CN114235319A - 一种空心涡轮叶片试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空心涡轮叶片试验装置，包括叶片定位块、顶紧螺杆、顶块、感应加热系统和冷却水套，所述叶片定位块为柱形件，所述叶片定位块的一端设置有和冷却水套连接的圆盘；所述叶片定位块的另一端横向设置有枞树形榫槽结构，所述枞树形榫槽结构连接感应加热系统；所述枞树形榫槽结构的后端设置为孔洞，所述孔洞内依次放置顶块和顶紧螺杆。通过该装置将空心涡轮叶片试验件与振动试验器进行连接，并通过结构上的设计使得涡轮叶片试验件能同时且独立的承受温度场、空气冷却以及振动载荷的作用，使载荷能更加准确且真实的作用于被考核的涡轮叶片，以模拟发动机工作状态所承受的边界条件，最终达到考核涡轮叶片试验件疲劳强度的目的。

Description

一种空心涡轮叶片试验装置及方法

技术领域

本发明涉及叶片试验技术领域，具体为一种空心涡轮叶片试验装置及方法。

背景技术

航空发动机涡轮叶片是航空发动机极为重要的做工部件，在航空发动机结构中起着非常重要的作用。涡轮叶片在工作中不仅承受高温高压气流的作用，同时将高温高压燃气的热能转化成动能驱动压气机和风扇的持续运转。为验证空心涡轮叶片加工工艺的稳定性以及结构设计的合理性，需要对空心涡轮叶片进行振动疲劳强度试验来验证零件的强度储备，为零件的状态评定以及寿命评估提供理论和试验依据。

然而，由于航空发动机空心涡轮叶片的材料多为高温合金材料，这种材料的力学性能只有在高温环境下才能被充分考核到。发动机工作时，涡轮前温度已超过涡轮叶片材料的允许工作温度，为了不让涡轮叶片的力学性能下降，目前大部分发动机都是在涡轮叶片的空心腔中通入冷却空气以达到对叶片降温的目的。

因此叶片在工作中叶身不仅处于温度场中，同时内部有冷却空气通过，使叶身沿叶片厚度方向承受一定的温度梯度作用；且承受着复杂的离心力、气动力及振动载荷的作用，随着现代发动机对零部件考核试验越来越高的要求，尽可能的模拟零部件的真实工作边界条件，更加真实的考核涡轮叶片的强度储备是非常迫切的需求。

现有的叶片试验中，仅仅是针对压气机叶片等实心叶片，且温度场一般由封闭式电阻炉实现均匀温度场的施加；且针对涡轮叶片的高温疲劳主要是拉伸疲劳；一般采用夹紧枞树形榫头的两个纵树面进行榫头的固定，无法完全模拟发动机的状态。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种空心涡轮叶片试验装置及方法，通过该装置将空心涡轮叶片试验件与振动试验器进行连接，并通过结构上的设计使得涡轮叶片试验件能同时且独立的承受温度场、空气冷却以及振动载荷的作用，使载荷能更加准确且真实的作用于被考核的涡轮叶片，以模拟发动机工作状态所承受的边界条件，最终达到考核涡轮叶片试验件疲劳强度的目的。

本发明是通过以下技术方案来实现：本发明提供一种空心涡轮叶片试验装置，包括叶片定位块、顶紧螺杆、顶块、感应加热系统和冷却水套，所述叶片定位块为柱形件，所述叶片定位块的一端设置有和冷却水套连接的圆盘；所述叶片定位块的另一端横向设置有枞树形榫槽结构，所述枞树形榫槽结构连接感应加热系统；所述枞树形榫槽结构的后端设置为孔洞，所述孔洞内依次放置顶块和顶紧螺杆。

进一步的，所述顶紧螺杆和顶块均设置为通孔结构，所述顶紧螺杆的一端和顶块连接。

进一步的，所述顶紧螺杆的一端设置有内螺纹，所述内螺纹和管接头连接。

进一步的，所述顶块的一端为圆盘结构，所述圆盘结构的圆柱面上设置有环形凹槽。

进一步的，所述感应加热系统设置为螺旋状的加热线圈。

进一步的，所述冷却水套内部设置有冷却水路，所述冷却水套和振动台连接。

进一步的，所述冷却水套的两端均设置为圆盘型。

进一步的，所述冷却水套和叶片定位块之间通过螺纹孔连接，所述孔洞圆周阵列分布于圆盘上。

本发明还提供了一种基于空心涡轮叶片试验装置的方法，通过在叶片榫头根部通过后顶的方式，利用顶块和顶紧螺杆对叶片进行固定，并且通过装置结构的改进实现试验叶片的冷却；通过冷却水套连接振动台给叶片施加振动荷载；通过在叶片定位块的一侧设置感应加热系统的方法进行叶片温度场的施加。

