CN110631933B - 一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具及试验方法，可用于涡轮叶片榫接结构的热机械疲劳、蠕变‑疲劳、低循环疲劳、蠕变等试验加载。本套夹具上下两端分别通过一个夹持构件与疲劳试验机相连接，夹持构件通过燕尾型榫接结构与涡轮叶片上下夹具相连接；涡轮叶片上夹具主要由两个构件组成，内有冷水通道，涡轮叶片安装在两构件形成的内腔中，通过伸根段的一对斜面实现与叶片上夹具的安装定位和轴向载荷的传递；下夹具由高温合金材料制成，通过纵树型榫槽与涡轮叶片榫头相配合，可使用感应加热线圈对叶片榫接结构进行加热。本发明实现了涡轮叶片的稳定夹持，并能够满足对榫接结构施加室温至500℃的温度载荷、0N至150kN机械载荷的试验要求。

Description

一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具及试验方法

技术领域

本发明属于涡轮叶片榫接结构试验领域，特别涉及一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具及试验方法，它能够在实验室条件下对涡轮叶片榫接结构进行高温和大载荷的疲劳载荷环境模拟，在此基础上可以进行涡轮叶片热机械疲劳等复合疲劳试验，测试涡轮叶片榫接结构的寿命，为燃气涡轮动机安全可靠的工作提供保障，属于燃气涡轮发动机技术领域。

背景技术

燃气涡轮发动机的涡轮叶片在高温、高压、高转速的极端环境下工作，在这种复杂的载荷环境下，榫接结构容易发生疲劳失效。涡轮叶片作为燃气涡轮发动机的核心部件之一，一旦损坏后果严重，因此开展涡轮叶片在复杂极端工况下的疲劳试验、研究其疲劳性能、确定其疲劳寿命是至关重要的。地面、舰载燃气轮机的涡轮叶片尺寸较大，典型的低压涡轮叶片的高度约30cm，重量约为2kg，榫头在工作状态下承受着350℃左右的高温和220kN左右的离心载荷，为了能够在实验室条件下对这种叶片的榫接结构的疲劳寿命进行深入研究，需要设计一种适用于高温大载荷工况的涡轮叶片榫接结构试验夹具。

目前文献资料中对载荷超过100kN的涡轮叶片的试验夹具的设计方案少见公开报道。北航闫晓军等人[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.)中提出了一种涡轮叶片夹具设计方案，其组成包括：顶部夹块(13)、上夹块(14)、销轴(15)、螺栓(16)、外夹具(17)、内夹具(18)、叶片(19)、部分轮盘(20)、下夹块(21)和底部夹块(22)。该涡轮叶片夹具设计方案通过内夹具(18)和部分轮盘(20)夹紧叶片，其中内夹具(18)依靠螺栓压紧产生的摩擦力实现对叶身的夹持，通过摩擦的原理避免滑脱并实现加载。该方案利用销轴(15)实现多块夹具间的连接和传递载荷，将顶部夹块(13)和上夹块(14)连接、下夹块(21)和底部夹块(22)连接以防止叶身加载过程中产生的扭矩向试验机上下夹头传递。

该方案存在以下几点问题：(1)内夹具(18)依靠摩擦力夹持，若螺栓(16)压紧力过大，则易导致叶片(19)内部结构被压溃，若压紧力过小，则易发生滑脱，因此限制了加载载荷的大小。(2)多层夹具相互嵌套，导致加载的同轴度难以保证，很容易在加载时对叶片产生附加的扭矩，导致试验结果不可靠，甚至造成试验失败。(3)该夹具设计方案受到加载方案和夹具形式的限制，无法对榫头进行高温、大载荷的加载。

北航胡殿印等提出了一种涡轮小叶片榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具(申请号CN201810528413.5，公开日期20180824)，其组成包括：顶端固持结构(23)、夹紧螺栓(24)、固定长螺栓(25)、传力顶板(26)、传力拉板(27)、涡轮盘(28)、涡轮叶片(29)、小叶片夹具(30)、高周激振力施加点(31)和低周施力结构(32)。该方案利用小叶片夹具(30)依靠摩擦力夹紧涡轮叶片叶身部分，小叶片夹具(30)采用包络式夹持，将整个小叶片的叶身包裹在夹具内，增大有效夹持面积，以减小预紧力的需求、降低小叶片内部的气道被压溃的风险；该方案利用涡轮盘(28)与涡轮叶片通过榫接连接。

