CN211317679U - 试验装置及其加载机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种试验装置，用于测量具有叶冠的涡轮叶片的振动特性，叶冠具有挤压面，试验装置中，支架提供振动台，用于固定涡轮叶片并且带动涡轮叶片振动，支架还提供支承臂和支承轴；加载机构包括转动件和拉杆件，转动件设置成能够以支承轴为支点而转动，并且转动件的第一端抵接叶冠的挤压面；拉杆件的第一端通过弹性件连接支承臂，拉杆件的第二端与转动件的第二端连接，其中，弹性件的弹力使得拉杆件对转动件的第二端施力，从而转动件的第一端对叶冠的挤压面施加挤压力。本实用新型还提供一种加载机构。上述试验装置及加载机构可以对带冠涡轮叶片的振动特性进行测量。

Description

试验装置及其加载机构

技术领域

本实用新型涉及一种试验装置及其加载机构，可以用于测量具有叶冠的涡轮叶片的振动特性。

背景技术

涡轮部件是航空发动机中用于将燃气变成机械功的部件，而涡轮部件是利用涡轮叶片形成气动流道使燃气膨胀，将燃气的内能变成动能，从而推动涡轮叶片将涡轮部件旋转。涡轮叶片是航空发动机中重要的零件，在工作时通常会受到很大的气动力，在周期性的气动力载荷下，涡轮叶片的振动应力会超过材料的许用应力，发生高周疲劳断裂失效。高周疲劳断裂是涡轮叶片的最常见的失效模型。

为了避免涡轮叶片产生过大的振动应力，会在涡轮叶尖位置设计叶冠结构。相邻叶片之间的叶冠互相接触，通过过盈设计让叶片之间的叶冠接触位置产生挤压力，增加涡轮叶片的刚性。而且当叶片发生弯曲振动的时候，叶冠接触位置的摩擦力可以抑制振幅，消耗振动能量，提供阻尼。具有叶冠的涡轮叶片也可以称之为带冠涡轮叶片。

叶冠互相接触的干摩擦阻尼效果难以通过模拟分析，需要通过试验来确定，现有的高压涡轮叶片高周疲劳相关试验主要是单个叶片的振动特性及高周疲劳试验，试验件为单个叶片，而叶冠对高压涡轮叶片的影响主要是相邻叶片的相互作用，单个叶片的试验无法考虑叶冠干摩擦的影响。而在发动机采用应变计对带冠涡轮叶片测量主要目的是确保涡轮叶片没有发生过大的振动应力，无法研究叶冠干摩擦对涡轮叶片振动特性的规律。目前缺少一种组件级的带冠涡轮叶片的振动特性及高周疲劳试验，用于研究叶冠参数对涡轮叶片振动特性的影响，辅助叶冠的结构设计。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种试验装置，可以对带冠涡轮叶片的振动特性进行测量。

本实用新型的另一目的在于提供的试验装置，可以方便调节对叶冠的挤压力，以此模拟叶冠的接触紧度。

本实用新型提供一种试验装置，用于测量具有叶冠的涡轮叶片的振动特性，所述叶冠具有第一挤压面，其特征在于，所述试验装置中，支架提供振动台，用于固定所述涡轮叶片并且带动所述涡轮叶片振动，所述支架还提供第一支承臂和第一支承轴；第一加载机构包括：第一转动件，设置成能够以所述第一支承轴为支点而转动，并且所述第一转动件的第一端抵接所述叶冠的第一挤压面；和第一拉杆件，所述第一拉杆件的第一端通过第一弹性件连接所述第一支承臂，所述第一拉杆件的第二端与所述第一转动件的第二端连接，其中，所述第一弹性件的弹力使得所述第一拉杆件对所述第一转动件的第二端施力，从而所述第一转动件的第一端对所述叶冠的第一挤压面施加第一挤压力。