所述感应加热系统采用的螺旋线圈能够根据叶片的形状进行调整。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种空心涡轮叶片试验装置及方法，通过叶片定位块的圆盘与冷却水套进行连接；枞树形榫槽结构与叶片的榫头进行配合并对叶片进行定位；本发明采用顶块和顶紧螺杆的方式对榫头进行固定，该后顶的方式更好的模拟了发动机榫头受离心力的状态；采用高频感应加热的方式实现温度场的施加；同时实现在高温环境下的振动疲劳检测。该试验装置结构紧凑，易于安装调整，可以通过该装置将试验器的振动载荷传递到试验件上，通过高频感应加热的方式给试验件施加温度场，同时通入冷却空气达到考核空心涡轮叶片疲劳性能的目的。该装置通用性强，可以用于类似的航空发动机空心涡轮叶片试验件的疲劳强度考核，应用范围广，具有很强的工程应用价值。

进一步的，本发明通过顶紧螺杆和顶块内部设置为通孔，该步骤能够用于冷却空的进入；通过顶紧螺杆以及顶块中间的冷却气孔将冷却空气输送到叶片榫头根部；同时合理的模拟了涡轮叶片实际工作中的冷却效果。

进一步的，通过管接头的螺纹连接设置，该步骤用于起到整个装置连接的固定作用；从而实现将叶片榫头固定的目的。

进一步的，通过环形凹槽的设置，用于安装密封圈，能够有效的保证装置的安全性。

进一步的，通过感应线圈固定于叶片周围，感应线圈调整到叶片周围的合适位置；感应加热系统实现对叶片的温度场施加；采用高频感应加热的方式为叶片施加温度场；感应加热的方式避免了采用均温炉加热时，冷却空气对温度场的破坏。

进一步的，冷却水路的设置能够有效的保证装置的冷却效果；冷却水套和振动台连接从而实现将对叶片振动载荷的施加。

进一步的，所述冷却水套的两端均设置为圆盘型；由于本发明的振动试验器为电磁振动台，主要由外部固定的励磁基体和中间做垂直运动的动圈组成。在动圈上表面分布着许多安装螺纹孔，用于备测试验件的固定；冷却水套的底部为圆盘型，圆盘上的连接孔可以用于试验时固定于振动试验器的动圈上，从而进行高效的振动疲劳试验。

进一步的，所述装置的连接采用螺纹孔，能有效的增加装置的稳定性，同时，阵列分布的方式更是保证了装置的稳定性；通过该装置可以实现对空心涡轮叶片试验件在实验室环境下实现温度场、空气冷却以及振动载荷的同时且独立施加，解决了目前对于空心涡轮叶片考核试验在施加温度场、振动载荷的时候不能同时模拟涡轮叶片空气冷却的效果以及由于空气冷却在叶身厚度方向产生的温度梯度。

进一步的，本装置所采用的方法，该装置通过定位块、顶块、顶紧螺杆、冷却水套将叶片固定于振动台面上，从而实现将对叶片振动载荷的施加，采用高频感应加热的方式实现温度场的施加，通过顶紧螺杆以及顶块中间的冷却气孔将冷却空气输送到叶片榫头根部，再通过榫头根部的冷却气孔进入叶片内部最终从叶身上的气膜孔排出以实现对叶片冷却的目的。通过该方式将振动载荷、温度场以及冷却空气同时施加到叶片上，以实现对叶片热态疲劳强度的考核。

进一步的，感应加热系统采用的螺旋线圈能够根据叶片的形状进行调整，增加了装置的适用范围，同时该方法扩大了装置的安全有效性，能够有效的保证装置的安全有效的进行；可以正确且准确的实现载荷的施加，保证试验结果的真实性与准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术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为本发明提供的一种空心涡轮叶片试验装置的整体结构示意图；

图2为本发明提供的一种空心涡轮叶片试验装置的局部放大试图；

图3为本发明提供的一种空心涡轮叶片试验装置的叶片定位块的视图；

图4为本发明提供的一种空心涡轮叶片试验装置的顶紧螺杆的视图；

图5为本发明提供的一种空心涡轮叶片试验装置的顶块的视图；

图6为本发明提供的一种空心涡轮叶片试验装置的冷却水套的视图

图中：叶片定位块(1)；顶紧螺杆(2)；顶块(3)；感应加热系统(4)；冷却水套(5)；管接头(d)。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

下面对本发明做进一步详细说明。

该装置包括叶片定位块1，顶紧螺杆2，顶块3，感应加热系统4，冷却水套5。通过试验前将冷却水套用8个螺钉固定于振动台上，定位块1通过4个螺钉固定于冷却水套上，顶块3的方形结构与定位块1上的方形孔配合，顶块3的圆柱面上安装上O型密封圈，O型密封圈与定位块内的圆柱面配合起到对冷却空气密封的作用，防止冷却空气从方形结构的间隙泄漏导致压力下降；顶紧螺杆2的外螺纹与定位块1的内螺纹进行配合，顶紧螺杆2的前端面与顶块3的后端面贴合，管接头d的外螺纹与顶紧螺杆2的内螺纹进行配合，将冷却空气管与管接头d进行连接；高频感应加热系统4的感应线圈固定于叶片周围。

