CN114112271A - 一种涡轮叶片疲劳试验夹具和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种涡轮叶片疲劳试验夹具和包括该夹具的涡轮叶片疲劳试验装置，所述夹具包括上夹具和下夹具，所述上夹具的下端面和所述下夹具的上端面为相互适配的倾斜结构，所述上夹具的一侧面设有榫槽，所述倾斜结构沿所述榫槽由外到内的方向倾斜向下；所述装置包括该夹具、安装座、和振动台，所述安装座底部固设于所述振动台上，所述安装座侧面设有与所述夹具适配的凹槽，所述夹具固设于所述凹槽内。本发明改变了涡轮叶片的夹持方式，使得涡轮叶片夹持紧固，长时间振动后也不出现微动，提高了振动台能量传递率，提高了试验效率；且本发明的夹具结构简单，易于制造及推广，成本低廉；所述装置及夹具结构简单，易于安装，便于使用和操作。

Description

一种涡轮叶片疲劳试验夹具和装置

技术领域

本发明属于涡轮叶片技术领域，特别涉及一种涡轮叶片疲劳试验夹具和装置。

背景技术

现代航空发动机涡轮叶片在高温、高压环境中工作，承受着热应力，惯性力，气动力等多种力的交变作用，其工作环境恶劣，工作载荷复杂，使得涡轮叶片必须满足一定的强度，在安全寿命周期内能正常工作。因此需要用试验的手段测试出涡轮叶片的高温疲劳特性。

航空发动机涡轮叶片疲劳试验可以获得叶片的S-N曲线或指定载荷下的疲劳寿命，应尽可能模拟叶片的工作环境，使试验结果更贴近真实情况。常用的试验装置如图1所示，将被试叶片榫头放入叶片夹具榫槽内，然后通过螺栓压紧叶片夹具的上端面，将叶片夹具固定在底座上，同时也将叶片的榫头夹持住。底座通过螺栓跟振动台连接。经有限元计算，在叶片的最大应力部位贴上应变计，当振动台的能量通过底座与叶片夹具传递到被试叶片上，通过应变计与测试被试叶片叶尖的位移，监测叶片承受的应力水平。目前涡轮叶片的疲劳试验大都在常温下进行，并无具体的用于航空发动机涡轮叶片高温高周疲劳试验装置的相关报道。

航空发动机涡轮叶片的工作环境温度高达数百摄氏度甚至上千摄氏度，其在高温环境下的高周疲劳特性与常温环境下的差别较大，需要进行高温下的高周疲劳试验。然而现有装置存在压紧力不够，长时间振动后叶片榫头与夹具榫槽之间存在微动，影响试验进展的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种涡轮叶片疲劳试验夹具和装置，在长时间振动后能保证夹具榫槽与叶片榫头之间的压紧力，振动能量传递效率高，结构简单。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种涡轮叶片疲劳试验夹具，包括上夹具和下夹具，所述上夹具的下端面和所述下夹具的上端面为相互适配的倾斜结构，所述上夹具的一侧面设有榫槽，所述倾斜结构沿所述榫槽由外到内的方向向下倾斜。

