CN108318238A - 一种发动机叶片的疲劳试验系统 - Google Patents

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崔修斌
朱正邦
朱大巍
张部声
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Abstract

本发明公开了一种发动机叶片的疲劳试验系统，包括试验间(4)，所述试验间(4)的底部内侧设置有一个水平滑台(10)；所述水平滑台(10)的顶部左端与一个电磁振动台(13)的振动输出端相连接；所述水平滑台(10)的顶部固定设置有一个高温炉(3)；所述高温炉(3)内设置有需要进行试验的叶片(2)；所述叶片(2)的下端通过一个固定夹具(15)与所述水平滑台(10)固定联动连接。本发明可以安全、可靠地对发动机叶片进行疲劳试验，通过给叶片提供稳定的高温环境，施加预设的振动应力，使得叶片可以进行高周疲劳和低周疲劳试验，从而可以考核发动机叶片在高温环境下的高周疲劳和低周疲劳。

Description

一种发动机叶片的疲劳试验系统
技术领域
本发明涉及试验技术领域，特别是涉及一种发动机叶片的疲劳试验系统。
背景技术
目前，对于燃气涡轮发动机，其在实际运行中，受到的激振力形式可分为周期性、非周期性以及随机激励。其中，对发动机内的重要部件之一的叶片而言，其同时承受离心载荷、空气载荷、高温载荷等的复合作用，受力情况复杂，但是最主要的还是受到了周期性激励。
发动机的叶片在受到振动激励时，导致裂纹萌生并且稳态扩展的因素一般是低周疲劳，因为低周疲劳的应力水平很高，裂纹会大幅降低叶片的疲劳寿命，当裂纹扩展到临界值后，由于高周疲劳的作用，将使得叶片的裂纹失稳扩展并导致叶片最终断裂。其中，所述低周疲劳，其作用于叶片的应力水平较低，是破坏循环次数一般高于10000的疲劳。所述高周疲劳，其作用于叶片应力的水平较高，是破坏循环次数一般低于1000～10000的疲劳。
需要说明的是，叶片在受振过程中，其最危险的情况是振动源激励的频率和叶片固有频率发生耦合，会导致叶片的振动应力急剧上升，从而产生裂纹。
由于发动机叶片通常工作在高温环境(甚至高达1000℃)中，因此，为了验证发动机叶片的结构和性能的可靠性，目前迫切需要开发出一种技术，其能够对发动机叶片进行疲劳试验，以考核发动机叶片在高温环境下的高周疲劳和低周疲劳。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种发动机叶片的疲劳试验系统，其可以安全、可靠地对发动机叶片进行疲劳试验，以考核发动机叶片在高温环境下的高周疲劳和低周疲劳，有利于广泛的推广应用，具有重大的生产实践意义。
为此，本发明提供了一种发动机叶片的疲劳试验系统，包括试验间，所述试验间的底部内侧设置有一个水平滑台；
所述水平滑台的顶部左端与一个电磁振动台的振动输出端相连接；
所述水平滑台的顶部固定设置有一个高温炉；
所述高温炉内设置有需要进行试验的叶片；
所述叶片的下端通过一个固定夹具与所述水平滑台固定联动连接。
其中，所述固定夹具的上部位于所述高温炉的内腔中。
其中，所述试验间的顶部内侧固定设置有一个恒温设备。
其中，所述水平滑台包括滑板和滑台主体，所述滑板可左右水平滑动地设置在所述滑台主体上；
所述滑板的左端与所述电磁振动台的振动输出端相连接。
其中，所述固定夹具与所述水平滑台的顶部之间还设置有一个隔热装置和一个水冷结构，所述水冷结构与一个水冷设备相连接；
所述水冷结构包括水冷盘，所述水冷盘上横向贯穿设置有多个水循环孔，每个所述水循环孔与所述水冷设备相连通。
其中，所述水平滑台上安装有一个加速度传感器。
其中，所述高温炉的右侧壁上密封设置有一个透明的隔热观察窗；
所述隔热观察窗的正右边设置有一个多普勒激光测振仪，该多普勒激光测振仪用于测量所述叶片顶部叶尖的位移；
所述隔热观察窗包括多层真空玻璃。
其中，所述多普勒激光测振仪设置于一个隔震装置顶部；
所述隔热装置，其包括硬隔热板和柔性隔热布，所述柔性隔热布包裹在硬隔热板的外部。
其中，所述高温炉在腔体垂直方向分布有五个温度传感器；
所述叶片上粘贴有应变片。
