CN110389024A - 一种涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验装置及方法。装置包括高速旋转试验系统、高周激振系统、微机测控系统、裂纹检测系统和高速滑环。高速滑环安装在高速旋转试验系统上，将裂纹检测系统的信号传输至微机测控系统，并将微机测控系统的信号传输至高周激振系统。本发明方案采用真实叶片、真实榫槽，在高速旋转状态下进行激振，实现高周振动载荷、低周离心载荷的准确传递，解决了准确模拟榫接结构的压力分布、温度分布、应力分布的问题；能较简单的分析受力情况、裂纹萌生位置、以及裂纹扩展规律等。本专利涉及的发明在涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳方法中具有模拟榫接结构受力准确、疲劳寿命预测精度高的特点。

Description

一种涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验装置及 方法

技术领域

本发明属于用于指示或测量工件特性的技术领域，具体为一种涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验装置及方法。

背景技术

榫接结构为航空发动机涡轮盘与叶片连接的主要形式之一，其结构几何复杂，在服役期间承受着高温、叶片离心力和切向空气阻力，以及复杂的热-机械交变载荷、高低周疲劳载荷，往往是发生疲劳破坏失效的重点区域。因此，开展榫接结构疲劳试验研究对防止结构失效，保证轮盘与叶片安全可靠运行，对航空发动机的结构完整性和可靠性具有重要意义。

在设计疲劳试验时，需要考虑结构简化、加载因素对疲劳失效机理的影响，而这些因素全都是依靠各种疲劳试验装置来实现的。现有的榫接结构疲劳试验方法主要有基于材料标准试验件的单轴或多轴疲劳试验，基于菲力轮试验器等的模拟件台架试验。这些试验研究工作存在以下问题：进行了一定的简化，忽略榫接结构的倾斜角、曲率，采用简化的直线型模型，为了要求榫头/榫槽的两侧接触表面接触均匀、达到良好的装配对中性使用模拟叶片及夹具；夹持困难且非关键部位易先破坏；难以测量接触区域的应力状态、摩擦力和相对位移效损伤参量；夹具的夹持作用很难准确描述叶片离心力，同时，由于夹具夹持作用，很难达到叶片高周激振效果，即高低周载荷存在相互干涉，位移幅、接触压力、摩擦力等影响因素均不可控。这导致难以全面描述真实构件所承受的多轴应力状态，难以准确预测榫接结构的疲劳寿命，也因此没有公认的统一规范和标准。因而，对于涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳寿命预测，这些方法都或多或少存在预测能力差的问题。为此，需要通过开展高速旋转状态下榫接结构高低周复合疲劳试验研究，进行真实构件、近似多场载荷/环境作用下的可靠性试验验证，同时对上述简化方法的合理性进行验证。

发明内容

为解决上述技术背景中提出的现有涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳寿命预测方法存在误差大的问题，本发明提供了一种高速旋转状态下榫接结构高低周复合疲劳研究方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案是：

一种涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验装置，包括高速旋转试验系统、高周激振系统、微机测控系统、裂纹检测系统和高速滑环；

所述高速旋转试验系统包括芯轴、高速柔性轴、转接段、涡轮盘和叶片；芯轴与高速柔性轴同轴安装，且两者内部设置有互相连通的油道，油道入口位于高速柔性轴的端部中心，油道贯穿高速柔性轴的轴心线并进入芯轴，油道在芯轴轴心线上开设一定长度后与位于芯轴侧壁上的油道出口连通；涡轮盘通过转接段安装在芯轴底端，随芯轴转动；涡轮盘与叶片榫接固定；

所述高周激振系统包括高频激振缸、支架、高频激振阀、油箱及油泵；所述的支架固定安装在芯轴上；所述高频激振缸一端固定在支架上，另一端与叶片刚性接触；所述的高频激振缸与布置在支架上的油管相连通，所述的油管与设置在芯轴上油道出口相连通；高速柔性轴上的油道入口与外部油管密封连接，外部油管与油箱连接，外部油管上设有高频激振阀和油泵；

所述裂纹检测系统包括应变片、压力传感器、位移传感器和高速摄像机；所述的应变片粘贴于发动机转子的榫槽端部，压力传感器安装在涡轮盘与叶片的榫接处，位移传感器粘贴于发动机转子的榫头根部，高速摄像机聚焦于涡轮盘与叶片的榫接处；所述的应变片、压力传感器、位移传感器的信号通过设置在芯轴与高速柔性轴内部的导线与高速滑环的动环接线端相连，高速滑环的静环接线端通过导线与微机测控系统相连，高速滑环将高周激振系统、裂纹检测系统获取的检测信号传输至微机测控系统，并将微机测控系统的控制信号传输至高周激振系统。高速摄像机与微机测控系统相连传输所采集的图像。