优选地，所述倾斜结构为直线型斜面或阶梯型斜面。

优选地，所述下夹具上设有通孔。

一种涡轮叶片疲劳试验装置，包括夹具、安装座和振动台，所述安装座的底部固设于所述振动台上，所述安装座的侧面设有与所述夹具适配的凹槽，所述夹具固设于所述凹槽内。

优选地，所述上夹具与所述凹槽紧密贴合设置，所述下夹具与所述凹槽之间设有空腔；所述安装座对应所述通孔处设有螺栓孔，所述下夹具与所述安装座通过螺栓固定连接。

优选地，所述安装座上设有两个与所述凹槽连通的卸载孔，所述两个卸载孔分别对应所述上夹具和下夹具设置。

优选地，所述安装座包括固定连接的上段座和下段座，所述凹槽位于所述上段座，所述下段座与振动台固定连接。

优选地，所述下段座与振动台的连接面上设有环形槽，所述下段座上设有进水口和出水口，所述进水口和出水口均连通所述环形槽。

优选地，所述凹槽为矩形槽。

优选地，所述上夹具和下夹具的接触面的两边设有倒角，所述两边分别位于所述凹槽内侧和外侧。

本发明具有以下有益效果：本发明涡轮叶片夹具分成上、下夹具两块，其中上夹具为带倾斜结构的榫槽结构，下夹具为倾斜结构的楔形块，增加了上、下夹具的接触面积和压紧力，在长时间振动后能保证夹具榫槽与叶片榫头之间压紧力，能节约能源，提高试验效率，克服了现有装置压紧力不够，长时间振动后叶片榫头与夹具榫槽之间存在微动，影响试验进展的问题；且本发明涡轮叶片夹具结构简单，易于制造即推广，成本低廉。

本发明的涡轮叶片疲劳试验装置中，涡轮叶片夹具放入安装座的矩形凹槽内，通过螺栓压紧涡轮叶片夹具的下夹具，下夹具的倾斜面挤压上夹具的倾斜面，上夹具受力直接挤压涡轮叶片榫头，从而将涡轮叶片夹紧，振动能量传递效率高，使叶片达到相同的应力水平需要的能量少，节省电力，克服了现有装置振动能量传递效率低、使叶片达到相同的应力水平需要的能量多的问题；且本发明涡轮叶片装置及夹具结构简单，易于安装，便于使用和操作。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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他的附图。

图1示出了现有技术常用的疲劳试验装置示意图；

图2示出了本发明涡轮叶片疲劳试验夹具的结构示意图；

图3示出了本发明涡轮叶片疲劳试验装置的结构示意图；

图4示出了图3中沿B-B方向的剖视图；

图中：1、涡轮叶片；2、安装座；3、上夹具；4、下夹具；5、螺母；6、螺栓；7、垫片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种涡轮叶片疲劳试验夹具，如图2所示，包括上夹具3和下夹具4，上夹具3的上端面为水平面，下夹具4的下端面为水平面，所述上夹具3的下端面和所述下夹具4的上端面为相互适配的直线型斜面(可以选用直线型斜面或阶梯型斜面，示例性地选用直线型斜面)，所述上夹具3的一侧面设有用于放置涡轮叶片1榫头的榫槽，所述直线型斜面沿所述榫槽由外到内的方向倾斜向下，即上夹具3和下夹具4连接的接触面为倾斜面，由此构成一个紧固件，当挤压下夹具4时通过倾斜面让上夹具3的榫槽部分受到挤压，夹紧涡轮叶片1榫头涡轮叶片1榫头的安装方式如图3所示；所述下夹具4上设有通孔，示例性地设置上下两个通孔。

一种涡轮叶片疲劳试验装置，如图3所示，包括上述涡轮叶片疲劳试验夹具、安装座2、和振动台，安装座2包括固定连接的上段座和下段座，上段座的侧面设有与所述夹具适配的矩形凹槽，所述夹具固设于所述凹槽内，所述上夹具3与所述凹槽紧密贴合设置，所述下夹具4的下端面与凹槽紧密贴合，下夹具4的侧面与所述凹槽之间设有空腔(如图3所示，下夹具4的左端面不能与安装座2相接触，留有一定的间隙，下夹具4的右端面相对上夹具3的右端面要延伸出来一部分)，安装座2的上段座上对应下夹具4的通孔处设有两个螺栓6孔，通过螺栓6插设于相对应的通孔和螺栓6孔内固定下夹具4与上段座的位置，再拧紧螺母5将下夹具4紧固在上段座的凹槽内，螺母5与安装座2之间设有垫片7，用于防止螺母5松动或滑落；安装座2的上段座还设有两个与所述凹槽连通的卸载孔，所述两个卸载孔分别对应所述上夹具3和下夹具4设置，通过卸载孔可以向上夹具3或下夹具4施向凹槽外侧移动的力，以便将上夹具3或下夹具4从安装座2上卸载；如图4所示，安装座2的下段座与振动台固定连接，通过下段座固设于所述振动台上，下段座与振动台的连接面上设有环形槽，所述下段座上设有进水口和出水口，所述进水口和出水口均连通所述环形槽。涡轮叶片高温试验时，叶片和安装座上半部都位于加温炉内，炉内温度根据试验要求可达数百摄氏度或上千摄氏度，安装座与振动台台面连接，安装座既要将振动台的能量传递到涡轮叶片，也要隔绝加温炉的热量传递到振动台，因此通过安装座2与振动台接触的地面设计成环形槽，将内部空间分成3圈，冷却水从进水口进入安装座2内，绕着安装座2内的槽形沿着设定的通道依次从外圈流向内圈，最后从出水口出来，不仅一定程度阻挡了加温炉的热量直接传递到振动台，而且能通过水温升高将热量带走，有效地阻挡了加温炉对振动台的热辐射，使得振动台在正常的温度下工作。