该方案存在以下几点问题：(1)该方案利用小叶片夹具(30)夹紧涡轮叶片的整个叶身部分，依靠摩擦力加载，尽管增大了包络面积，但这种方案能传递的载荷仍然有限，仅能用涡轴发动机的涡轮叶片(高度通常小于70mm)，无法用于高度达到30cm、榫头离心载荷达到220kN量级的燃气轮机低压涡轮叶片；(2)该夹具方案的制造成本高，且通用性差，小叶片夹具(30)需要和涡轮叶片叶身的复杂型面相贴合，制造工艺复杂，并且小叶片夹具(30)为增大有效夹持面积将整个小叶片的叶身包裹在夹具内，进一步增加了夹具的制造成本，对于不同叶片需要重新制作专用的小叶片夹具(30)并更换涡轮盘(28)，导致其通用性较差，变相增加了试验的成本。

本发明与上述文献中夹具的加载原理、夹持方案、对中方式和夹具结构均不相同，很好的解决了上述问题，并能够适用于更高的温度和更大的载荷范围，提升了夹具的通用性，降低了制造成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具及试验方法，克服了对涡轮叶片榫接结构施加500℃的高温、150kN的大载荷的难点，解决了叶片直接夹持易压溃或滑脱、易受力不平衡的问题，能够实现温度场、拉伸载荷的稳定有效加载，可以用于涡轮榫接结构的热机械疲劳、蠕变-疲劳等试验。

本发明的技术解决方案是：一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，包括：顶端夹持构件(1)、限位挡板(2)、固定螺栓(3)、伸根夹具(4)、夹紧螺栓(5)、螺母(6)、涡轮叶片(7)、榫头子夹具(8)、榫头母夹具(9)、固定长螺栓(10)、底端夹持构件(11)和垫片(12)；顶端夹持构件(1)一端通过圆柱段与疲劳试验机相连，另一端通过燕尾型榫槽与伸根夹具(4)上端的燕尾型榫头相配合；两块限位挡板(2)通过固定螺栓(3)与顶端夹持构件(1)连接，限制伸根夹具(4)沿燕尾型榫槽滑动；两块伸根夹具(4)通过固定边配合实现相互定位，并由夹紧螺栓(5)和螺母(6)夹紧；涡轮叶片(7)通过的一对斜面与伸根夹具(4)(或垫片(12))相配合，叶片的榫头与榫头子夹具(8)上的榫槽相配合；榫头子夹具(8)通过过盈配合嵌入榫头母夹具(9)中；榫头母夹具(9)通过燕尾型榫头与底端夹持构件(11)上的燕尾型榫槽相配合；两块限位挡板(2)通过固定长螺栓(10)和螺母(6)与底端夹持构件(11)连接，限制榫头子夹具(8)沿燕尾型榫槽滑动；底端夹持构件(11)通过圆柱段与疲劳试验机相连；在伸根夹具(4)内部的斜配合面上可安装一对垫片(12)，垫片(12)与伸根夹具(4)和涡轮叶片(7)同时配合；伸根夹具(4)通过底部的冷却水孔通入冷却水进行冷却，涡轮叶片榫接结构通过电感加热铜线圈进行加热，即通过在榫头子夹具(8)周围缠绕感应线圈对涡轮叶片(7)的榫头部分进行加热。

所述涡轮叶片(7)的形成方法是：将真实涡轮叶片的叶冠及叶身切去，只保留叶片的伸根和榫头，在伸根段切割出一对与水平面所夹锐角在30°至35°范围内的V型斜面，将斜面下方的伸根材料和榫头材料去除，得到试验所需的涡轮叶片(7)，这样既为叶片创造了承载结构，又通过减小榫头横截面积的方式降低了试验所需的载荷。

所述高温为500℃，最大载荷为150kN。

所述涡轮叶片(7)通过伸根段的一对斜面与伸根夹具(4)(或垫片(12))相配合，同时涡轮叶片(7)通过纵树型榫头与榫头子夹具(8)上的纵树型榫槽相配合，叶片伸根、榫头的两组配合面的空间位置相互交错，从而在传递载荷的同时实现涡轮叶片(7)的定位。

所述榫头子夹具(8)和榫头母夹具(9)由镍基变形高温合金材料制成，能够承受500℃的温度而无需冷却，从而模拟涡轮叶片榫接结构实际工况下的温度载荷。

所述伸根夹具(4)底部有冷却水通道，伸根夹具(4)通过外接冷却水管使冷却水流过内部的水流通道对夹具进行冷却，以保证伸根夹具(4)能够承受500℃的高温试验条件。

所述伸根夹具(4)、榫头母夹具(9)上的燕尾型榫头结构与顶端夹持构件(1)、底端夹持构件(11)上的燕尾型榫槽结构均采用独创多段圆弧式设计，即燕尾型榫头和榫槽的轮廓均由八段圆弧(左右对称各四个)和五段直线构成，从而有效降低了榫头和榫槽的应力集中程度。