进一步的，所述支架包含若干条以芯轴轴心为中心、沿芯轴半径方向排布的支臂，所述的芯轴上设置与支臂数量相同、且位置正对支臂的油道出口，每一条支臂端部均安装一个高频激振缸，高频激振缸与对应的叶片刚性接触，每条支臂上均布置一条油管，油管一端与高频激振缸相连，另一端与对应位置的油道出口相连。若干个高频激振缸由同一高频激振阀控制，从而保证动平衡。

进一步的，所述微机测控系统包括工控机和应变仪(16)；所述工控机分别与高频激振阀(14)、负载传感器和应变仪相连，工控机用于对连接部件进行控制并对应变仪处理后的信号进行分析处理；所述的应变仪与裂纹检测系统中的应变片(3)、压力传感器(4)、位移传感器(5)相连用于对发动机转子的榫槽端部的变形进行动态应变采样和传输，并把模拟信号转换成数字信号。

进一步的，所述的高频激振缸上设有负载传感器，所述的负载传感器通过设置在芯轴和高速柔性轴内的导线和位于高速柔性轴端部的高速滑环与微机测控系统电连接。

进一步的，所述的高速柔性轴的油道入口端部通过旋转油封与轴套密封连接，所述的外部油管与所述的轴套密封连接。

进一步的，所述的高周激振系统采用电液激振方式，适用于高温环境。

进一步的，本发明还公开了一种所述试验装置的涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验方法，具体步骤如下：

(1)安装发动机转子及高周激振系统；

(2)对发动机转子的榫头和榫槽表面进行光洁处理，将应变片粘贴于发动机转子的榫槽端部，压力传感器安装在涡轮盘与叶片的榫接处，位移传感器粘贴于叶片榫头根部，高速摄像机聚焦于涡轮盘与叶片的榫接处；

(3)开展高周振动试验，油箱中的压力油在油泵的作用下通过油管进入高频激振阀，控制高频激振缸工作，使叶片发生高周强迫振动，并通过高频激振缸上的负载传感器测量负载油压；

(4)通过高速滑环将裂纹检测系统的信号传输至微机测控系统，所述裂纹检测系统信号包括应变片信号、压力传感器信号和位移传感器信号；高速摄像机将采集的图像传输至微机测控系统；

(5)根据裂纹检测系统信号，判断高周振动试验状态下榫接结构应力应变状态及其分布规律是否符合试验要求；若符合，则进入步骤(6)；若不符合，则调整高频激振作用，重复步骤(3)-(5)，直至榫接结构应力应变状态及其分布规律符合试验要求；

(6)油泵停止供油；

(7)开展低周循环试验，高速旋转试验系统启动，芯轴转动；

(8)通过高速滑环将裂纹检测系统信号传输至微机测控系统；高速摄像机将采集的图像传输至微机测控系统；

(9)根据裂纹检测系统信号，判断低周循环试验状态下榫接结构应力应变状态及其分布规律是否符合试验要求；若符合，则进入步骤(10)；若不符合，则调整芯轴转速，重复步骤(8)-(9)，直至榫接结构应力应变状态及其分布规律符合试验要求；

(10)开展高低周复合疲劳试验，高速旋转试验系统启动；油箱中的压力油在油泵的作用下通过油管进入高频激振阀，控制高频激振缸工作，在每一个低周循环中使叶片发生n₂次高周强迫振动，并通过负载传感器测量负载油压；

(11)实时获取裂纹检测系统信号，通过高速滑环将裂纹检测系统信号传输至微机测控系统；高速摄像机将采集的图像传输至微机测控系统；

(12)根据裂纹检测系统信号，判断高低周复合疲劳试验状态下榫接结构应力应变状态及其分布规律等是否符合试验要求；若符合，则完成n₁个低周循环，n₁*n₂个高周循环后结束试验；若不符合，则调整高频激振作用，重复步骤(10)-(12)，直至榫接结构应力应变状态及其分布规律符合试验要求。