本发明的涡轮叶片疲劳试验装置的工作原理如图3所示，通过拧紧横向的紧固螺栓6，向左(凹槽内部)挤压下夹具4，由于上、下夹具4是斜面的接触方式，下夹具4会向左向上挤压上夹具3，上夹具3放置于安装座2的凹槽内，只能挤压榫槽，榫槽就将涡轮叶片1榫头夹持住。安装座2与振动台接触的地面设计成环形槽，冷却水从进水口进入安装座2内，绕着安装座2内的槽形依次从外圈流向内圈，最后从出水口出来。试验时，安装座2底面与振动台紧固连接，将紧固的涡轮叶片1置于加温炉的炉腔内，加温炉对涡轮叶片1进行加温时，同时也通过安装座2将大量的热量传递给振动台。本发明通过安装座2的底面环形槽内通入冷却水，不仅一定程度阻挡了加温炉的热量直接传递到振动台，而且能通过冷却水升温将热量带走，有效地阻挡了加温炉对振动台的热辐射，使得振动台在正常的温度下工作。试验完后，涡轮叶片1夹具经过高温作用导致难以从安装座2拆卸，此时通过安装座2上的两个卸载孔用螺栓6将涡轮叶片1夹具从安装座2的凹槽内顶出来。

进一步地，上夹具3和下夹具4的接触面的两边设有倒角，所述两边分别位于所述凹槽内侧和外侧。

本发明涡轮叶片夹具分成上、下夹具两块，其中上夹具为带斜面的榫槽结构，上夹具内有榫槽结构，在榫槽结构的中间有一条细长的槽，此槽的作用是降低上夹具的刚性，上夹具在受到下夹具挤压时，上夹具的上、下半部榫槽能够挤压涡轮叶片榫槽，从而实现涡轮叶片紧固安装；下夹具为带斜面的楔形块，还开设两个通孔用于与安装座紧固连接，增加了上、下夹具的接触面积和压紧力，在长时间振动后能保证夹具榫槽与叶片榫头之间压紧力，能节约能源，提高试验效率，克服了现有装置压紧力不够，长时间振动后叶片榫头与夹具榫槽之间存在微动，影响试验进展的问题；下夹具左侧与安装座有空腔，下夹具右侧超出上夹具的右侧，留出足够的空间，使得螺栓挤压下夹具时，上夹具能受到挤压。安装座分为上段座和下段座两段，下段座与振动台安装，内有用铁块围成的环形槽，冷却水从侧面进水口进入，绕着环形槽从外往内，再从出水口流出，能有效隔离加温炉对振动台的热辐射和热传递，保证振动台在允许的工作温度范围内工作，克服了现有装置没有模拟涡轮叶片的工作环境温度，不能准确反映实际环境温度下的叶片疲劳强度的问题；涡轮叶片夹具放入安装座的矩形凹槽内，通过螺栓压紧涡轮叶片夹具的下夹具，下夹具的倾斜面挤压上夹具的倾斜面，上夹具受力直接挤压涡轮叶片榫头，从而将涡轮叶片夹紧，振动能量传递效率高，使叶片达到相同的应力水平需要的能量少，节省电力，克服了现有装置振动能量传递效率低、使叶片达到相同的应力水平需要的能量多的问题。