所述试验夹具利用通用的伸根夹具(4)和榫头母夹具(9)搭配专用的垫片(12)和榫头子夹具(8)，可以实现对不同尺寸、型号的涡轮叶片(7)的稳定夹持和载荷施加，对各种涡轮叶片(7)进行试验时，只需更换专用的垫片(12)和榫头子夹具(8)，从而降低了制造多套叶片试验夹具的原材料成本、加工成本和时间成本。

一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验方法，包括以下步骤：

步骤1：试验夹具组装：所述试验夹具由顶端夹持构件(1)、限位挡板(2)、固定螺栓(3)、伸根夹具(4)、夹紧螺栓(5)、螺母(6)、涡轮叶片(7)、榫头子夹具(8)、榫头母夹具(9)、固定长螺栓(10)、底端夹持构件(11)和垫片(12)组成；将涡轮叶片(7)放入两块伸根夹具(4)之间的空腔中，使涡轮叶片(7)与(垫片(12)、垫片(12)与)伸根夹具(4)的斜面正确配合，并使两块伸根夹具(4)的定位边紧密贴合，用夹紧螺栓(5)和螺母(6)将两块伸根夹具(4)压紧固定；用疲劳试验机上夹头夹紧顶端夹持构件(1)上方的圆柱，将组装好的伸根夹具(4)推入顶端夹持构件(1)下方的榫槽中，用固定螺栓(3)将两块限位挡板(2)分别固定在顶端夹持构件(1)榫槽的两端；提前将榫头子夹具(8)压入榫头母夹具(9)中，然后将榫头子夹具(8)与涡轮叶片(7)的榫头相连接，将电感加热铜线圈套在榫头母夹具(9)外，将底端夹持构件(11)安装到榫头母夹具(9)下方的榫头上，用固定长螺栓(10)和螺母(6)将两块限位挡板(2)分别固定在底端夹持构件(11)榫槽的两端，用疲劳试验机下夹头夹紧底端夹持构件(11)下方的圆柱，最后检查以确保各配合面接触良好、各个螺栓连接紧密稳固，试验夹具组装完成；

步骤2：服役条件模拟，选取涡轮叶片(7)榫头考核截面的若干测点，粘贴好应变片和热电偶，将应变片与应变仪相连；将冷水机的冷却水管与伸根夹具(4)底部的冷却水通道连接，通入冷却水；将安装在榫接结构外的电感加热铜线圈与高频炉连接，通过调节感应加热线圈的形状以及与涡轮叶片榫头考核截面的相对位置，使得榫头考核截面的温度场符合涡轮叶片工作状态的真实情况；

步骤3：试验过程：在完成步骤(2)后进行涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验，载荷控制器控制疲劳试验机施加低周载荷，同时根据实时载荷计算出对应的目标温度值，并将其传递给温度控制器，温度控制器实时比较目标温度值与绑定在试件上热电偶测得的测量温度值的差异，进而控制高频感应加热炉实现对榫接结构的加温和降温；通过载荷控制器、温度控制器和高频感应加热炉的协调工作，疲劳载荷和与温度载荷同步的施加于涡轮叶片榫头的考核截面，实现涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验；当涡轮叶片榫头考核截面寿命达到规定循环次数或者发生破坏时，试验结束。

本发明与现有涡轮叶片榫接结构疲劳试验夹具方案相比的优点在于：

(1)本发明采用的叶片加载方式，是独创的将叶片伸根部分切割出一对与水平面夹角为35度的斜面，(直接或借助垫片(12))与伸根夹具(4)上的斜面进行配合，同时实现加载和定位。其加载原理是配合面直接传递载荷，完全不依靠摩擦力，小角度的倾斜是为了实现定位，并且角度和圆角的数值都是经过优化确定的。这种加载方式不同于以往加载方案利用压紧叶身依靠摩擦力加载、或夹持叶冠、凸台等实现加载，避免了在传递大载荷时压溃叶身和破坏叶冠、凸台的风险，这种在叶片伸根段切割出加载斜面的做法最大限度地利用了叶片主体结构的承载能力，能够在叶片不破坏的情况下给叶片榫接结构施加150kN的大载荷。本发明的榫头子夹具(8)和榫头母夹具(9)由高温合金材料制成，伸根夹具(4)可通过连接冷却水管进行冷却，使得本套夹具能在叶片榫接结构加热到500℃的状态下长时间工作，从而在实验室条件下能够对榫头实际的高温高应力工作状态进行模拟。