本发明的有益效果是：本发明方案采用真实叶片、真实榫槽，在高速旋转状态下进行激振，适用于常温及高温环境，实现高周振动载荷、低周离心载荷的准确、独立传递，解决了准确模拟榫接结构的压力分布、温度分布、应力分布的问题；通过制定疲劳试验方案，能较简单的分析受力情况、裂纹萌生位置、以及裂纹扩展规律等。本专利涉及的发明涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳方法具有模拟榫接结构受力准确、疲劳寿命预测精度高的特点，解决了现有涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳技术不足之处。高频激振缸转动，减少噪声，激振力更稳定的。

附图说明

图1是涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验装置结构图；

图2是涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验装置机械结构示意图；

图3是涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳流程图；

图4是高低周复合疲劳载荷谱；

图中，1转接段，2.涡轮盘，3.应变片，4.高灵敏度压力传感器，5.位移传感器，6.叶片，7.高频激振缸及负载传感器，8.支架，9.油管，10.芯轴，11.高速柔性轴，12.动环接线端，13.静环接线端，14.高频激振阀，15.油箱及油泵，16.工控机、应变仪，17.高速滑环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1～2所示，涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验装置包括高速旋转试验系统、高周激振系统、微机测控系统、裂纹检测系统和高速滑环。

所述高速旋转试验系统包括芯轴10、高速柔性轴11、转接段1、涡轮盘2和叶片6；芯轴与高速柔性轴同轴安装，且两者内部设置有互相连通的油道，油道入口位于高速柔性轴的端部中心，油道贯穿高速柔性轴的轴心线并进入芯轴，油道在芯轴轴心线上开设一定长度后与位于芯轴侧壁上的油道出口连通；涡轮盘通过转接段安装在芯轴底端，随芯轴转动；涡轮盘与叶片榫接固定；

所述高周激振系统采用电液激振方式，包括高频激振缸7、支架8、高频激振阀14、油箱及油泵15；所述的支架8固定安装在芯轴10上；所述高频激振缸7一端固定在支架上，另一端与叶片刚性接触；所述的高频激振缸与布置在支架8上的油管9相连通，所述的油管9与设置在芯轴上油道出口相连通；高速柔性轴11上的油道入口与外部油管密封连接，外部油管与油箱连接，外部油管上设有高频激振阀14和油泵15；

所述裂纹检测系统包括应变片3、压力传感器4、位移传感器5和高速摄像机；所述的应变片粘贴于发动机转子的榫槽端部，压力传感器安装在涡轮盘与叶片的榫接处，位移传感器粘贴于发动机转子的榫头根部，高速摄像机聚焦于涡轮盘与叶片的榫接处；高速柔性轴的端部连接高速滑环，所述的应变片3、压力传感器4、位移传感器5的信号通过设置在芯轴与高速柔性轴内部的导线与高速滑环的动环接线端12相连，高速滑环的静环接线端13通过导线与微机测控系统相连，高速滑环将裂纹检测系统的信号传输至微机测控系统，并将微机测控系统的信号传输至高周激振系统。

在本发明的一个优选实施例中，待测的涡轮盘2安装于高速旋转试验系统上，由所述高速旋转试验系统驱动并在最低转速及最高转速间做低周疲劳循环。

所述的高速滑环17安装在高速旋转试验系统上，将裂纹检测系统的信号传输至所述的微机测控系统，将所述微机测控系统的信号传输至所述的高周激振系统。

所述微机测控系统包括工控机、应变仪16；所述工控机用于高速旋转试验系统、高频激振系统、测控系统的控制及信号分析处理；应变仪用于对发动机转子的榫槽端部处的变形进行动态应变采样和传输，并把模拟信号转换成数字信号。

在本发明的一个优选实施例中，所述支架包含若干条支臂，所述的芯轴上设置对应支臂数量和位置的油道出口，每一条支臂端部均安装一个高频激振缸，高频激振缸与对应的叶片刚性接触，油管9布置在支臂上，一端与高频激振缸相连，另一端与对应位置的油道出口相连。

在本发明的一个优选实施例中，所述的高频激振缸7上设有负载传感器，所述的负载传感器通过设置在芯轴和高速柔性轴内的导线和位于高速柔性轴端部的高速滑环与微机测控系统电连接，高速柔性轴11的油道入口端部通过旋转油封与轴套密封连接，所述的外部油管与所述的轴套密封连接。

通过采用高速滑环，本发明方案解决涡轮发动机转子高速旋转状态下信号传递问题；通过采用电液激振方式，解决高速旋转状态下高温环境下高周激振的问题；通过设置应变片、压力传感器、位移传感器的方式，达到准确识别高速旋转状态下榫接结构应力应变状态的目的；通过制定正确的试验方案，达到高速旋转状态下高低周复合疲劳寿命评价等问题。

涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验装置的使用方法如下：

(1)安装发动机转子及高周激振系统。

(2)对榫接结构的表面进行光洁处理，焊接应变片引线，引线用聚乙烯薄膜包裹。粘贴应变片及引线，将应变片粘贴于发动机转子的榫槽端部，并检查应变片粘贴质量，然后利用胶带将应变片引线排布固定在轮盘表面；同时，安装高灵敏压力传感器、位移传感器，压力传感器安装在涡轮盘与叶片的榫接处，位移传感器粘贴于发动机转子的榫头根部，高速摄像机聚焦于涡轮盘与叶片的榫接处。

(3)开展高周疲劳试验，油泵供油，油箱中的压力油在油泵的作用下通过油管进入高频激振阀，控制高频激振缸工作，使叶片发生高周强迫振动，并通过负载传感器测量负载油压。

(4)使用应变片测量榫接结构应变，同时开展榫接结构接触压力、位移测量工作，通过高速滑环将裂纹检测系统信号传输至应变仪及微机测控系统，所述裂纹检测系统信号包括应变片信号、压力传感器信号和位移传感器信号。

(5)根据裂纹检测系统信号，判断高周振动试验状态下榫接结构应力应变状态及其分布规律是否符合试验要求；若符合，则进入步骤(6)；若不符合，则调整高频激振作用，重复步骤(3)-(5)，直至榫接结构应力应变状态及其分布规律等符合试验要求。

(6)油泵停止供油。

(7)开展低周循环试验，高速旋转试验系统启动，芯轴转动。

(8)使用应变片测量榫接结构应变，通过高速滑环将信号传递至应变仪；同时开展榫接结构接触压力、位移测量工作。

(9)根据裂纹检测系统信号，判断低周循环试验状态下榫接结构应力应变状态及其分布规律等是否符合试验要求；若符合，则进入步骤(10)；若不符合，则调整芯轴转速，重复步骤(8)-(9)，直至榫接结构应力应变状态及其分布规律等符合试验要求。

(10)开展高低周复合疲劳试验，高低周复合疲劳载荷谱见图4所示(图中，横轴为时间t，纵轴为应力，σ_h为高周循环应力幅，σ_l为低周循环应力幅)。芯轴转动，发动机转子转速由最低转速升至最高转速，并在最高转速停留；停留期间，油泵供油，高频激振阀作动，高频激振缸作用叶片，叶片发生n₂次高周强迫振动，测量负载油压；高周激振完成，停止供油，转速由最高转速降至最低转速，完成一个低周循环、n₂个高周循环。

(11)使用应变片测量榫接结构应变，通过高速滑环将信号传递至应变仪及微机测控系统；同时开展榫接结构接触压力、位移测量工作。

(12)判断高低周复合疲劳试验状态下，应变、接触压力、位移信号与试验要求的符合试验要求。若符合，则完成n₁个低周循环，n₁*n₂个高周循环后结束试验；若不符合，则通过调整高频激振作用，重复(10)-(12)，直至榫接结构应力应变状态及其分布规律符合试验要求。

Claims (6)

1.一种涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验装置，其特征在于包括高速旋转试验系统、高周激振系统、微机测控系统、裂纹检测系统和高速滑环(17)；

所述高速旋转试验系统包括芯轴(10)、高速柔性轴(11)、转接段(1)、涡轮盘(2)和叶片(6)；芯轴与高速柔性轴同轴安装，且两者内部设置有互相连通的油道，油道入口位于高速柔性轴的端部中心，油道贯穿高速柔性轴的轴心线并进入芯轴，油道在芯轴轴心线上开设一定长度后与位于芯轴侧壁上的油道出口连通；涡轮盘通过转接段安装在芯轴底端，可随芯轴转动；涡轮盘与叶片榫接固定；

所述高周激振系统包括高频激振缸(7)、支架(8)、高频激振阀(14)、油箱及油泵(15)；所述的支架(8)固定安装在芯轴(10)上；所述高频激振缸(7)一端固定在支架上，另一端与叶片刚性接触；所述的高频激振缸与布置在支架(8)上的油管(9)相连通，所述的油管(9)与设置在芯轴上的油道出口相连通；高速柔性轴(11)上的油道入口与外部油管密封连接，外部油管与油箱连接，外部油管上设有高频激振阀(14)和油泵(15)；

