应应力分量分布，来调整试验件伸根段的偏转角度，以使得试验件获得与风扇叶片前缘处一致的失效模式和对应应力分量分布。

当然也可以设置伸根段的偏转角度，使得试验件的失效模式和对应应力分量分布与风扇叶片的叶中或尾缘等其它任意位置处对应的失效模式和对应应力分量分布一致，进而测试风扇叶片的叶中或尾缘等其它任意位置处的强度。

请参看图7，在一实施例中，试验件70还包括夹持机构705，用于夹持伸根段702上部，这样，通过对夹持机构705作用力，进而就能对试验件作用力，从而进行试验件的强度测试。

更优地，在垂直于发动机轴线的截面内，夹持机构705的截面中心线706与榫头的截面中心线703保持一致，所谓夹持机构的截面中心线，与榫头的截面中心线类似，是指在上述截面内，使得夹持机构形状对称，且与榫头的截面中心线平行的线。夹持机构705的截面可以为矩形。

这样做的目的是为了避免夹持机构705的引入影响试验件70的受载情况，避免由于夹持机构705的截面中心线706与榫头的截面中心线703不一致，使得在夹持机构705上作用的力相对榫头的截面中心线产生力矩，进而影响试验结果。进一步保证试验件70的失效模式和对应应力分量分布与风扇叶片待测位置处的失效模式和对应应力分量分布一致。

本发明的目的之一是减小试验所需物件的大小，在一实施例中，试验件的高度只需要大于风扇叶片的流道线在风扇叶片上的高度即可。在风扇叶片上，流道线以下是风扇叶片的伸根部，也是最容易受到损坏的部位，试验件要保证能够覆盖风扇叶片流道线以下的结构，进而更够更加全面地对风扇叶片的强度进行试验。

在一实施例中，夹持机构的高度为试验件高度的30％～50％。夹持机构的高度应能保证对试验件顺利施加力，但又不影响伸根段的受力，更优地，取夹持机构的高度为试验件高度的40％。

试验件的制造工艺应当与待测风扇叶片的制造工艺保持一致，从而能够更好地反映风扇叶片的强度参数。

在一实施例中，根据待测风扇叶片的铺层制造工艺，来制造试验件。

在一实施例中，根据待测风扇叶片的编织制造工艺，来制造试验件。

如上所述，本发明提出的测试风扇叶片榫头强度的试验件，能够代替风扇叶片进行强度测试，制备制造难度低，大大降低了试验件费用，同时与整个风扇叶片相比，尺寸小，降低了对试验夹持机构的尺寸要求，试验的最大拉伸载荷也相应减小，降低了对试验设备载荷吨位的要求，进一步降低试验成本。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种测试风扇叶片榫头强度的试验件，其特征在于，所述试验件包括榫头和由所述榫头顶部向上延伸的伸根段，

所述伸根段和所述榫头根据风扇叶片的制造工艺一体制成，

所述榫头与所述风扇叶片的榫头结构一致，

在所述试验件的垂直于发动机轴线的截面内，所述伸根段与榫头截面中心线呈一夹角，所述夹角与所述风扇叶片的待测位置相关，以使得所述试验件的失效模式和对应应力分量分布与所述风扇叶片的待测位置处的失效模式和对应应力分量分布一致。

2.如权利要求1所述的试验件，其特征在于，所述试验件还包括：

夹持机构，用于夹持所述伸根段上部，以实现能够通过对所述夹持机构施加力，进而对所述试验件施加力。

3.如权利要求2所述的试验件，其特征在于，

在所述垂直与发动机轴线的截面内，所述夹持机构的截面中心线与所述榫头的截面中心线保持一致。

4.如权利要求3所述的试验件，其特征在于，所述夹持机构的高度为所述试验件高度的30％～50％。

5.如权利要求4所述的试验件，其特征在于，所述夹持机构的高度为所述试验件高度的40％。

6.如权利要求1所述的试验件，其特征在于，所述试验件的高度大于所述风扇叶片的流道线在所述风扇叶片上的高度。

7.如权利要求1所述的试验件，其特征在于，所述伸根段和所述榫头根据风扇叶片的铺层制造工艺一体制成。

8.如权利要求1所述的试验件，其特征在于，所述伸根段和所述榫头根据风扇叶片的编织制造工艺一体制成。

9.如权利要求1所述的试验件，其特征在于，所述风扇叶片的待测位置处为风扇叶片的前缘。

10.如权利要求1所述的试验件，其特征在于，所述风扇叶片的待测位置处为风扇叶片的尾缘。

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