其中，还包括一个数据采集仪，分别与电磁振动台、多普勒激光测振仪、所述高温炉中的温度传感器、所述应变片相信号连接，用于实时记录所述电磁振动台的动圈加速度、所述叶片顶部叶尖的位移、高温炉内部的温度和所述叶片的应变。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提出了一种发动机叶片的疲劳试验系统，其可以安全、可靠地对发动机叶片进行疲劳试验，通过给叶片提供稳定的高温环境，施加预设的振动应力，使得叶片可以进行高周疲劳和低周疲劳试验，从而可以考核发动机叶片在高温环境下的高周疲劳和低周疲劳，有利于广泛的推广应用，具有重大的生产实践意义。
附图说明
图1为本发明提供的一种发动机叶片的疲劳试验系统在对作为试验件的叶片进行试验时的连接结构示意图；
图2为本发明提供的一种发动机叶片的疲劳试验系统中固定夹具的立体结构示意图；
图3为本发明提供的一种发动机叶片的疲劳试验系统中水冷结构的立体结构示意图；
图中，1为恒温设备，2为叶片，3为高温炉，4为测试间，5为隔热观察窗，6为多普勒激光测振仪，7为水冷结构，8为水冷设备，9为隔震装置，10为水平滑台，11为数据采集仪，12为振动控制仪，13为电磁振动台，14为隔热装置，15为固定夹具；
101为滑板，102为滑台主体，151为基座部分，152为夹持部分，153为压板，154为楔块；
70为水冷盘，71为水循环孔，72为螺纹孔位。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明提供的一种发动机叶片的疲劳试验系统，其主要用于安全、可靠地对发动机叶片进行疲劳试验，通过给叶片提供稳定的高温环境，施加预设的振动应力，使得叶片可以进行高周疲劳和低周疲劳试验，从而可以考核发动机叶片在高温环境下的高周疲劳和低周疲劳。本发明提供的发动机叶片的疲劳试验系统，具体包括试验间4，所述试验间4的底部内侧设置有一个水平滑台10；
所述水平滑台10的顶部左端与一个电磁振动台13的振动输出端相连接；
所述水平滑台10的顶部固定设置有一个高温炉3；
所述高温炉3内设置有需要进行试验的叶片2；
所述叶片2的下端通过一个固定夹具15与所述水平滑台10固定联动连接。
需要说明的是，所述固定夹具15的上部位于所述高温炉3的内腔中。
在本发明中，具体实现上，所述试验间4的顶部内侧固定设置有一个恒温设备1，该恒温设备1可以给所述试验间4提供20℃的恒温试验环境。
在本发明中，具体实现上，所述水平滑台10包括滑板101和滑台主体102，所述滑板101可左右水平滑动地设置在所述滑台主体102上(例如，滑板,101的底部通过水平横向分布的静压轴承与所述滑台主体102的顶面相连接)；
所述滑板101的左端与所述电磁振动台13的振动输出端相连接。
在本发明中，具体实现上，所述固定夹具15可以与所述叶片2通过卡接、螺纹连接等多种方式进行固定连接。
对于本发明，所述固定夹具15包含基座部分、放大部分和夹持部分。基座部分用来连接水平滑台和放大部分，夹持部分用来固定叶片。
具体实现上，为了保证固定夹具15在高温1000℃下其屈服极限能超过400Mpa，夹具采用了高温合金材料，并且进行退火、固溶和实效处理，其表面硬度为35HRC。夹具采用整体加工方式。
具体实现上，所述固定夹具15中的放大部分，能将电磁振动台13的水平输出量级放大6倍以上到叶片，这样极大程度的减轻了电磁振动台的输出，实现电磁振动台高频大量级激励。
具体实现上，所述固定夹具15中的夹持部分，能够使得叶片在高频大量级振动下，榫头的加持力基本不下降。该夹持部分结构分为两个部分：压板和楔块。压板的作用是使得叶片的榫头受力更加均匀，防止局部受力过大产生裂纹；楔块的作用是为了保证在夹紧的过程中不跑偏，稳定可靠。
具体实现上，所述固定夹具15中的所有紧固件都采用高温合金材料，并且进行电镀处理，防止高温咬死。
具体实现上，所述固定夹具15在正式试验前，会进行高温的热振处理，使得夹具的性能更加稳定。热振处理对试验效果有大幅度的提高。
图2为本发明提供的一种发动机叶片的疲劳试验系统中固定夹具的立体结构示意图。