试验时，将叶片的榫头安装于定位块1的榫槽内，用限力扳手通过旋转顶紧螺杆2推动顶块3沿着方向④移动顶紧叶片榫头，从而实现将叶片榫头固定的目的；将感应加热系统4的感应线圈调整到叶片周围的合适位置，开启感应加热系统实现对叶片的温度场施加；开启冷却空气使冷却空气沿着①所示的方向通过顶紧螺杆2、顶块3的内部孔到达叶片榫头根部的冷却气孔，再通过冷却气孔进入叶身内部的冷却气道，最终从叶身上的气膜孔沿着②③所示的方向排出，以实现对高温叶片冷却的目的；最后开启振动台对叶片施加振动载荷，以实现对涡轮叶片疲劳强度的考核。

在本发明的另一具体实施例中，包括叶片定位块1，顶紧螺杆2，顶块3，感应加热系统4，冷却水套5。

叶片定位块1为T型结构，底部为圆盘结构，圆盘上有4个通孔用于与冷却水套进行连接，上部前端(叶片侧)为枞树形榫槽结构用于与叶片的榫头进行配合并对叶片进行定位；上部后端为螺纹孔，螺纹孔里面为一段光孔,光孔内部为一段方形通孔，定位块1采用4个螺钉固定于冷却水套上。顶紧螺杆2为外螺纹螺杆，内部为通孔用于通冷却空气，通孔的端部为内螺纹用于与管接头d连接，螺杆的端部外侧为外六方结构。顶块3一端为圆盘结构，另一端为方形结构用于和定位块1上的方形槽配合，圆盘结构的圆柱面上加工有环形槽用于安装O型密封圈。感应加热系统4的加热线圈为螺旋状结构，采用高频感应加热的方式为叶片施加温度场。冷却水套5为圆柱形结构，上下两端面都有法兰结构，上端面均布4个通孔用于与定位块进行连接，下端面均布8个通孔用于与振动台连接，冷却水套5内部设计有冷却水路，水路的进出水口位置均为内螺纹用于与冷却水管进行连接。

该装置通过定位块、顶块、顶紧螺杆、冷却水套将叶片固定于振动台面上，从而实现将对叶片振动载荷的施加，采用高频感应加热的方式实现温度场的施加，通过顶紧螺杆以及顶块中间的冷却气孔将冷却空气输送到叶片榫头根部，再通过榫头根部的冷却气孔进入叶片内部最终从叶身上的气膜孔排出以实现对叶片冷却的目的。通过该方式将振动载荷、温度场以及冷却空气同时施加到叶片上，以实现对叶片热态疲劳强度的考核。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空心涡轮叶片试验装置，其特征在于，包括叶片定位块(1)、顶紧螺杆(2)、顶块(3)、感应加热系统(4)和冷却水套(5)，所述叶片定位块(1)为柱形件，所述叶片定位块(1)的一端设置有和冷却水套(5)连接的圆盘；所述叶片定位块(1)的另一端横向设置有枞树形榫槽结构，所述枞树形榫槽结构连接感应加热系统(4)；所述枞树形榫槽结构的后端设置为孔洞，所述孔洞内依次放置顶块(3)和顶紧螺杆(2)。

2.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片试验装置，其特征在于，所述顶紧螺杆(2)和顶块(3)均设置为通孔结构，所述顶紧螺杆(2)的一端和顶块(3)连接。

3.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片试验装置，其特征在于，所述顶紧螺杆(2)的一端设置有内螺纹，所述内螺纹和管接头(d)连接。

4.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片试验装置，其特征在于，所述顶块(3)的一端为圆盘结构，所述圆盘结构的圆柱面上设置有环形凹槽。

5.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片试验装置，其特征在于，所述感应加热系统(4)设置为螺旋状的加热线圈。

6.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片试验装置，其特征在于，所述冷却水套(5)内部设置有冷却水路，所述冷却水套(5)和振动台连接。

7.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片试验装置，其特征在于，所述冷却水套(5)的两端均设置为圆盘型。

8.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片试验装置，其特征在于，所述冷却水套(5)和叶片定位块(1)之间通过螺纹孔连接，所述孔洞圆周阵列分布于圆盘上。

9.一种基于空心涡轮叶片试验装置的方法，其特征在于，通过在叶片榫头根部通过后顶的方式，利用顶块(3)和顶紧螺杆(2)对叶片进行固定，并且通过装置结构的改进实现试验叶片的冷却；通过冷却水套(5)连接振动台给叶片施加振动荷载；通过在叶片定位块(1)的一侧设置感应加热系统(4)的方法进行叶片温度场的施加。

10.根据权利要求9所述的一种空心涡轮叶片试验装置的方法，其特征在于，所述感应加热系统(4)采用的螺旋线圈能够根据叶片的形状进行调整。

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