CN220104758U - 风扇叶片高低周复合疲劳测试装置 - Google Patents

Abstract

一种风扇叶片高低周复合疲劳测试装置，包括固定夹具、低周加载机构和高周加载机构，其中固定夹具用于夹持风扇叶片榫头一端，低周加载机构由液压机构驱动夹持在叶身，高周加载机构通过激振机构驱动并与叶身成刚性连接。该测试装置能够对全尺寸风扇叶片进行多向载荷的高低周复合疲劳测试，准确反映复合材料叶片的疲劳性能。

Description

风扇叶片高低周复合疲劳测试装置

技术领域

本实用新型属于材料性能测试领域，具体涉及一种风扇叶片高低周复合疲劳测试装置。

背景技术

风扇叶片是航空发动机的重要零件，其力学性能与疲劳性能对航空发动机的整体性能有重要影响。当前先进航空发动机为了进一步降低结构重量，风扇叶片等大尺寸结构件多采用复合材料制造，而复合材料零件的制造工艺以及复合材料本身的性能特性决定了全尺寸零件的性能与小尺寸材料样品的性能表现可能存在显著差异。传统万能试验机主要针对小尺寸材料进行疲劳性能测试，而对于长度达到米级的全尺寸风扇叶片零件缺乏有效的测试手段。而且，风扇叶片实际工况下载荷分布复杂，多方向加载的高低周复合疲劳试验才能够更加准确地对风扇叶片的疲劳寿命进行评估，而现有的试验装置难以满足测试要求。因此，提供一种风扇叶片高低周复合疲劳测试装置具有很高的实用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种风扇叶片高低周复合疲劳测试装置，能够对全尺寸叶片进行复合疲劳加载测试。

本实用新型的实施例提供一种高低周复合疲劳测试装置，该装置包括固定夹具、低周加载机构和高周加载机构，其中：所述固定夹具相对地面固定设置，包括榫槽，用于固定连接待测试的所述风扇叶片的榫头一端；所述低周加载机构包括夹持部和液压驱动装置，所述夹持部与待测试的所述风扇叶片叶身至少部分随形配合以实现对所述风扇叶片的夹持，所述夹持部与所述固定夹具的连线方向构成所述高低周复合疲劳测试装置的轴向，所述液压驱动装置能够带动所述夹持部对待测试的所述风扇叶片施加轴向载荷；所述高周加载机构包括激振机构和刚性连接部，所述激振机构一端相对地面固定设置，另一端通过所述刚性连接部与待测试的所述风扇叶片叶身部分刚性连接，以容许所述激振机构的高频振动传导至待测试的所述风扇叶片的叶身。

通过该装置能够对全尺寸风扇叶片进行高低周复合疲劳测试，并进行拉、压、弯、扭不同载荷状态的复合加载，分别模拟实际工况下叶片根部因离心力受到的低周载荷、叶身受到气动应力造成的高周载荷，综合测试风扇叶片的疲劳性能。

进一步地，所述低周加载机构的所述夹持部配置为水平布置的框形结构，以容许待测试的所述风扇叶片的叶身至少部分伸入所述框形结构内；所述高周加载机构连接于所述风扇叶片的叶身位于所述框形结构内的部分。框形结构能够对叶身进行一段或两段夹持，灵活地选择载荷加载位置以及低周载荷与高周载荷的复合方式。

进一步地，其特征在于，所述低周加载机构还包括轴承，所述轴承设置于所述夹持部与所述液压驱动装置之间，以容许所述夹持部绕所述轴向旋转。可旋转的夹持部容许叶片在加载过程中发生扭转。

进一步地，所述低周加载机构还包括扭矩加载装置，所述扭矩加载装置用于驱动所述夹持部绕所述轴向旋转。扭矩加载装置能够对叶片施加扭转载荷。

进一步地，所述轴承配置为滚动轴承或关节轴承，以容许所述低周加载机构与高周加载机构施加的载荷在所述轴承处解耦。通过轴承对低周载荷与高周载荷进行解耦，能够使低周在于与高周载荷互不干扰。

进一步地，所述固定夹具具有与所述风扇叶片不同的固有频率。固定夹具的固有频率不同能够避免共振损伤。

进一步地，所述固定夹具配置有阻尼块。阻尼块能够进一步降低震动对刚性连接结构造成的损伤。

进一步地，所述激振机构包括信号发生器与功率放大器。信号发生器与功率放大器组成的激振机构能够稳定输出高频振动载荷。

进一步地，该高低周复合疲劳测试装置还包括传感装置和数据处理装置，所述传感装置包括力传感器、位移传感器与振动传感器，所述数据处理装置与所述传感装置信号相连，能够对所述传感装置采集到的数据进行存储、计算和分析。通过传感器对风扇叶片的受力、变形及振动情况进行测定能够更加准确地评价叶片的疲劳性能。

进一步地，该高低周复合疲劳测试装置还包括刚性基座，所述刚性基座固定设置于地面，用于为所述高低周复合疲劳测试装置的其他部件提供刚性支撑。刚性基座能够为装置提供稳定的支撑，同时避免长期高频振动对地面造成破坏。

