CN109186908B - 涡轮导叶的高温振动试验的冷却装夹装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮导叶的高温振动试验的冷却装夹装置，包括装夹组件和安装于试验机上的水冷底座，所述装夹组件包括第一夹具和第二夹具，所述第二夹具的一端与所述第一夹具可拆卸连接，另一端与所述水冷底座可拆卸连接，所述第一夹具具有钩型槽，所述钩型槽与所述涡轮导叶的上缘板相配以在轴向(X)和径向(Z)上定位所述上缘板；所述第二夹具具有方形槽，所述方形槽与所述涡轮导叶的上缘板相配以在周向(Y)上定位所述上缘板。本发明的冷却装夹装置实现了高温下陶瓷基复合材料导叶的加持作用，并起到了隔热、散热作用使振动试验台可以在较低温度下正常工作。

Description

涡轮导叶的高温振动试验的冷却装夹装置

技术领域

本申请涉及高温振动试验，具体地涉及一种用于陶瓷基复合材料涡轮导叶的高温振动试验的冷却装夹装置。

背景技术

在航空发动机中，陶瓷基复合材料的应用前景非常广泛。陶瓷基复合材料可用在多种热端静子部件上，例如涡轮导叶。但是要将陶瓷基复合材料涡轮导叶应用在航空发动机上，还必须对其进行一系列的重复性试验，这其中就包括高温高周疲劳试验。

导叶的高温高周疲劳试验是一种高温振动试验，利用振动台施加振动载荷，并利用真空或惰性气体保护的高温炉将导叶加热至工作温度。由于振动台普遍不能承受高温甚至有些要求室温低于45℃才能正常工作而导叶加热环境要达到1100℃，因此连接复合材料导叶和振动台的夹具必须具有冷却结构。

现有技术中的高温疲劳试验中所用的夹持装置主要是针对金属件，其并不适用于复合材料导叶的加持，复合材料导叶的加持需要考虑导叶固定的约束形式，并且考虑1100℃高温下陶瓷基复合材料和金属的热不匹配。此外，现有高温疲劳试验中所用冷却装置的冷却效果不明显，难以完成导叶的高温振动试验。另外，目前夹具中主要带有软质的隔热体设计，在振动过程中吸收能量，会导致振动测试结果不准确。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提供了一种涡轮导叶的高温振动试验的冷却装夹装置，该冷却装夹装置实现了高温下陶瓷基复合材料导叶的加持作用，并起到了隔热、散热作用使振动试验台可以在较低温度下正常工作。

根据本发明的一方面，提供一种涡轮导叶的高温振动试验的冷却装夹装置，其特征在于，包括装夹组件和安装于试验机上的水冷底座，所述装夹组件包括第一夹具和第二夹具，所述第二夹具的一端与所述第一夹具可拆卸连接，另一端与所述水冷底座可拆卸连接，

所述第一夹具具有钩型槽，所述钩型槽与所述涡轮导叶的上缘板相配以在轴向(X)和径向(Z)上定位所述上缘板；

所述第二夹具具有方形槽，所述方形槽与所述涡轮导叶的上缘板相配以在周向(Y)上定位所述上缘板。

本发明的冷却装夹组件不仅包括在使得涡轮导叶的约束和发动机真实安装约束相同的条件下能够实现导叶的加持和固定的特殊夹持结构，而且还包括能够保证振动试验台正常工作的冷却结构。此外，装夹组件采用分段设计(包括第一夹具和第二夹具)，可以产生一定的隔热效果以及不同振动方向要求只需要更换部分夹具即可，减少夹具成本。

在一些实施方式中，所述第一夹具的钩型槽和所述第二夹具的方形槽可以均通过接触约束和螺纹件顶紧约束的组合来分别实现在轴向(X)、径向(Z)和周向(Y)上定位所述上缘板。在本发明中，所述的轴向(X)、径向(Z)和周向(Y)是指涡轮导叶在发动机上的安装定向，以模拟导叶在航空发动机中的安装状态，便于开展高温振动试验。在一些实施方式中，螺纹件顶紧约束中的螺纹件和上缘板之间可以设置垫块，以防止螺纹件直接对上缘板施压导致其受损。