(2)本发明采用的定位方式，是独创的利用叶片伸根段与伸根夹具(4)、叶片榫头与榫头子夹具(8)两组斜面同时实现了对叶片的定位和加载。其定位原理在于，利用两个V型夹块可以夹住一个圆柱，但这种方式没有限制圆柱轴向运动的自由度，只是靠摩擦力阻碍圆柱的轴向运动；如果将其中一个夹块旋转90°，变成两个开口相对、方向交错的V形，就可以稳定地夹持球体，因为球体三个方向的自由度都被限制了；而再将其中一个V形做平移，使两个V形尖角相对、方向交错，就是本发明采用的夹持方式，两个V型结构分别对应叶片的伸根斜面和榫头配合面，这种夹持方式完全限制了叶片的三个自由度，并且可以稳定可靠地传递载荷。而且由于顶端夹持构件(1)和底端夹持构件(11)榫槽的方向相互垂直，使得伸根夹具(4)(-垫片(12))-涡轮叶片(7)-榫头子夹具(8)-榫头母夹具(9)这个整体可以沿水平面内任意方向相对疲劳试验机上下夹头有小幅度的滑动，即使疲劳试验机上下夹头不同心也不会对叶片加载产生附加弯矩和附加扭矩。现有文献中采用多层夹具相互嵌套，导致加载的同轴度难以保证，很容易在加载时对叶片产生附加的扭矩，本发明简化了夹具结构，提出了独创的定位方式，从而解决了加载时对叶片产生附加扭矩的问题，给试验的平稳运行提供了更大的裕度，提高了试验结果的可信度。

(3)本发明对涡轮叶片(7)和伸根夹具(4)间的斜面配合结构，以及伸根夹具(4)、顶端夹持构件(1)、榫头母夹具(9)和底端夹持构件(11)上的燕尾型榫头和榫槽结构做了结构和尺寸上的优化，通过优化斜面角度和圆角尺寸减小了叶片伸根段的应力集中程度，通过多段圆弧式设计使得燕尾型榫头和榫槽的应力集中程度大幅降低，并具有良好的抗变形能力。上述设计和优化保证了叶片榫接结构的应力水平远高于整个夹具系统和试验件其他部位的应力水平，提高了试验系统的可靠性，解决了现有文献中的试验装置无法对涡轮叶片的榫头进行高温、大载荷的加载的问题。

(4)本发明设计了创新性的“通用-专用”的“母子”夹具形式，利用通用的伸根夹具(4)和榫头母夹具(9)搭配专用的垫片(12)和榫头子夹具(8)，在进行不同尺寸、型号的涡轮叶片(7)试验时，只需更换尺寸较小、制造成本较低的专用垫片(12)和榫头子夹具(8)，而无需更换尺寸较大、制造成本较高的伸根夹具(4)和榫头母夹具(9)，从而使本夹具对燃气轮机低压涡轮叶片有广泛的适用性，相比更换伸根(叶身)夹具和整个榫槽夹具的方案，将制造新叶片榫头夹具所需的高温合金原材料量降低了80％以上、将制造新叶片伸根夹具的加工费用和时间成本降低了90％以上。

总之，本发明提出了一种能够在实验室条件下让真实涡轮叶片承受150kN的大载荷和500℃的温度载荷的夹具设计方案和试验方法，这是现有文献中的方案无法实现的。本发明与文献中夹具的加载原理、夹持方案、对中方式和夹具结构均不相同，很好地解决了文献中夹具方案存在的问题，为涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验提供了解决方案，可用于涡轮叶片榫接结构在室温至500℃温度范围内、最大载荷在150kN以内的热机械疲劳、蠕变、低周疲劳、蠕变-疲劳等试验；本发明的夹持方案平衡稳固，保证了榫接结构受载的平衡性；夹具结构安全可靠，具有承载能力强、应力集中程度低、变形量小、可靠性强、适用范围广、通用性好和制造成本低的优点。