在一个实施方式中，所述第一拉杆件穿过设置于所述第一支承臂的通孔，所述第一拉杆件的第一端露出于所述第一支承臂的一侧，第二端露出于所述第一支承臂的另一侧；所述第一弹性件是压缩弹簧，所述压缩弹簧设置于所述第一拉杆件的第一端和所述第一支承臂之间。

在一个实施方式中，所述叶冠还具有第二挤压面，所述支架还提供第二支承臂和第二支承轴；所述试验装置还包括第二加载机构，所述第二加载机构包括：第二转动件，设置成能够以所述第二支承轴为支点而转动，并且所述第二转动件的第一端抵接所述叶冠的第二挤压面；和第二拉杆件，所述第二拉杆件的第一端通过第二弹性件连接所述第二支承臂，所述第二拉杆件的第二端与所述第二转动件的第二端连接，其中，所述第二弹性件的弹力使得所述第二拉杆件对所述第二转动件的第二端施力，从而所述第二转动件的第一端对所述叶冠的第二挤压面施加第二挤压力；所述第一加载机构和所述第二加载机构布置成使得所述第一挤压力和所述第二挤压力朝向相反方向，形成力矩。

在一个实施方式中，在垂直于所述涡轮叶片的弦向的横截面上，所述叶冠的第一挤压面和相邻的侧表面形成锐角角部；所述第一转动件的第一端形成为适配插入所述锐角角部的尖角形状。

在一个实施方式中，所述涡轮叶片具有榫头，所述振动台具有与所述榫头适配的榫槽，从而所述涡轮叶片通过所述榫头适配到所述榫槽而固定于所述振动台。

本实用新型还提供一种加载机构，用于对具有叶冠的涡轮叶片施加载荷，所述涡轮叶片的所述叶冠具有挤压面，所述涡轮叶片安装于支架，所述支架提供支承轴和支承臂，所述加载机构包括：转动件，设置成能够以所述支承轴为支点而转动，并且所述转动件的第一端抵接所述叶冠的挤压面；和拉杆件，所述拉杆件的第一端通过弹性件连接所述支承臂，所述拉杆件的第二端与所述转动件的第二端连接，其中，所述弹性件的弹力使得所述拉杆件对所述转动件的第二端施力，从而所述转动件的第一端对所述叶冠的所述挤压面施加挤压力。

在一个实施方式中，所述拉杆件的第一端通过螺纹连接而位置可调地连接所述支承臂；并且所述拉杆件和所述支承臂之间设置有弹性件，通过所述弹性件的变形量表征所述挤压力的大小。

在一个实施方式中，所述拉杆件穿过所述支承臂的螺纹孔而螺纹连接所述支承臂，所述拉杆件的第一端露出于所述支承臂的一侧，所述拉杆件的第二端露出于所述支承臂的另一侧；所述弹性件是压缩弹簧，所述压缩弹簧设置于所述拉杆件的第一端和所述支承臂之间。

在一个实施方式中，在垂直于所述涡轮叶片的弦向的横截面上，所述叶冠的挤压面和相邻的侧表面形成锐角角部；所述转动件的第一端形成为适配插入所述锐角角部的尖角形状。

上述试验装置和加载机构可以通过对拉杆件的第一端进行位置调节，而获取叶冠受到不同挤压力时，带冠涡轮叶片的振动频率、振幅以及阻尼效果。

通过采用上述试验装置和加载机构，试验对象可以为单个带冠涡轮叶片，避免引入额外的系统变量因素导致试验误差。而通过采用上述试验装置和加载机构进行试验获取的图谱，可以直接用于叶冠的结构设计，因而可以设计出一个阻尼效果较好的涡轮叶片叶冠结构，显著降低发动机工作时叶片的振动应力，提高带冠涡轮叶片的可靠性，并且减少在发动机上试验的次数，节约试验成本。

附图说明

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是试验装置的总体示意图。

图2是对图1的试验装置俯视时两个加载机构对叶冠加载的示意图。

图3是加载机构的结构示意图。

图4是通过试验装置进行试验的振幅随频率的变化曲线图。

图5是挤压力和阻尼效果的关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本实用新型作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施方式的内容限制本实用新型的保护范围。