在一些实施方式中，所述第一夹具和所述第二夹具可以配置成所述装夹组件的上半部分的重心位于其下半部分的中轴线上。这样可以保证振动试验台到涡轮导叶的振动传递效果。

在一些实施方式中，所述第二夹具可以包括相互固连的上定位段和下连接段，所述上定位段的中轴线与所述下连接段的中轴线重合或成角度。这样可以实现仅需要更换第二夹具，就能够满足涡轮导叶的水平、垂直或其它方向的振动要求。

在一些实施方式中，所述水冷底座可以包括上方柱段、下圆柱段以及连接于两者之间的多个肋板，所述上方柱段的内部设置有多个上下并列的方形水冷通道，所述下圆柱段的内部设置有至少一个环形水冷通道。

在一些实施方式中，各所述方形水冷通道可以包括分别设置于所述上方柱段的相对两侧面的第一进水口和第一出水口、分别与所述第一进水口和所述第一出水口连通的且相互平行的两个第一主通道、以及连通所述两个第一主通道的多个分支通道，所述多个分支通道平行间隔布置，各所述分支通道与所述两个第一主通道均相交连通。

在一些实施方式中，各所述第一主通道的流道面积与各所述分支通道的流道面积的比例可以为所述多个分支通道的数目:1

在一些实施方式中，所述至少一个环形水冷通道可以包括分别设置于所述下圆柱段的直径的相对两端的第二进水口和第二出水口、分别由所述第二进水口和所述第二出水口沿所述直径向内延伸的两个第二主通道、以及连通所述两个第二主通道的多个环形分支通道，所述多个环形分支通道同圆心布置，各所述环形分支通道与所述两个第二主通道均相交连通。

在一些实施方式中，各所述第二主通道的流道面积与各所述环形分支通道的流道面积的比例可以为所述多个环形分支通道的数目:1。

采用本发明的水冷和肋板散热两种冷却结构，可以提高冷却效率，保证所需的冷却效果。

在一些实施方式中，所述第二夹具和所述水冷底座之间可设置有纳米复合材料隔热板。采用刚度和强度优于铝合金的先进复合材料隔热材料，不会造成振动能量的吸收。纳米复合隔热材料的力学性能优秀可以很好的起到隔热作用并且强度达到要求，此种设计可以实现在金属部分没有过大的温度梯度，可以更好的保护夹具。

在一些实施方式中，所述第一夹具和所述第二夹具可以均由钨钼合金制成，所述水冷底座由高温合金铸造制成。优选地，承受高温的第一夹具和第二夹具由TZM合金制成，水冷底座部分采用GH4169合金。不同位置使用不同的金属材料，考虑了保证高温环境下的夹具强度及成本。

在一些实施方式中，螺纹顶紧件和上缘板之间的垫块也可以由TZM合金制成。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的高温振动试验设备的整体安装示意图(未示出涡轮导叶)。

图2是本发明的一实施例的冷却装夹装置与涡轮导叶的装配示意图。

图3是本发明的一实施例的装夹组件与涡轮导叶的装配示意图。

图4是涡轮导叶的上缘板的结构示意图。

图5是本发明的一实施例的上夹具与涡轮导叶的定位示意图。

图6是本发明的一实施例的下夹具与涡轮导叶的定位示意图。

图7是本发明的一实施例的水冷底座的结构示意图。

图8是图7的正面示意图以及各截面的剖视图。

图9是涡轮导叶与本发明的一实施例的下夹具的安装步骤示意图。

图10是在图9所示步骤之后，涡轮导叶与本发明的一实施例的上夹具的安装步骤示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本申请的实施方式进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。

应该理解，本申请所述的轴向X、周向Y和径向Z与发动机中的涡轮导叶的定向一致。

导叶的高温高周疲劳试验是一种高温振动试验，如图1所示，本发明利用真空或惰性气体保护的高温炉1将导叶30加热至工作温度并利用振动台试验机2施加振动载荷，由于试验机2普遍不能承受高温甚至有些要求室温低于45℃才能正常工作而导叶30加热环境要达到1100℃以上，因此在陶瓷基复合材料导叶30的装夹组件10和试验机2之间设置水冷底座20。