参见图2所示，所述固定夹具15可以包括基座部分151和夹持部分152，其中：
所述基座部分151用于连接水冷结构7，并转递来自电磁振动台13的振动作用给叶片2；所述夹持部分152用于夹持叶片2，以保证叶片振动过程中约束稳定，具体可以通过压板153和楔块154将叶片2夹持、固定。其中，压板153的作用面积大，使得压紧力能均匀的施加到叶片2的榫头上。所述楔块154上可以有斜度，受压力后会自锁。
此外，本发明的固定夹具15还可以包括放大部分，该放大部分可以设置在基座部分151和夹持部分152之间的位置，用于将电磁振动台的输出量级放大。需要说明的是，由于固定夹具中的放大部分里面包含悬臂梁结构，其特性就有放大作用(该悬臂梁的固有频率与叶片的固有频率接近)，并且固定夹具的固有频率可调整，当固定夹具和叶片固有频率相近时发生共振，也能有很大的放大作用。
在本发明中，具体实现上，所述固定夹具15与所述水平滑台10的顶部之间还设置有一个隔热装置14和一个水冷结构7，所述水冷结构7与一个水冷设备8相连接。
具体实现上，所述隔热装置14，其包括硬隔热板和柔性隔热布，所述柔性隔热布包裹在硬隔热板的外部，用于尽可能的减少炉内热量的扩散，并且柔性隔热布能够配合水平滑台的运动。
具体实现上，水冷结构7采用了特殊的水冷结构，配合水冷设备8，可以有效的带走高温炉通过夹具传递给水平滑台的热量，使得炉内温度1000℃下，水平滑台的台面温度不超过50℃，保证了试验过程中水平滑台的正常运行。
图3为本发明提供的一种发动机叶片的疲劳试验系统中水冷结构的立体结构示意图。
参见图3所示，所述水冷结构7包括水冷盘70，所述水冷盘70上横向贯穿设置有多个水循环孔71(不限于图所示的两个)，每个所述水循环孔71与所述水冷设备8相连通(具体为与水冷设备的水输出口通过管路相连通)。因此，通过水冷设备8，可以带走水冷结构7上面的固定夹具15的热量，同时，该热冷结构7还起到转接作用，其上有螺纹孔位72，用以连接固定夹具15和水平滑台10的滑板101。
在本发明中，具体实现上，所述水冷设备8可以为现有的任意一种能够将目标温度控制在二十摄氏度的水冷设备，例如可以为德国劳达公司(Lauda Integral)生产的型号为T4600W的、功率为5.5Kw的水冷设备，该水冷设备可以将目标温度控制在二十摄氏度。
在本发明中，具体实现上，所述水平滑台10上安装有一个加速度传感器，用于检测水平滑台10具有的水平加速度(即等于叶片2具有的水平加速度)，并控制所述电磁振动台13中动圈的输出。
在本发明中，具体实现上，所述试验间4的外部设置有一个振动控制仪12，所述振动控制仪12与电磁振动台13之间信号连接，用于控制所述电磁振动台13的工作状态，具体电磁振动台13的振动参数进行控制。
在本发明中，具体实现上，所述高温炉3的右侧壁上密封设置有一个透明的隔热观察窗5；
所述隔热观察窗5的正右边设置有一个多普勒激光测振仪6，该多普勒激光测振仪6用于测量所述叶片2顶部叶尖的位移。
在本发明中，需要说明的是，所述高温炉3和固定夹具15之间没有接触，不一起联动，所述高温炉3通过自身机械结构固定到外部的基础平台上，能够保持位置不变。
需要说明的是，所述高温炉3可以是一种底部开口、可以垂直升降的控温加热装置，其在腔体垂直方向分布有五个温度传感器，可以以任意一点作为控制点进行控温。
在本发明中，具体实现上，所述高温炉3可以为现有的任意一种能够提供1400℃高温环境的、普通的高温炉，其内设置有专门用于加热的加热棒。
还需要说明的是，本发明采用了新型的测量方式。传统的激光测量原理是光学三角法，由于叶片附近是高温，超出激光传感器使用温度范围，要远离热源，但是其测量绝对精度随着测量中位的增加而大幅度下降，而叶片的高频位移很小，激光传感器已经不能满足要求。因此，本发明采用了多普勒原理的激光测振仪，其特点是只和叶片的运动速度相关，其测量中位很长，并且其测量精度和测量中位无关。多普勒激光测振仪的测量范围很广，并且精度较高。
具体实现上，所述隔热观察窗5包括多层真空玻璃，方便测量的同时也尽可能的减少热量损失。
具体实现上，所述多普勒激光测振仪6设置于一个隔震装置9顶部。
