CN108444720B - 一种涡轮小叶片榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空发动机涡轮小叶片榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具，实现涡轮小叶片榫接结构在试验时纵向低周大载荷、横向高周振动载荷以及热载荷的同时加载。疲劳机夹紧顶端固持结构，并通过夹紧螺栓固定涡轮盘；涡轮盘与涡轮叶片通过榫接连接；小叶片夹具依靠摩擦力夹紧涡轮叶片叶身部分；小叶片夹具下方与高周激振杆通过螺栓拧紧，上方与传力顶板通过轴孔结构间隙配合；传力顶板与传力拉板通过轴孔结构间隙配合，固定长螺栓保持结构稳定性；传力拉板与低周施力结构通过螺母拧紧；低周施力结构下方被疲劳机夹紧；疲劳机施加低周载荷，激振杆外接激振器施加高周载荷，榫接位置外接电感加热铜线圈施加热载荷。本发明满足涡轮小叶片榫接结构稳定夹持，并实现其在高温条件下的高低周复合疲劳。

Description

一种涡轮小叶片榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具

技术领域

本发明是一种针对航空发动机涡轮小叶片榫接结构的高低周复合疲劳试验的加载技术，它是一种能够对涡轮小叶片榫接结构同时施加纵向低周大载荷、横向高周振动载荷以及热载荷的加载技术，属于航空航天发动机技术领域。

背景技术

航空发动机是一种极限产品，发动机涡轮叶片和涡轮盘工作在高温、高压、高转速等的复杂载荷环境下，涡轮榫接结构的高低周复合疲劳失效是榫接结构的主要失效模式。为了对榫接结构高低周复合疲劳寿命进行深入研究，需要对涡轮榫接结构开展大量复合疲劳试验，针对涡轴发动机的涡轮小叶片榫接结构的试验研究也是至关重要的一项工作。涡轴发动机涡轮叶片因尺寸较小，通常小于70mm，型面复杂，导致夹持困难，因而限制了高低周疲劳试验的开展，如何对小叶片纵向低周大载荷的顺利加载，不产生脱落、压应力不均匀等情况是一项难题；同时疲劳试验过程中在已有纵向低周大载荷的基础上仍要施加横向高周振动载荷、产生振动作用也是一项难以突破的关键点。因此十分有必要设计一种适用于涡轮小叶片榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具。

目前文献中对涡轮小叶片高低周疲劳试验夹具的有效设计方案少见公开报道，此前对涡轮小叶片的夹具设计方法参照大型涡轮叶片夹具设计。闫晓军等人[1]在文献参考文献([1]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(06):925-931.)中提出一种涡轮叶片夹具设计方案，具体结构如图2。该夹具设计方案主要通过内夹具夹持叶片部分叶身，螺栓压紧后，产生摩擦力夹持叶片。该夹具设计方案主要通过摩擦原理来对叶片进行加载,来避免滑脱的问题，使用多段夹具嵌套，将上夹块1、上夹块2嵌套，避免产生的扭矩传到试验机上夹头，将下夹块1和下夹块2嵌套，避免产生的扭矩传到试验机下架头。

该方案主要存在问题有以下几点：(1)内夹具由于尺寸限制，无法夹持涡轮小叶片的整个型面，导致其螺栓压紧力需要较大。而涡轮小叶片内部具有空心冷却气道，过大的压紧力有压溃内部结构的风险。(2)多层夹具嵌套，加载轴同心度不易保证，这导致对叶片加载弯矩的同时会附带扭矩，这一问题导致试验载荷发生变化。而涡轮小叶片在实际工作中受到载荷主要为弯矩，这导致试验结果不具有说服力。(3)该夹具设计方案仅可以加载低周载荷，无法进行高低周复合疲劳的试验。

而本发明与文献中夹具的夹持面积、对中方式及加载方式不同，很好的解决了以上不足导致的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种涡轮小叶片榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具，克服涡轮小叶片榫接结构在已承受低周大载荷条件下同时加载横向高周载荷的难点，以及小叶片叶身发生滑脱、应力分布不均的问题，满足各项载荷的有效稳定施加，且能够进行涡轮小叶片榫接的高低周复合疲劳试验。