在如图2和图3所示的实例中，本发明的冷却装夹装置包括装夹组件10和安装于试验机2上的水冷底座20。装夹组件10包括第一夹具101和第二夹具102，其中，第二夹具102的上定位段1021通过多个成行布置的M8螺纹件可拆卸地连接于第一夹具101，下连接段1022通过方形法兰盘和螺纹件可拆卸地连接于水冷底座20的上方柱段201。特别地，方形法兰盘与上方柱段201之间设置有纳米复合材料隔热板3。此处采用刚度和强度优于铝合金的先进复合材料隔热材料，不会造成振动能量的吸收，同时纳米隔热材料的力学性能优秀可以很好的起到隔热作用并且强度达到要求。此种设计可以实现在金属部分没有过大的温度梯度，可以更好的保护装夹组件10。

第二夹具102的上定位段1021和下连接段1022相互固连，并且上定位段1021的中轴线与下连接段1022的中轴线重合或成角度。设计不同的夹持角度，可以满足通过更换第二夹具102，来实现涡轮导叶多个方向的振动测试。

在进行涡轮导叶高温振动试验时，需要对导叶的上缘板301(如图4所示)进行固定。为完全固定导叶，需要同时约束上缘板轴向X、周向Y及径向Z位移。如图5所示，第一夹具101具有钩型槽，该钩型槽与上缘板301相配以在轴向X和径向Z上定位上缘板301。如图6所示，第二夹具102的上定位段1021具有方形槽，该方形槽与上缘板301相配以在周向Y上定位上缘板301。具体地，约束上缘板301的平面3.1及3.2的法向位移以固定轴向X，约束上缘板301的一对平面3.3及3.4的位移以固定径向Z，约束上缘板301的一对平面3.5及3.6的法向位移以固定周向Y。

如图4-6所示，第一夹具101的1.1面及1.2面分别通过直接接触约束上缘板301的平面3.1及3.3的法向位移，上缘板301的3.2面及3.4面分别通过M5螺纹件顶紧，为施加面约束同时防止螺纹件直接压紧上缘板301使上缘板301受损，在螺纹件与上缘板301之间设置有轴向垫块1.3及径向垫块1.4。

第二夹具102的面1.5通过直接接触约束上缘板301的3.5面的法向位移，上缘板的3.6面通过M5螺纹件顶紧。为施加面约束同时防止螺栓直接压紧上缘板301使上缘板301受损，在螺纹件与上缘板301之间设置有周向垫块1.6。各螺纹件的位置和数量应根据上缘板301的形状布置。

特别地，第一夹具101和第二夹具102配置成装夹组件10的上半部分的重心位于其下半部分的中轴线上。由此保证振动试验机的振动传递效果。

在图7和8所示的实例中，水冷底座20包括上方柱段201、下圆柱段202以及连接于两者之间的多个肋板203。在一些实施方式中，肋板203采用焊接的方式连接于上方柱段201和下圆柱段202。

在图8所示的示例中，上方柱段201的内部设置有4个上下并列的方形水冷通道，下圆柱段202的内部设置有一个环形水冷通道。应该理解，本领域技术人员可以根据需要或水冷底座的结构尺寸，改变水冷通道的数量。

由截面B-B和C-C的剖视图所示，各方形水冷通道包括分别设置于上方柱段201的相对两侧面的进水口2.1和出水口(未示出)、分别与进水口2.1和出水口连通的相互平行的两个主通道、以及连通该两个主通道的4个分支通道。优选地，4个分支通道平行间隔布置，各分支通道与两个主通道均相交连通。应该理解，本领域技术人员可以根据需要，改变分支通道的数量和平行排布方式(例如可以与主通道成角度布置)。

特别地，各主通道的流道面积与各分支通道的流道面积的比例为分支通道的数目:1。优选地，进出口处的主通道的流道面积是分支通道的5倍。

由截面D-D的剖视图所示,环形水冷通道包括分别设置于下圆柱段202的直径的相对两端的进水口2.2和出水口(未示出)、分别由进水口2.2和出水口沿直径向内延伸的两个主通道、以及连通两个主通道的2个环形分支通道。优选地，2个环形分支通道同圆心布置，各环形分支通道与两个主通道均相交连通。应该理解，本领域技术人员可以根据需要，改变环形分支通道的数量。