例如，在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一特征和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一特征和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一特征和第二特征之间可以不直接联系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一元件和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一元件和第二元件间接地相连或彼此结合。

参见图1，图1示出了根据本实用新型的示例性试验装置100。试验装置100可以测量具有叶冠210的涡轮叶片200的振动特性。图中以作为涡轮工作叶片的转子叶片作为被试叶片。涡轮叶片200具有叶身220，叶冠210是涡轮叶片200的叶片叶尖上的一种平板结构。为了方便描述，文中可能使用诸如“下”、“上”等等的空间关系词语来描述附图中示出的一个特征与其他特征的关系。需要理解，这些空间关系词语可以包含使用中的元件或组件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。例如，如果翻转附图中的组件，则被描述为在其他特征“下”的元件的方向将改为在所述其他特征“上”，因此，应相应地解释文中使用的空间关系描述词。还需要理解，附图均仅作为示例，并非是按照等比例的条件绘制的，不应该以此作为对本实用新型实际要求的保护范围构成限制。

图示实施方式中，叶冠210具有两个挤压面，第一挤压面211a和第二挤压面211b，不做区别描述时，可以统称为挤压面211。进一步，图示实施方式中，试验装置100具有两个加载机构，第一加载机构1a和第二加载机构1b，不做区别描述时，可以统称为加载机构1。第一加载机构1a和第二加载机构1b分别对叶冠210的第一挤压面211a和第二挤压面211b施加挤压力。虽然图示实施方式中以包括两个加载机构1为示范性实施例，但是，可以理解，在另一实施方式中，试验装置100可以仅包括一个加载机构1，对叶冠210的一个挤压面例如第一挤压面211a施加载荷，施加挤压力；而叶冠210的另一挤压面例如第二挤压面211b可以固定或者通过其它方式加载。

试验装置100包括支架2。涡轮叶片200安装于支架2。支架2可以提供振动台3，振动台3可以固定涡轮叶片200并且带动涡轮叶片200振动。图示实施方式中，涡轮叶片200具有榫头230，振动台3具有与榫头230适配的榫槽31，从而涡轮叶片200通过榫头230适配到榫槽31而固定于振动台3。图中，以燕尾形的榫头230和榫槽31为例。可以理解，振动台3可以和框架20设置成一体，构成支架2；也可以是，振动台3和框架20分离地设置，例如分离设置，但都固定于地面，从而构成支架2。

支架2还提供支承轴，包括对应第一加载机构1a的第一支承轴21a和对应第二加载机构1b的第二支承轴21b，不做区别描述时，可以统称为支承轴21。支承轴21也可以称之为回转轴，在图1中固定支承于框架20中设置的固定平台201。

支架2还提供支承臂，包括对应第一加载机构1a的第一支承臂22a和对应第二加载机构1b的第二支承臂22b，不做区别描述时，可以统称为支承臂22。

结合图2和图3，加载机构1包括转动件4和拉杆件5。转动件4设置成能够以支承轴21为支点而转动，并且转动件4的第一端41抵接叶冠210的挤压面211。图中，转动件4具有通孔40，支承轴21穿过转动件4的通孔40而可转动地支撑转动件4，从而转动件4能够以支承轴21为支点而转动。

参见图3，拉杆件5的第一端51通过弹性件6连接支承臂22。拉杆件5的第二端52与转动件4的第二端42连接，例如通过螺纹连接(螺纹结构A1)而与转动件4的第二端42固定连接。弹性件6的弹力使得拉杆件5对转动件4的第二端42施力，从而转动件4的第一端41对叶冠210的挤压面211施加挤压力。可以通过弹性件6的变形量来控制挤压力，弹性件6的变形量可以表征挤压力的大小。