高温高周振动试验中：涡轮叶片在发动机内工作的温度高达数百摄氏度甚至上千摄氏度，而试验设备等都不能承受如此高的温度，试验时，夹具一端连接叶片另一端与振动台相连，叶片内置于加温装置内腔，加温炉内腔正对着振动台台面，热量通过夹具传递和辐射使得振动台温度升高，如不采取冷却隔离措施，振动台台面温度很快超过最高使用温度，对设备造成重大损害。一般的做法是将冷却装置与夹具分开，本发明将冷却装置与夹具设计成一体，既满足隔热降温的效果，也能提高振动台的能量传递率。安装座底部环形槽作为冷却结构，设计成环形结构，是使得冷却水能够按照设定的路径流经夹具的内部，使得冷却水完全覆盖夹具的内腔，冷却效果好。

综上所述，航空发动机涡轮叶片在高温、高压环境下工作，往往需要获取其工作环境下的疲劳强度，为设计提供试验数据支撑。根据涡轮叶片的结构特点、振动台工作方式以及试验温度要求，本发明设计的用于涡轮叶片的高温振动疲劳试验装置，有效地降低或隔绝加温炉对振动台的热传递，保证振动台安装工作；改变了涡轮叶片的夹持方式，使得涡轮叶片夹持紧固，长时间振动后也不出现微动，提高了振动台能量传递率，提高了试验试验效率；且本发明涡轮叶片夹具结构简单，易于制造即推广，成本低廉；本发明涡轮叶片装置及夹具结构简单，易于安装，便于使用和操作。

以上用于涡轮叶片高温高周疲劳试验夹具及装置，仅仅是以该结构为例，说明了本发明的具体设计与实施过程，并不局限于试验夹具及装置的具体结构，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片疲劳试验夹具，其特征在于，包括上夹具和下夹具，所述上夹具的下端面和所述下夹具的上端面为相互适配的倾斜结构，所述上夹具的一侧面设有榫槽，所述倾斜结构沿所述榫槽由外到内的方向向下倾斜。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片疲劳试验夹具，其特征在于，所述倾斜结构为直线型斜面或阶梯型斜面。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片疲劳试验夹具，其特征在于，所述下夹具上设有通孔。

4.一种涡轮叶片疲劳试验装置，其特征在于，包括如权利要求3所述的夹具、安装座和振动台，所述安装座的底部固设于所述振动台上，所述安装座的侧面设有与所述夹具适配的凹槽，所述夹具固设于所述凹槽内。

5.根据权利要求4所述的涡轮叶片疲劳试验装置，其特征在于，所述上夹具与所述凹槽紧密贴合设置，所述下夹具与所述凹槽之间设有空腔；所述安装座对应所述通孔处设有螺栓孔，所述下夹具与所述安装座通过螺栓固定连接。

6.根据权利要求4所述的涡轮叶片疲劳试验装置，其特征在于，所述安装座上设有两个与所述凹槽连通的卸载孔，所述两个卸载孔分别对应所述上夹具和下夹具设置。

7.根据权利要求4所述的涡轮叶片疲劳试验装置，其特征在于，所述安装座包括固定连接的上段座和下段座，所述凹槽位于所述上段座，所述下段座与振动台固定连接。

8.根据权利要求7所述的涡轮叶片疲劳试验装置，其特征在于，所述下段座与振动台的连接面上设有环形槽，所述下段座上设有进水口和出水口，所述进水口和出水口均连通所述环形槽。

9.根据权利要求4-8任一所述的涡轮叶片疲劳试验装置，其特征在于，所述凹槽为矩形槽。

10.根据权利要求9所述的涡轮叶片疲劳试验装置，其特征在于，所述上夹具和下夹具的接触面的两边设有倒角，所述两边分别位于所述凹槽内侧和外侧。

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