特别地，各主通道的流道面积与各环形分支通道的流道面积的比例为环形分支通道的数目:1。优选地，进出口处的主通道的流道面积是环形分支通道的4倍。

特别地，第一夹具101、第二夹具102、轴向垫块1.3、径向垫块1.4、周向垫块1.6以及各顶紧螺纹件由钨钼合金制成，优选地，由TZM合金制成。

特别地，水冷底座20由高温合金铸造制成，优选地，由GH4169铸造制成。

本发明的水冷装夹装置与涡轮导叶的安装过程如图9-10所示：第一步，将第二夹具102通过底部的方形法兰盘上的四个螺纹孔采用螺纹件固定在水冷底座20上；第二步，采用热熔胶将轴向垫块1.3、径向垫块1.4、周向垫块1.6分别粘贴到上缘板301的面3.2、面3.4、面3.6(热熔胶应取很薄的一层，仅用于安装，进行高温振动试验时热熔胶会熔化，最终依靠螺纹件顶紧定位)；第三步，将上缘板301沿径向(图9中所示箭头方向)移入第二夹具102中，使上缘板301的面3.3与第二夹具102的面1.7的距离大于5mm，同时保证上缘板301的面3.5与第二夹具102的面1.5接触；第四步，第一夹具101沿(图10中所示箭头方向)周向移动，通过螺纹件与第二夹具102连接并定位，随后调整导叶的位置，使上缘板301的面3.1及面3.3与第一夹具101的面1.1及1.2面接触，然后拧紧螺纹件完成轴向X及径向Z的固定；第五步，拧紧螺纹件完成周向Y的固定。

以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种涡轮导叶的高温振动试验的冷却装夹装置，其特征在于，包括装夹组件和安装于试验机上的水冷底座，所述装夹组件包括第一夹具和第二夹具，所述第二夹具的一端与所述第一夹具可拆卸连接，另一端与所述水冷底座可拆卸连接，

所述第一夹具具有钩型槽，所述钩型槽与所述涡轮导叶的上缘板相配以在轴向(X)和径向(Z)上定位所述上缘板；

所述第二夹具具有方形槽，所述方形槽与所述涡轮导叶的上缘板相配以在周向(Y)上定位所述上缘板。

2.根据权利要求1所述的冷却装夹装置，其特征在于，所述第一夹具的钩型槽和所述第二夹具的方形槽均通过接触约束和螺纹件顶紧约束的组合来分别实现在轴向(X)、径向(Z)和周向(Y)上定位所述上缘板，所述螺纹件顶紧约束中的螺纹件和所述上缘板之间设置有垫块。

3.根据权利要求1或2所述的冷却装夹装置，其特征在于，所述第二夹具包括相互固连的上定位段和下连接段，所述上定位段的中轴线与所述下连接段的中轴线重合或成角度，

所述第一夹具和所述第二夹具配置成所述装夹组件的上半部分的重心位于其下半部分的中轴线上。

4.根据权利要求1或2所述的冷却装夹装置，其特征在于，所述水冷底座包括上方柱段、下圆柱段以及连接于两者之间的多个肋板，所述上方柱段的内部设置有多个上下并列的方形水冷通道，所述下圆柱段的内部设置有至少一个环形水冷通道。

5.根据权利要求4所述的冷却装夹装置，其特征在于，各所述方形水冷通道包括分别设置于所述上方柱段的相对两侧面的第一进水口和第一出水口、分别与所述第一进水口和所述第一出水口连通的且相互平行的两个第一主通道、以及连通所述两个第一主通道的多个分支通道，

所述多个分支通道平行间隔布置，各所述分支通道与所述两个第一主通道均相交连通。

6.根据权利要求5所述的冷却装夹装置，其特征在于，各所述第一主通道的流道面积与各所述分支通道的流道面积的比例为所述多个分支通道的数目:1。

7.根据权利要求4所述的冷却装夹装置，其特征在于，所述至少一个环形水冷通道包括分别设置于所述下圆柱段的直径的相对两端的第二进水口和第二出水口、分别由所述第二进水口和所述第二出水口沿所述直径向内延伸的两个第二主通道、以及连通所述两个第二主通道的多个环形分支通道，

所述多个环形分支通道同圆心布置，各所述环形分支通道与所述两个第二主通道均相交连通。

8.根据权利要求7所述的冷却装夹装置，其特征在于，各所述第二主通道的流道面积与各所述环形分支通道的流道面积的比例为所述多个环形分支通道的数目:1。

9.根据权利要求1或2所述的冷却装夹装置，其特征在于，所述第二夹具和所述水冷底座之间设置有纳米复合材料隔热板。

10.根据权利要求1或2所述的冷却装夹装置，其特征在于，所述第一夹具和所述第二夹具均由钨钼合金制成，所述水冷底座由高温合金铸造制成。

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