在本发明中，具体实现上，所述隔震装置9可以为现有任意一种具有隔震功能的部件或者装置，例如可以为橡胶减震垫或者金属橡胶隔震垫。
在本发明中，具体实现上，所述叶片2上粘贴有一个应变片，用于监测在不同振动量级下的叶片应变；
本发明的疲劳试验系统还包括一个数据采集仪11，分别与电磁振动台13、多普勒激光测振仪6、所述高温炉3中的温度传感器、所述应变片相信号连接，用于实时记录所述电磁振动台13的动圈加速度、所述叶片2顶部叶尖的位移、高温炉3内部的温度和所述叶片2的应变。
对于本发明提供的疲劳试验系统，具体实现上，具体的试验方法可以采用高温激振方法，其思路包括：常温下夹具与叶片装配后的频率特性测量、常温的应力和叶尖位移标定、高温下夹具与叶片的频率特性测量、高温下的激励与叶尖位移测量，高温下共振搜索驻留等。
具体实现上，对于高温激振方法，为了进行常温下夹具与叶片装配后的频率特性测量，可以在常温下，将夹具与叶片装配好并固定到电磁振动台上，进行小量级扫频试验，通过叶片的响应信号来测量频率特性。
具体实现上，对于高温激振方法，为了进行常温的应力和叶尖位移标定量，可以在常温下，将夹具与叶片装配好并固定到电磁振动台上，在叶片上粘贴应变片，并将多普勒激光测振仪聚焦叶尖，振动台在叶片共振频率下进行定频激励，加速度量级按照固定步长递增，记录不同加速度量级下叶片应力和叶尖位移的对应关系。
具体实现上，对于高温激振方法，为了进行高温下夹具与叶片的频率特性测量，可以将夹具与叶片装配好并固定到电磁振动台上，并放置到高温炉内进行加热，温度稳定后，进行小量级扫频试验，通过叶片的响应信号来测量频率特性。
具体实现上，对于高温激振方法，为了进行高温下的激励与叶尖位移测量，可以将夹具与叶片装配好并固定到电磁振动台上，并放置到高温炉内进行加热，温度稳定后，并将多普勒激光测振仪聚焦叶尖，振动台在叶片共振频率下进行定频激励，加速度量级按照固定步长递增，记录不同加速度量级下叶尖位移。
具体实现上，对于高温激振方法，为了进行高温下共振搜索驻留，可以在高温下，由本发明的系统时刻跟踪叶片的固有频率，当叶片固有频率发生变化时，系统自动调整到变化后的频率，进行定频试验。
具体实现上，采用了常温标定应力和叶尖位移，高温检测叶尖位移，从而通过预设的高温常温转换公式进行计算高温下叶片应力。
预设的高温常温转换公式为：E1＝E2(f2/f1)2。
其中，E1和E2分别为不同温度下叶片的弹性模量，常温的弹性模量通过材料手册可以获得；f1和f2分别为不同温度下叶片的固有频率，可以通过试验方法检测得到。
具体实现上，通过预定的高温振动量级，使得夹具和叶片在高温下特性稳定。
具体实现上，采用了高温下共振搜索驻留的方式进行激振，可以有效的判断叶片共振频率，并实时跟随激励。并可以设置中断判定，当叶片固有频率下降到一定值(例如叶片固有频率下降1％，或者下降超过50Hz)后中止试验。
需要说明的是，对于本发明，其能够施加航空发动机叶片在1000℃的高温环境下的大量级振动应力，并通过监测高温环境下叶片的叶尖位移，对叶片裂纹进行判定分析。本发明能够通过提供高温应力和振动应力，并且能够有效的监测叶片的应力水平和叶片位移，为叶片的高温振动疲劳特性提供准确有效的数据，从而可以有效地考核叶片在高温环境下的高低周疲劳特性，绘制相应疲劳曲线(S-N曲线)。
为了更加清楚理解本发明，下面就本发明提供的疲劳试验系统的试验方法，具体包括以下步骤：
首先，控制环境温度；
然后，连接振动台与控制器，安装加速度传感器，并进行空载预振；
然后，在叶片上粘贴应变片，将叶片和夹具进行装配；将叶片和夹具整体安装到水平滑台上；
然后，将激光测振仪的光斑聚焦到叶尖上，调整激振仪的参数至性能最佳；
然后，进行常温下夹具与叶片装配后的频率特性测量，绘制曲线；
然后，标定、制定出常温下的叶片应力和叶尖的位移关系趋势曲线；
然后，安装高温炉，同时安装隔热装置和水冷装置，调整好相互位置；
然后，设置高温炉控制温度，开启水冷装置，监测水平滑台温度；
然后，待叶片温度稳定后，进行一定的振动量级下的热振，使得夹具和叶片在高温下特性稳定；
然后，进行高温下夹具与叶片的频率特性测量，绘制曲线，判定激振频率，通过叶尖位移预估振动量级；