本发明的技术解决方案是：一种涡轮小叶片榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具，包括：顶端固持结构(1)、夹紧螺栓(2)、固定长螺栓(3)、传力顶板(4)、传力拉板(5)、涡轮盘(6)、涡轮叶片(7)、小叶片夹具(8)、高周激振力施加点(9)、低周施力结构(10)；顶端固持结构(1)的顶端与疲劳机相连，另一端通过夹紧螺栓(2)与涡轮盘(6)相连；涡轮盘(6)与涡轮叶片(7)通过榫接连接；小叶片夹具(8)摩擦夹紧涡轮叶片(7)，通过高周激振力施加点(9)与外接激振杆，并与传力顶板(4)相连；传力顶板(4)与传力拉板(5)相连，固定长螺栓(3)保持稳定性；低周施力结构(10)与传力拉板(5)通过螺母拧紧，并与疲劳机相连；疲劳机施加低周载荷，榫接位置外接电感加热铜线圈施加热载荷，从而实现了低周载荷及热载荷的施加。

在高周载荷的施加部分，小叶片夹具(8)与传力顶板(4)为轴孔间隙配合方式、传力顶板(4)与传力拉板(5)为轴孔间隙配合方式，连接之间沿垂直位置存在±5°的摆动裕度，保证激振力能够顺利传递至涡轮叶片榫接位置；夹紧螺栓(2)夹紧涡轮盘(6)时内侧有套筒，避免涡轮盘(6)在加载时周向转动或轴向窜动；高周激振力施加点(9)位于小叶片夹具(8)夹持中心正下方90mm处，增加了高周疲劳施力点与小叶片受理中心之间的力臂，增加高周载荷力矩，在相同激振力的前提下，这一设计提高振动效果，从而实现了高周载荷的施加。

本发明与现有疲劳试验夹具方案相比的优点在于：

(1)本发明设计方案的小叶片夹具(8)采用包络式夹持，将整个小叶片的叶身包裹在夹具内，增大了有效夹持面积，减小了预紧力的需求。这一设计使得小叶片内部的气道没有被压溃的风险。

(2)本发明设计方案采用轴孔间隙，小叶片夹具(8)与传力顶板(4)，传力顶板(4)与传力拉板(5)均为轴孔间隙配合方式，沿垂直位置存在±5°的摆动裕度，释放了试验机加载轴之间的对中自由度，使得加载过程中仅加载弯矩，而不产生扭矩。这一设计使得加载条件仅为扭矩加载，更符合试验设置的条件，减小了误差。

(3)本发明的设计方案中，在小叶片夹具(8)夹持中心正下方90mm处设置加载点，使得高周载荷可以通过加载点加载至小叶片上。这一设计使得试验范围更广，可以进行高低周复合疲劳试验。

总之，本发明与文献中夹具的夹持面积、对中方式及加载方式不同，很好的解决了以上不足导致的问题，使得本发明可用于小叶片榫接结构在室温至高温700℃的温度范围内的高低周复合疲劳试验；可以增强高周载荷的振动效果，保证应变幅较大的低周振动载荷与高周振动载荷的同时有效施加；本发明的夹持方式简单有效，避免小叶片叶身发生滑脱、应力分布不均匀的问题，可有效稳定的施加载荷。

附图说明

图1为本发明夹具夹持小叶片榫接位置的结构图；

图2为参考文献[1](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(06):925-931.)中设计的传统叶片疲劳夹具装配图；

图3为本发明夹具夹持小叶片叶身位置连接图。

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。

如图1所示，本发明主要针对适用与涡轮小叶片榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具进行了设计，实现涡轮小叶片榫接结构在试验时纵向大应变低周振动载荷、横向高周振动载荷以及热载荷的同时加载。

实际试验时，整套夹具的结构如图1所示，分为三大部分：由夹紧螺栓2、涡轮盘6组成的轮盘夹持系统；由传力顶板4、涡轮叶片7、小叶片夹具8组成的小叶片夹持系统；由顶端固持结构1、固定长螺栓3、传力拉板5、低周施力结构10组成的加载系统。

疲劳机夹紧顶端固持结构1，并通过夹紧螺栓2固定涡轮盘6；涡轮盘6与涡轮叶片7通过榫接连接；小叶片夹具8依靠摩擦力夹紧涡轮叶片7叶身部分；小叶片夹具8下方与高周激振杆通过螺栓拧紧，上方与传力顶板4通过轴孔结构间隙配合；传力顶板4与传力拉板5通过轴孔结构间隙配合，固定长螺栓3保持结构稳定性；传力拉板5与低周施力结构10通过螺母拧紧；低周施力结构10下方被疲劳机夹紧；疲劳机施加低周载荷，激振杆外接激振器施加高周载荷，榫接位置外接电感加热铜线圈施加热载荷。本发明满足涡轮小叶片榫接结构稳定夹持，并实现其在高温条件下的高低周复合疲劳。