图示实施方式中，拉杆件5的第一端51为拉杆头，作为弹性件6的压缩弹簧的直径大于拉杆件5的主体直径，小于拉杆头的直径，当旋转拉杆件5的第一端51或拉杆头而通过螺纹结构A1旋入转动件4的第二端42时，作为弹性件6的压缩弹簧将会给产生一个作用力给拉杆件5的第一端51，由拉杆件5通过螺纹结构A1传递给转动件4的第一端41。在设计试验装置100时，可以合理地选取作为弹性件6的压缩弹簧的刚度，控制叶片振动时叶冠210的振幅对转动件4与叶冠210之间挤压力的影响。

转动件4的第一端41顶在叶冠210的挤压面211上，模拟叶冠210的挤压面211在工作时受到的挤压力。拉杆件5一端通过弹性件6与支架2的框架20伸出的支承臂22连接，另一端螺纹连接转动件4，拧动拉杆件5后，拉杆件5会对转动件4的第二端42产生拉力，转动件4的第一端41顶在叶冠210的挤压面211上，对叶冠210的挤压面211产生挤压力。

参见图3，拉杆件5穿过设置于支承臂22的通孔，拉杆件5的第一端51露出于支承臂22的一侧(图3中，上侧)，拉杆件5的第二端52露出于支承臂22的另一侧(图3中，下侧)。弹性件6是压缩弹簧，作为弹性件6的压缩弹簧设置于拉杆件5的第一端51和支承臂22之间。因此，在作为弹性件6的压缩弹簧的弹力作用下，图3中，拉杆件5始终处于被向上拉动的状态，从而使得转动件4绕着作为支点的支承轴21(图3中未示出)逆时针转动，因此，转动件4的第一端41对叶冠210的挤压面211施加挤压力。

具体地，参见图1和图2，第一加载机构1a包括第一转动件4a和第一拉杆件5a。第一转动件4a能够以第一支承轴21a为支点而转动，并且第一转动件4a的第一端41抵接叶冠210的第一挤压面211a。第一拉杆件5a的第一端51通过第一弹性件6a连接第一支承臂22a，第一拉杆件5a的第二端52与第一转动件4a的第二端42连接。第一弹性件6a的弹力使得第一拉杆件5a对第一转动件4a的第二端42施力，从而第一转动件4a的第一端41对叶冠210的第一挤压面211a施加第一挤压力，第一挤压力作为挤压力的示例。

第二加载机构1b包括第二转动件4b和第二拉杆件5b。第二转动件4b能够以第二支承轴21b为支点而转动，并且第二转动件4b的第一端41抵接叶冠210的第二挤压面211b。第二拉杆件5b的第一端51通过第二弹性件6b连接第二支承臂22b，第二拉杆件5b的第二端52与第二转动件4b的第二端42连接。第二弹性件6b的弹力使得第二拉杆件5b对第二转动件4b的第二端42施力，从而第二转动件4b的第一端41对叶冠210的第二挤压面211b施加第二挤压力，第二挤压力作为挤压力的示例。

两个加载机构1(第一加载机构1a和第二加载机构1b)可以布置成使得第一挤压力和第二挤压力朝向相反方向，形成力矩。通过两个加载机构1，使得涡轮叶片200在叶冠210的两个挤压面211(或者，接触面)上，产生一对力矩，使得涡轮叶片200发生扭转。在设计试验装置100时，可以通过调整转动件4的质量，来调整叶冠210在挤压位置边界动刚度特性。

在垂直于涡轮叶片200的弦向的横截面上，两个加载机构1(第一加载机构1a和第二加载机构1b)可以相对于叶冠210的几何中心O呈中心对称布置，如图1和图2所示。图1中，“涡轮叶片200的弦向”大体为竖直方向，“垂直于涡轮叶片200的弦向的横截面”大体为水平面。需要理解，文中使用的“垂直”或“平行”并非表示数学意义上的严格定义，而可以容许一定的容量范围，例如，“垂直”不表示两者一定严格成90度，而可以成90度上下浮动10度左右。