附图说明

图1为本发明夹具夹持涡轮叶片试验件的装配图；

图2为本发明上夹具夹持涡轮叶片试验件伸根段的装配图；

图3为本发明涡轮叶片试验件和垫片安装在伸根夹具中的装配图；

图4为本发明下夹具夹持涡轮叶片试验件榫头的装配图；

图5为本发明榫头子夹具和榫头母夹具的结构图；

图6为本发明伸根夹具底部冷却水通道的结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明夹具分为三大部分：由伸根夹具4、夹紧螺栓5、螺母6、涡轮叶片7、榫头子夹具8和榫头母夹具9组成的涡轮叶片夹持系统；由顶端夹持构件1、限位挡板2和固定螺栓3组成的顶端夹持系统；由限位挡板2、固定长螺栓10、螺母6和底端夹持构件11组成的底端夹持系统。所述伸根夹具4和顶端夹持构件1间的燕尾型榫接结构与图1中榫头母夹具9和底端夹持构件11间的燕尾型榫槽结构一致，均采用独创的多段圆弧式设计，即燕尾型榫头和榫槽的轮廓均由八段圆弧和五段直线构成，顺序为“夹具表面—90°圆弧①—直线①—55°圆弧②—直线②—90°圆弧③—55°圆弧④—直线③—55°圆弧④—90°圆弧③—直线②—55°圆弧②—直线①—90°圆弧①—夹具表面”(角度表示圆弧的圆心角)，这种设计最大限度地使用了平滑的圆弧结构以缓解尖角和转折处的应力集中，有效降低了榫头和榫槽的应力水平。在试验过程中榫头子夹具8和榫头母夹具9会和涡轮叶片7的榫头一同被电感线圈加热，因而选用镍基高温合金材料(如GH4169)制作榫头子夹具8和榫头母夹具9，使其在500℃的温度下仍能保持良好的力学性能，其余夹具构件由常规夹具材料(如30CrMnSiA)制成。本套夹具主要针对涡轮叶片榫接结构的热机械疲劳试验进行了设计，也适用于低周疲劳、蠕变、蠕变-疲劳等试验，可以对涡轮叶片榫接结构同时施加150kN的机械载荷和500℃的温度载荷。

如图2所示，涡轮叶片7安装在伸根夹具4的内腔中，通过伸根段的斜面与伸根夹具4内部的斜面相配合，两块伸根夹具4间通过定位边定位，用四组夹紧螺栓5和螺母6夹紧；顶端夹持构件1通过上方的圆柱与疲劳试验机上夹头相连，通过下方的燕尾型榫槽与伸根夹具4顶端的燕尾型榫头连接，利用八个固定螺栓3将两块限位挡板2固定在顶端夹持构件1上，可限制伸根夹具4沿燕尾型榫槽槽向的位移。制造涡轮叶片7需要将真实叶片无法承受大载荷的叶冠、叶身部分切去，保留具有较好承载能力的伸根段和榫头，然后在在伸根段切割出一对与水平面所夹锐角在30°至35°范围内的V型斜面，斜面通过圆角过度转为向下的竖直面，向下切割至叶片榫头底部，即将斜面下方的伸根材料和榫头材料去除。通过这种对叶片的伸根和榫头进行切割的方式，减小了叶片榫头的横截面积，从而将试验载荷从220kN以上降低至150kN(用此方法通过控制保留的榫头的横截面积可以将载荷减小任意百分比，但切去1/3以上的榫头会影响叶片榫头的应力分布，使试验条件下的应力分布和真实工况不一致，因此将载荷降低至150kN)，同时在伸根段创造出了具有承载和定位双重作用的斜面，最大限度地利用叶片主体结构的承载能力，创造了可靠的承载结构。叶片伸根斜面的倾斜角度和过度圆角的半径密切相关，其数值是经过优化确定的：伸根斜面和水平面的夹角越小，叶片伸根的应力集中情况就越严重，就需要相应的增大过度圆角的半径，但由于叶片尺寸有限，过大的圆角半径会使得伸根斜面面积过小，导致配合面附近应力增大；伸根斜面和水平面夹角越大，则加载过程中夹具受到的水平张开的力越大，容易使夹具产生严重的应力集中和明显的变形，也会增大叶片伸根的应力水平，因此，伸根斜面倾斜角度和过度圆角半径的取值十分关键。经过优化分析，对于本叶片实例最终选取叶片伸根斜面倾斜角度为35°，能够最大限度地减小叶片伸根段的应力集中，对于其他涡轮叶片，伸根斜面倾斜角度应选取在30°至35°范围内。

如图3所示，当更换不同尺寸、不同型号的涡轮叶片7进行试验时，首先需根据叶片结构特点和试验要求确定要保留榫头面积和伸根段宽度，然后对叶片进行切割(具体加工步骤见上段)，需保证叶片伸根段斜面和水平面夹角与伸根夹具4的一致(如都为30°或都为35°，对于本例都选取35°)，然后根据切割后的叶片伸根段和伸根夹具4之间间隙的尺寸确定垫片12的厚度，垫片12形状为T型，表面光滑，通过斜面与涡轮叶片7和伸根夹具4相配合，在水平方向上，垫片12和涡轮叶片7、伸根夹具4为间隙配合，以保证涡轮叶片7能顺利、正确地安装。通过针对不同涡轮叶片7更换不同厚度的垫片12(或不使用垫片12)，即可实现对各种涡轮叶片7伸根段的稳定夹持。