所述裂纹检测系统包括应变片(3)、压力传感器(4)、位移传感器(5)和高速摄像机；所述的应变片粘贴于发动机转子的榫槽端部，压力传感器安装在涡轮盘与叶片的榫接处，位移传感器粘贴于发动机转子的榫头根部，高速摄像机聚焦于涡轮盘与叶片的榫接处；所述的应变片(3)、压力传感器(4)、位移传感器(5)的信号通过设置在芯轴和高速柔性轴内部的导线与高速滑环的动环接线端(12)相连，高速滑环的静环接线端(13)通过导线与微机测控系统相连，高速滑环将高周激振系统、裂纹检测系统获取的检测信号传输至微机测控系统，并将微机测控系统的控制信号传输至高周激振系统；高速摄像机与微机测控系统相连传输所采集的图像。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验装置，其特征在于所述支架包含若干条以芯轴轴心为中心、沿芯轴半径方向排布的支臂，所述的芯轴上设置与支臂数量相同、且位置正对支臂的油道出口，每一条支臂端部均安装一个高频激振缸，高频激振缸与对应的叶片刚性接触，每条支臂上均布置一条油管(9)，油管(9)一端与高频激振缸相连，另一端与对应位置的油道出口相连。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验装置，其特征在于所述的高频激振缸(7)上设有负载传感器，所述的负载传感器通过设置在芯轴和高速柔性轴内部的导线与高速滑环相连，通过高速滑环与微机测控系统电连接。

4.根据权利要求3所述的一种涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验装置，其特征在于所述微机测控系统包括工控机和应变仪(16)；所述工控机分别与高频激振阀(14)、负载传感器和应变仪相连；所述的应变仪与裂纹检测系统中的应变片(3)、压力传感器(4)、位移传感器(5)相连用于对发动机转子的榫槽端部的变形进行动态应变采样和传输，并把模拟信号转换成数字信号。

5.根据权利要求1所述的一种涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验装置，其特征在于所述的高速柔性轴(11)的油道入口端部通过旋转油封与轴套密封连接，所述的外部油管与所述的轴套密封连接。

6.一种权利要求1至5中任一项所述试验装置的涡轮发动机转子榫接结构高低周复合疲劳试验方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)安装发动机转子及高周激振系统；

(2)对发动机转子的榫头和榫槽表面进行光洁处理，将应变片粘贴于发动机转子的榫槽端部，压力传感器安装在涡轮盘与叶片的榫接处，位移传感器粘贴于叶片榫头根部，高速摄像机聚焦于涡轮盘与叶片的榫接处；

(3)开展高周振动试验，油箱中的压力油在油泵的作用下通过油管进入高频激振阀，控制高频激振缸工作，使叶片发生高周强迫振动，并通过高频激振缸上的负载传感器测量负载油压；

(4)通过高速滑环将裂纹检测系统的信号传输至微机测控系统，所述裂纹检测系统信号包括应变片信号、压力传感器信号和位移传感器信号；高速摄像机将采集的图像传输至微机测控系统；

(5)根据裂纹检测系统信号，判断高周振动试验状态下榫接结构应力应变状态及其分布规律是否符合试验要求；若符合，则进入步骤(6)；若不符合，则调整高频激振作用，重复步骤(3)-(5)，直至榫接结构应力应变状态及其分布规律符合试验要求；

(6)油泵停止供油；

(7)开展低周循环试验，高速旋转试验系统启动，芯轴转动；

(8)通过高速滑环将裂纹检测系统信号传输至微机测控系统；高速摄像机将采集的图像传输至微机测控系统；

(9)根据裂纹检测系统信号，判断低周循环试验状态下榫接结构应力应变状态及其分布规律是否符合试验要求；若符合，则进入步骤(10)；若不符合，则调整芯轴转速，重复步骤(8)-(9)，直至榫接结构应力应变状态及其分布规律符合试验要求；

(10)开展高低周复合疲劳试验，高速旋转试验系统启动；油箱中的压力油在油泵的作用下通过油管进入高频激振阀，控制高频激振缸工作，在每一个低周循环中使叶片发生n₂次高周强迫振动，并通过负载传感器测量负载油压；

(11)实时获取裂纹检测系统信号，通过高速滑环将裂纹检测系统信号传输至微机测控系统；高速摄像机将采集的图像传输至微机测控系统；

(12)根据裂纹检测系统信号，判断高低周复合疲劳试验状态下榫接结构应力应变状态及其分布规律等是否符合试验要求；若符合，则完成n₁个低周循环，n₁*n₂个高周循环后结束试验；若不符合，则调整高频激振作用，重复步骤(10)-(12)，直至榫接结构应力应变状态及其分布规律符合试验要求。