参见图3，在垂直于涡轮叶片200的弦向的横截面(或者，图1中，水平面)上，叶冠210的第一挤压面211a和相邻的侧表面212a形成锐角角部213a；第一转动件4a的第一端41形成为适配插入锐角角部213a的尖角形状。同样地，图3中，叶冠210的第二挤压面211b和相邻的侧表面212b形成锐角角部213b；第一转动件4b的第一端41形成为适配插入锐角角部213b的尖角形状。

试验时，可以通过具有榫槽31的夹持装置夹持被试涡轮叶片200的榫头230而将涡轮叶片200固定在振动台3上，通过两个加载机构1(第一加载机构1a和第二加载机构1b)给予叶冠210一对力矩，振动台3通过榫头230给予涡轮叶片200水平方向的振动激励，通过测量涡轮叶片200的叶身220的振动位移分布，来获取被试涡轮叶片200的振动特性。

叶冠210在挤压面(或者，接触面)上的边界主要体现为挤压力和接触面的动刚度，本实用新型的加载机构1通过拉杆件5和转动件4的结构形式来分别保证挤压力和接触面的刚度，通过弹性件6的缩短量控制挤压力，通过调整转动件4的质量来获取一个合适的动刚度。由于干摩擦结构的阻尼效果和振幅相关，试验的激励装置可以由振动台3提供，振动台3可以在水平方向输出一个稳定的固定加速度的正弦激励载荷，通过调整振动台3的加速度从而改变带冠涡轮叶片200的振幅，从而获取叶冠在不同振幅下的阻尼效果。

可以通过如下的示例步骤，采用试验装置100进行试验：

1.将涡轮叶片200、包括振动台3和框架20的支架2、加载机构1按照图1所示安装完成；

2.调节拉杆件5，通过旋转拉杆件5的第一端51(拉杆头)，测量作为弹性件6的压缩弹簧的缩短量，根据弹簧刚度计算拉杆件5对转动件4的拉力，根据转动件4两端的长度计算转动件4对叶冠210的挤压力，并记录该挤压力；

3.开启振动台3，带动涡轮叶片200水平振动，选取一个加速度，逐渐升高振动台3的激振频率，测量并记录被试叶片1的振幅，绘制一条振幅随频率变化的曲线；

4.调节拉杆件5的第一端51(拉杆头)，改变转动件4对叶冠210的挤压力，重复第3步，最终绘制多条振幅随频率变化的曲线，如图4所示，图4中每一条曲线代表了一个挤压力条件下的振幅随频率的变化曲线。

图4即为通过试验装置100进行试验获取的能够表现带冠叶片振动特性的数据，每条曲线的最大振幅位置的频率即为带冠叶片在不同挤压力条件下的共振频率，通过频率振幅曲线的陡峭程度可以计算不同挤压力条件下的阻尼效果。试验数据同样可以处理成图5的形式，图5为挤压力和阻尼效果的关系，阻尼效果随着挤压力的变化而变化，通过图5可以获取阻尼效果最大时候的挤压力，用于指导叶冠结构设计。

在带冠涡轮叶片的设计时，需要将叶片的共振转速避开发动机主要工作转速范围。为了计算叶片的共振转速，需要通过试验获得带冠涡轮叶片的真实固有频率。叶冠的接触紧度会显著影响带冠涡轮叶片在发动机装配状态下的真实振动频率，真实频率会大于叶冠自由状态的频率，小于叶冠固定状态的频率。在进行单个叶片零件的振动特性测量时，会因为这个原因导致试验测量结果和真实情况相差较大。而带冠涡轮叶片叶冠结构提供的干摩擦阻尼很难通过数值分析获取，如果通过整机上的动应力测量试验考核叶冠结构阻尼效果，成本过高。