如图4所示，涡轮叶片7的榫头与榫头子夹具8上的纵树型榫槽相配合，榫头子夹具8通过过盈配合嵌入榫头母夹具9中，榫头子夹具9通过下方的燕尾型榫头与底端夹持构件11相连，底端夹持构件11通过下端的圆柱与疲劳试验机下夹头相连，通过四组固定长螺栓10和螺母6将两块限位挡板2固定在底端夹持构件11上，以限制榫头子夹具8沿燕尾型榫槽槽向的位移。涡轮叶片7的伸根段通过一对斜面与伸根夹具4相配合，纵树型榫头与榫头子夹具8上的纵树型榫槽相配合，叶片伸根段斜面的法线所在的竖直面与叶片榫头配合面的法线所在的竖直面相垂直，即叶片伸根、榫头的两组配合面的空间位置相互交错，这种伸根和榫头两组斜面相互交错的夹持方式完全限制了叶片的三个自由度，并且可以稳定可靠地传递载荷。此时涡轮叶片7可沿伸根夹具4的斜面在小范围内滑动，通过疲劳机夹头夹紧顶端夹持构件1和底端夹持构件11，这一自由度被限制，这一设计在传递载荷的同时实现了涡轮叶片7的定位，并且使得涡轮叶片7受到的载荷不受疲劳机上下夹头不同心的影响，从而有效避免了叶片在加载过程中产生附加弯矩和扭矩的问题。

如图5所示，榫头子夹具8和榫头母夹具9共同组成了叶片的榫头夹具，榫头母夹具9为通用构件，榫头子夹具8为专用构件，对于不同的叶片榫头结构需要更换相应的榫头子夹具8；榫头子夹具8和榫头母夹具9由同种镍基高温合金制成，在进行500℃的试验时也无需冷却，二者之间为过盈配合，从而避免了在试验过程中发生相对滑动；榫头子夹具8和榫头母夹具9通过斜配合面传递载荷，榫头母夹具9凹槽根部的大尺寸圆角有效减小了应力集中，榫头母夹具9的宽度和厚度采用保守设计，保证了试验能够安全可靠地进行。通过针对不同的涡轮叶片榫头结构更换不同的榫头子夹具8，即可实现对各种涡轮叶片7榫头结构的稳定夹持。

如图6所示，伸根夹具4底部设计有弯曲的冷却水通道(为展示方便已将焊接在底部的盖板隐藏)，在伸根夹具4两侧设计有圆管作为冷却水的入口和出口，可外接冷水机进行供水；弯曲的水流通道设计使得冷却水的换热效率更高，从而保证在试验过程中用电感线圈对涡轮叶片7的榫头加热到500℃时，伸根夹具4的底部仍能保持较低的温度，确保了试验稳定可靠地进行。

组装要求及试验方法如下：

首先组装本套涡轮叶片夹具的中上部分，将涡轮叶片7放入两块伸根夹具4之间的空腔中，使涡轮叶片7与伸根夹具4(或垫片12)的斜面相配合，使榫头从两块伸根夹具4下方的孔中伸出，并使两块伸根夹具4的定位边紧密贴合，保证叶片和夹具的斜面正确配合后，用夹紧螺栓5和螺母6将两块伸根夹具4压紧固定。本套涡轮叶片夹具的中上部分组装完成。

完成本套涡轮叶片夹具的中上部分组装完成之后，进行顶部零件的安装和连接。用疲劳试验机上夹头夹紧顶端夹持构件1上方的圆柱，将组装好的伸根夹具4推入顶端夹持构件1下方的榫槽中，在保证两块伸根夹具4的榫头都与榫槽配合面稳定接触的情况下，用八个固定螺栓3将两块限位挡板2分别固定在顶端夹持构件1榫槽的两端。本套涡轮叶片夹具的上半部分安装完成。