组装要求如下：

a.轮盘夹持系统对轮盘的夹持稳定，保证夹紧螺栓2、涡轮盘6中心对齐，以保证轮盘夹持系统处于水平方向，并与加载方向垂直。这一步是后续夹具对中的基础。

b.小叶片夹持系统对叶片的夹持稳定，连接细节如图3所示，保证传力顶板4、小叶片夹具8中心对齐，并保证涡轮叶片7榫头连接部位与涡轮盘6连接稳定。这一步优先保证涡轮盘6、涡轮叶片7连接稳定的基础上，保证小叶片夹具8与涡轮叶片7对中。这一步保证轮盘夹持系统与小叶片夹持系统中心对正，在加载过程中，不出现附加扭矩。

c.加载系统与轮盘夹持系统、小叶片夹持系统中心对正，在此基础上调整夹具位于垂直位置上，保证夹具位于低周载荷加载中心上，并与高周载荷加载中心垂直。

组装过程如下：

如图1所示，首先组装夹具，将小叶片榫头位置与涡轮盘榫槽相连接，将涡轮叶片7叶身位置放置于小叶片夹具8两夹块中，保证榫头连接稳定的前提下，用四个螺栓连接拧紧，完成小叶片夹持系统的稳定安装，夹持状态如图3，保证叶身整体与小叶片夹具8的型面贴合，榫头与夹具面尽量平行，使得拉伸时不附带扭矩。将涡轮盘9与顶端固持结构1相连并用夹紧螺栓2夹紧，调节其中的套筒，要求涡轮盘9不能相对与顶端固持结构1发生转动。小叶片夹具8两侧与传力顶板相连，传力顶板与传力拉板相连，且均为间隙配合，两传力拉板间通过低周施力结构相连，用螺栓拧紧，固定长螺栓连接两侧传力拉板上方，稳定承力结构。

完成夹具中各夹块的安装后，分别将顶端固持结构、低周施力结构10接头放入疲劳机夹块中，然后夹紧疲劳机夹块，调整夹块相对位置，将整个系统调整至垂直位置，保证系统垂直方向与低周载荷加载方向重合，与高周载荷加载方向垂直。此时完成试验件的安装。

在小叶片夹具的高周激振力施加点位置连接激振杆，通过螺栓拧紧，激振杆外接激振器，通过激振杆传力激振力。将叶片榫接结构部分放置于电感加热铜线圈中，铜线圈外接高频炉，通过高频炉控制调节试验温度。至此整套夹具的安装完成。

从上述具体试验过程可以发现，本发明夹具可以相对独立的施加低周载荷、高周载荷、温度载荷三项条件，满足涡轮小叶片榫接结构开展高低周复合疲劳的试验需求。当然地，本发明夹具可用于仅需要一项或两项载荷条件的涡轮小叶片榫接结构试验。

Claims (4)

1.一种涡轮小叶片榫接结构高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于，包括：顶端固持结构(1)、夹紧螺栓(2)、固定长螺栓(3)、传力顶板(4)、传力拉板(5)、涡轮盘(6)、涡轮叶片(7)、小叶片夹具(8)、高周激振力施加点(9)和低周施力结构(10)；顶端固持结构(1)的顶端与疲劳机相连，另一端通过夹紧螺栓(2)与涡轮盘(6)相连；涡轮盘(6)与涡轮叶片(7)通过榫接连接；小叶片夹具(8)摩擦夹紧涡轮叶片(7)，同时小叶片夹具(8)通过高周激振力施加点(9)与外接激振器相连，并且小叶片夹具(8)与传力顶板(4)轴孔间隙配合；传力顶板(4)与传力拉板(5)轴孔间隙配合，固定长螺栓(3)保持结构稳定性；低周施力结构(10)与传力拉板(5)通过螺母拧紧，并与疲劳机相连。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮小叶片榫接结构高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述小叶片夹具(8)与传力顶板(4)，传力顶板(4)与传力拉板(5)均为轴孔间隙配合方式，沿垂直位置存在±5°的摆动裕度，保证激振力能够顺利传递至涡轮小叶片榫接位置。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮小叶片榫接结构高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述高周激振力施加点(9)位于小叶片夹具(8)夹持中心正下方90mm处，增加高周载荷力矩，提高振动效果。

4.根据权利要求1所述的一种涡轮小叶片榫接结构高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述小叶片夹具(8)根据涡轮小叶片叶盆和叶背型面数据进行精确的数控加工，并通过四个螺栓压紧小叶片夹具(8)，依靠摩擦力预紧涡轮小叶片。