通过上述试验装置设计一个试验对象为单个带冠叶片的试验方法可以测量叶冠结构的阻尼效果，找出阻尼和结构参数之间的规律，来指导带冠涡轮叶片的结构设计。这种试验方法能够调整带冠涡轮叶片在叶冠边界条件，并通过试验数据获取振动特性及阻尼效果。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，例如，上面描述的不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种试验装置，用于测量具有叶冠的涡轮叶片的振动特性，所述叶冠具有第一挤压面，其特征在于，所述试验装置包括：

支架，提供振动台，用于固定所述涡轮叶片并且带动所述涡轮叶片振动，所述支架还提供第一支承臂和第一支承轴；以及

第一加载机构，包括：

第一转动件，设置成能够以所述第一支承轴为支点而转动，并且所述第一转动件的第一端抵接所述叶冠的第一挤压面；和

第一拉杆件，所述第一拉杆件的第一端通过第一弹性件连接所述第一支承臂，所述第一拉杆件的第二端与所述第一转动件的第二端连接，其中，所述第一弹性件的弹力使得所述第一拉杆件对所述第一转动件的第二端施力，从而所述第一转动件的第一端对所述叶冠的第一挤压面施加第一挤压力。

2.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述第一拉杆件穿过设置于所述第一支承臂的通孔，所述第一拉杆件的第一端露出于所述第一支承臂的一侧，第二端露出于所述第一支承臂的另一侧；

所述第一弹性件是压缩弹簧，所述压缩弹簧设置于所述第一拉杆件的第一端和所述第一支承臂之间。

3.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述叶冠还具有第二挤压面，所述支架还提供第二支承臂和第二支承轴；

所述试验装置还包括第二加载机构，所述第二加载机构包括：

第二转动件，设置成能够以所述第二支承轴为支点而转动，并且所述第二转动件的第一端抵接所述叶冠的第二挤压面；和

第二拉杆件，所述第二拉杆件的第一端通过第二弹性件连接所述第二支承臂，所述第二拉杆件的第二端与所述第二转动件的第二端连接，其中，所述第二弹性件的弹力使得所述第二拉杆件对所述第二转动件的第二端施力，从而所述第二转动件的第一端对所述叶冠的第二挤压面施加第二挤压力；

所述第一加载机构和所述第二加载机构布置成使得所述第一挤压力和所述第二挤压力朝向相反方向，形成力矩。

4.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

在垂直于所述涡轮叶片的弦向的横截面上，所述叶冠的第一挤压面和相邻的侧表面形成锐角角部；

所述第一转动件的第一端形成为适配插入所述锐角角部的尖角形状。

5.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，

所述涡轮叶片具有榫头，所述振动台具有与所述榫头适配的榫槽，从而所述涡轮叶片通过所述榫头适配到所述榫槽而固定于所述振动台。

6.一种加载机构，用于对具有叶冠的涡轮叶片施加载荷，所述涡轮叶片的所述叶冠具有挤压面，所述涡轮叶片安装于支架，所述支架提供支承轴和支承臂，其特征在于，所述加载机构包括：

转动件，设置成能够以所述支承轴为支点而转动，并且所述转动件的第一端抵接所述叶冠的挤压面；和

拉杆件，所述拉杆件的第一端通过弹性件连接所述支承臂，所述拉杆件的第二端与所述转动件的第二端连接，其中，所述弹性件的弹力使得所述拉杆件对所述转动件的第二端施力，从而所述转动件的第一端对所述叶冠的所述挤压面施加挤压力。

7.如权利要求6所述的加载机构，其特征在于，所述拉杆件穿过所述支承臂的螺纹孔而螺纹连接所述支承臂，所述拉杆件的第一端露出于所述支承臂的一侧，所述拉杆件的第二端露出于所述支承臂的另一侧；

所述弹性件是压缩弹簧，所述压缩弹簧设置于所述拉杆件的第一端和所述支承臂之间。

8.如权利要求6所述的加载机构，其特征在于，

在垂直于所述涡轮叶片的弦向的横截面上，所述叶冠的挤压面和相邻的侧表面形成锐角角部；

所述转动件的第一端形成为适配插入所述锐角角部的尖角形状。

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