完成本套涡轮叶片试验夹具上半部分的安装后，进行榫头夹具和底部零件的安装。在保证涡轮叶片7和伸根夹具4(或垫片12)的斜面稳定贴合的情况下，提前将榫头子夹具8压入榫头母夹具9中，然后将榫头子夹具8与涡轮叶片7的榫头相连接(如进行高温试验，需在此时将电感加热铜线圈套在榫头母夹具9外)，在保证涡轮叶片7的榫头与榫头子夹具8的榫槽的配合面接触良好的前提下，将底端夹持构件11安装到榫头母夹具9下方的榫头上，用四组固定长螺栓10和螺母6将两块限位挡板2分别固定在底端夹持构件11榫槽的两端，最后用疲劳试验机下夹头夹紧底端夹持构件11下方的圆柱，检查顶端夹持构件1与伸根夹具4、伸根夹具4与涡轮叶片7、涡轮叶片7与榫头子夹具8、榫头母夹具9与底端夹持构件11的共四组配合面保证接触良好、各个螺栓连接紧密稳固。本套涡轮叶片夹具与试验件安装完成。

在试验前还需在涡轮叶片7榫头考核截面选取若干测点，粘贴好应变片，将应变片与应变仪相连从而对榫头的应力状态进行监测；如进行高温试验，还需在榫头考核截面两段粘贴热电偶，并将冷水机的冷却水管与伸根夹具4底部的冷却水通道连接，并将安装在榫接结构外的电感加热铜线圈与高频炉连接，首先开动冷水机泵入冷却水，然后打开高频炉调节试验温度，通过调节感应加热线圈的大小、圈数、形状以及与涡轮叶片榫头考核截面的相对位置，使得榫头考的温度场符合涡轮叶片工作状态的真实情况。至此整套试验夹具安装完成。

在涡轮叶片7榫头的温度场达到试验要求后即可开动疲劳机施加低周载荷，疲劳试验机在载荷控制器的控制下施加低周载荷，同时根据实时载荷计算出对应的目标温度值，并将其传递给温度控制器，温度控制器实时比较目标温度值与绑定在试件上热电偶测得的测量温度值的差异，进而控制高频感应加热炉实现对榫接结构的加温和降温；通过上述设备的协调工作，疲劳载荷和与温度载荷同步的施加于涡轮叶片榫头的考核截面，实现涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验；当涡轮叶片榫头考核截面寿命达到规定循环次数或者发生破坏时，试验结束。

从上述具体试验过程可以发现，本发明可以有效地对涡轮叶片榫接结构施加机械载荷，配合载荷控制器、温度控制器、冷水机、高频感应加热炉和感应线圈等设备，能够满足涡轮榫接结构开展热机械疲劳、低周疲劳、疲劳-蠕变等试验的需求。

Claims (9)

1.一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于，包括：顶端夹持构件(1)、限位挡板(2)、固定螺栓(3)、伸根夹具(4)、夹紧螺栓(5)、螺母(6)、涡轮叶片(7)、榫头子夹具(8)、榫头母夹具(9)、固定长螺栓(10)、底端夹持构件(11)和垫片(12)；顶端夹持构件(1)一端通过圆柱段与疲劳试验机相连，另一端通过燕尾型榫槽与伸根夹具(4)上端的燕尾型榫头相配合；两块限位挡板(2)通过固定螺栓(3)与顶端夹持构件(1)连接，限制伸根夹具(4)沿燕尾型榫槽滑动；两块伸根夹具(4)通过固定边配合实现相互定位，并由夹紧螺栓(5)和螺母(6)夹紧；涡轮叶片(7)通过伸根段的一对斜面与伸根夹具(4)相配合，叶片的榫头与榫头子夹具(8)上的榫槽相配合；榫头子夹具(8)通过过盈配合嵌入榫头母夹具(9)中；榫头母夹具(9)通过燕尾型榫头与底端夹持构件(11)上的燕尾型榫槽相配合；两块限位挡板(2)通过固定长螺栓(10)和螺母(6)与底端夹持构件(11)连接，限制榫头子夹具(8)沿燕尾型榫槽滑动；底端夹持构件(11)通过圆柱段与疲劳试验机相连；在伸根夹具(4)内部的斜配合面上可安装一对垫片(12)，垫片(12)与伸根夹具(4)和涡轮叶片(7)同时配合；伸根夹具(4)通过底部的冷却水孔通入冷却水进行冷却，涡轮叶片榫接结构通过电感加热铜线圈进行加热，即通过在榫头子夹具(8)周围缠绕感应线圈对涡轮叶片(7)的榫头部分进行加热。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于：所述涡轮叶片(7)的形成方法是：将真实涡轮叶片的叶冠及叶身切去，只保留叶片的伸根和榫头，在伸根段切割出一对与水平面所夹锐角在30°至35°范围内的V型斜面，将斜面下方的伸根材料和榫头材料去除，得到试验所需的涡轮叶片(7)，这样既为叶片创造了承载结构，又通过减小榫头横截面积的方式降低了试验所需的载荷。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于：所述高温为500℃，最大载荷为150kN。