然后，通过设置控制策略，进行高温下的激振，可以根据实际情况调整试验量级，当叶片固有频率下降到一定值后，即中止试验；
然后，进行叶片的裂纹扩展，直至叶片的特性基本稳定；
最后，恢复常温，进行常温下夹具与叶片装配后的频率特性测量，绘制曲线，并与之前常温数据对比分析。
与现有技术相比，本发明具有以下的优点：
1、集成了完整的一套叶片高温高(低)周疲劳试验系统，能够有效的给叶片提供稳定的高温环境、施加大量级的振动应力；
2、在本发明的系统下，可以降低对电磁振动台推力的要求，而获得高效的振动量级；
3、本发明的测量方式测量范围很广，并且精度较高，不受高温环境的影响；
4、本发明采用有效的冷却方式，即减少了热量的扩散，又对振动台进行降温保护；
5、本发明采用先进的激振控制方式和高温测量策略，能够定量地给出叶片的最大振动应力、叶尖最大位移，记录叶片产生裂纹到裂纹扩展的全过程，为叶片的特性分析提供可靠的数据。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种发动机叶片的疲劳试验系统，其可以安全、可靠地对发动机叶片进行疲劳试验，通过给叶片提供稳定的高温环境，施加预设的振动应力，使得叶片可以进行高周疲劳和低周疲劳试验，从而可以考核发动机叶片在高温环境下的高周疲劳和低周疲劳，有利于广泛的推广应用，具有重大的生产实践意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种发动机叶片的疲劳试验系统，其特征在于，包括试验间(4)，所述试验间(4)的底部内侧设置有一个水平滑台(10)；
所述水平滑台(10)的顶部左端与一个电磁振动台(13)的振动输出端相连接；
所述水平滑台(10)的顶部固定设置有一个高温炉(3)；
所述高温炉(3)内设置有需要进行试验的叶片(2)；
所述叶片(2)的下端通过一个固定夹具(15)与所述水平滑台(10)固定联动连接。
2.如权利要求1所述的疲劳试验系统，其特征在于，所述固定夹具(15)的上部位于所述高温炉(3)的内腔中。
3.如权利要求1所述的疲劳试验系统，其特征在于，所述试验间(4)的顶部内侧固定设置有一个恒温设备(1)。
4.如权利要求1所述的疲劳试验系统，其特征在于，所述水平滑台(10)包括滑板(101)和滑台主体(102)，所述滑板(101)可左右水平滑动地设置在所述滑台主体(102)上；
所述滑板(101)的左端与所述电磁振动台(13)的振动输出端相连接。
5.如权利要求1所述的疲劳试验系统，其特征在于，所述固定夹具(15)与所述水平滑台(10)的顶部之间还设置有一个隔热装置(14)和一个水冷结构(7)，所述水冷结构(7)与一个水冷设备(8)相连接；
所述水冷结构(7)包括水冷盘(70)，所述水冷盘(70)上横向贯穿设置有多个水循环孔(71)，每个所述水循环孔(71)与所述水冷设备(8)相连通。
6.如权利要求1所述的疲劳试验系统，其特征在于，所述水平滑台(10)上安装有一个加速度传感器。
7.如权利要求1至6中任一项所述的疲劳试验系统，其特征在于，所述高温炉(3)的右侧壁上密封设置有一个透明的隔热观察窗(5)；
所述隔热观察窗(5)的正右边设置有一个多普勒激光测振仪(6)，该多普勒激光测振仪(6)用于测量所述叶片(2)顶部叶尖的位移；
所述隔热观察窗(5)包括多层真空玻璃。
8.如权利要求7所述的疲劳试验系统，其特征在于，所述多普勒激光测振仪(6)设置于一个隔震装置(9)顶部；
所述隔热装置(9)，其包括硬隔热板和柔性隔热布，所述柔性隔热布包裹在硬隔热板的外部。
9.如权利要求7所述的疲劳试验系统，其特征在于，所述高温炉(3)在腔体垂直方向分布有五个温度传感器；
所述叶片(2)上粘贴有应变片。
10.如权利要求9所述的疲劳试验系统，其特征在于，还包括一个数据采集仪(11)，分别与电磁振动台(13)、多普勒激光测振仪(6)、所述高温炉(3)中的温度传感器、所述应变片相信号连接，用于实时记录所述电磁振动台(13)的动圈加速度、所述叶片(2)顶部叶尖的位移、高温炉(3)内部的温度和所述叶片(2)的应变。
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