4.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于：所述涡轮叶片(7)通过伸根段的一对斜面与伸根夹具(4)相配合，同时涡轮叶片(7)通过纵树型榫头与榫头子夹具(8)上的纵树型榫槽相配合，叶片伸根、榫头的两组配合面的空间位置相互交错，从而在传递载荷的同时实现涡轮叶片(7)的定位。

5.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于：所述榫头子夹具(8)和榫头母夹具(9)由镍基变形高温合金材料制成，能够承受500℃的温度而无需冷却，从而模拟涡轮叶片榫接结构实际工况下的温度载荷。

6.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于：所述伸根夹具(4)底部有冷却水通道，伸根夹具(4)通过外接冷却水管使冷却水流过内部的水流通道对夹具进行冷却，以保证伸根夹具(4)能够承受500℃的高温试验条件。

7.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于：所述伸根夹具(4)、榫头母夹具(9)上的燕尾型榫头结构与顶端夹持构件(1)、底端夹持构件(11)上的燕尾型榫槽结构均采用多段圆弧式设计，即燕尾型榫头和榫槽的轮廓均由八段圆弧和五段直线构成，从而有效降低了榫头和榫槽的应力集中程度。

8.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于：所述试验夹具利用通用的伸根夹具(4)和榫头母夹具(9)搭配专用的垫片(12)和榫头子夹具(8)，可以实现对不同尺寸、型号的涡轮叶片(7)的稳定夹持和载荷施加，对各种涡轮叶片(7)进行试验时，只需更换专用的垫片(12)和榫头子夹具(8)，从而降低了制造多套叶片试验夹具的原材料成本、加工成本和时间成本。

9.一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：试验夹具组装：所述试验夹具由顶端夹持构件(1)、限位挡板(2)、固定螺栓(3)、伸根夹具(4)、夹紧螺栓(5)、螺母(6)、涡轮叶片(7)、榫头子夹具(8)、榫头母夹具(9)、固定长螺栓(10)、底端夹持构件(11)和垫片(12)组成；将涡轮叶片(7)放入两块伸根夹具(4)之间的空腔中，使涡轮叶片(7)与伸根夹具(4)的斜面正确配合，若配合状态下涡轮叶片(7)与伸根夹具(4)间存在明显空隙，则需安装垫片(12)，首先使垫片(12)与伸根夹具(4)相配合，随后使涡轮叶片(7)与垫片(12)的斜面相配合，并使两块伸根夹具(4)的定位边紧密贴合，用夹紧螺栓(5)和螺母(6)将两块伸根夹具(4)压紧固定；用疲劳试验机上夹头夹紧顶端夹持构件(1)上方的圆柱，将组装好的伸根夹具(4)推入顶端夹持构件(1)下方的榫槽中，用固定螺栓(3)将两块限位挡板(2)分别固定在顶端夹持构件(1)榫槽的两端；提前将榫头子夹具(8)压入榫头母夹具(9)中，然后将榫头子夹具(8)与涡轮叶片(7)的榫头相连接，将电感加热铜线圈套在榫头母夹具(9)外，将底端夹持构件(11)安装到榫头母夹具(9)下方的榫头上，用固定长螺栓(10)和螺母(6)将两块限位挡板(2)分别固定在底端夹持构件(11)榫槽的两端，用疲劳试验机下夹头夹紧底端夹持构件(11)下方的圆柱，最后检查以确保各配合面接触良好、各个螺栓连接紧密稳固，试验夹具组装完成；

步骤2：服役条件模拟，选取涡轮叶片(7)榫头考核截面的若干测点，粘贴好应变片和热电偶，将应变片与应变仪相连；将冷水机的冷却水管与伸根夹具(4)底部的冷却水通道连接，通入冷却水；将安装在榫接结构外的电感加热铜线圈与高频炉连接，通过调节感应加热线圈的形状以及与涡轮叶片榫头考核截面的相对位置，使得榫头考核截面的温度场符合涡轮叶片工作状态的真实情况；

步骤3：试验过程：在完成步骤2后进行涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验，载荷控制器控制疲劳试验机施加低周载荷，同时根据实时载荷计算出对应的目标温度值，并将其传递给温度控制器，温度控制器实时比较目标温度值与绑定在试件上热电偶测得的测量温度值的差异，进而控制高频感应加热炉实现对榫接结构的加温和降温；通过载荷控制器、温度控制器和高频感应加热炉的协调工作，疲劳载荷和与温度载荷同步的施加于涡轮叶片榫头的考核截面，实现涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验；当涡轮叶片榫头考核截面寿命达到规定循环次数或者发生破坏时，试验结束。

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