附图说明

图1为一实施例中风扇叶片安装于高低周复合疲劳测试装置时的主视结构示意图；

图2为一实施例中风扇叶片安装于高低周复合疲劳测试装置时的俯视结构示意图；

图3为另一实施例中风扇叶片安装于高低周复合疲劳测试装置时的腐蚀结构示意图。

上述附图的目的在于对本实用新型作出进一步的详细说明，以便本领域技术人员能够理解本实用新型的技术构思，而非旨在限制本实用新型。为了表达简洁，上述附图仅示意性地画出了与本实用新型技术特征有关的结构，并未严格按照实际比例画出完整结构和全部细节。

具体实施方式

下面通过具体实施例结合附图对本实用新型作出进一步的详细说明。

本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本文的至少一个实施例中。在说明书的各个位置出现的该短语并不一定指代同一实施例，也并非限定为互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当能够理解，在不发生结构冲突的前提下本文中的实施例可以与其他实施例相结合。

本文的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，可以是活动连接，也可以是固定连接或成一体。对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申请实施例中的具体含义。

本文的描述中，“上”、“下”、“左”、“右”、“横向”、“纵向”、“高度”、“长度”、“宽度”等指示方位或位置关系的术语目的在于准确描述实施例和简化描述，而非限定所涉及的零件或结构必须具有特定的方位、以特定方位安装或操作，不能理解为对本文中实施例的限制。

本文的描述中，“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同对象，而不能理解为指示相对重要性或限定所描述技术特征的数量、特定顺序或主次关系。本文的描述中，“多个”的含义是至少两个。

目前新一代商用航空发动机的风扇叶片通常采用复合材料制造，以降低发动机自重提高发动机推重比。复合材料风扇叶片的性能受到整体成型工艺的显著影响，仅对小尺寸材料样品进行力学性能检测并不能准确地评估叶片整体的力学性能特别是疲劳性能。而且，风扇叶片工作转速高，受力情况复杂：叶片根部受到风扇叶片旋转离心力作用主要承受低周拉伸载荷，而叶片叶身部分则受到高速转动的气动应力影响承受沿厚度方向的高周、小幅度振动载荷，以及一定的扭转载荷。风扇叶片尺寸相对较大，长度超过1m，宽度可达12cm-35cm，常规的万能材料试验机无法对风扇叶片进行疲劳性能检测，更难以针对全尺寸风扇叶片的载荷分布特点进行有针对性的疲劳性能测试。

为了解决上述问题，本实用新型一个方面的实施例提供一种风扇叶片高低周复合疲劳测试装置，如图1所示。该装置包括固定夹具11、夹持部12、液压驱动装置13、激振装置15和刚性连接部14，其中夹持部12、液压驱动装置13组成低周加载机构，激振装置15和刚性连接部14组成高周加载机构；固定夹具11与夹持部12的连线方向构成该测试装置的轴向19。包括榫头21(榫头21包括了风扇叶片流道线以下的部分)和叶身22的风扇叶片连接于测试装置，其中固定夹具11上设置有匹配的榫槽和固定螺栓用于固定榫头21；夹持部12则设置有与叶身22的中段区域随形配合、能够上下开合的夹持面以对叶身22进行夹持固定；刚性连接部14则通过刚性夹持的方式固定在叶身22的末端，从而将风扇叶片与高周加载装置连接在一起。在进行测试时，固定夹具11相对地面固定，夹持部12则在液压驱动装置13的带动下沿轴向19远离固定夹具11，以对a区域内的叶身22及其与榫头21之间的连接段施加水平方向的低周拉伸载荷，也可以沿轴向19靠近固定夹具11以对a区域内的叶身22施加低周压载荷；而激振装置15则自叶身22的末端对叶身22施加垂直方向的高周振动载荷。

在优选实施例中，夹持部12配置为框形结构，激振装置15在夹持部12的框形结构范围内垂直于地面固定设置。在对叶片进行加载时可以采用不同的夹持方式，可以在夹持时使叶身22部分伸入夹持部12的框形结构内，并在相对固定夹具11的近端12a处对叶身22进行夹持，如图2所示；也可以如图3所示，使叶身22的末端伸出夹持部12的框形结构外，这样可以在夹持部12的近端12a、远端12b处共同或单独对叶身22进行夹持，以达到改变载荷的加载形式的目的。例如，如图2所示，激振装置15通过刚性连接部14以刚性连接方式固定于叶身22的末端，能够对叶身22模拟两点弯曲载荷；而如图3所示，激振装置15通过刚性连接部(未示出)以铆接、粘接、焊接或箍紧的方式固定连接于叶身22的中段，而近端12a、远端12b分别对叶身22进行夹紧，则可以对叶身22模拟三点弯曲载荷。

在优选实施例中，夹持部12与液压驱动装置13之间设置有轴承(未示出)，以容许夹持部12相对液压驱动装置13能够绕轴线19进行一定范围的转动。在进一步的可选实施例中，轴承(未示出)还连接有扭矩加载装置(未示出)，以对叶身22施加绕轴线19的扭转载荷。在一些优选实施例中，轴承(未示出)配置为滚动轴承或关节轴承，以对激振装置15施加的高周载荷与液压驱动装置13施加的低周载荷进行解耦，使高周载荷与低周载荷的加载互不干扰。在一些实施例中，扭转载荷也可以通过低周加载机构与高周加载机构的配合，例如使激振装置15的加载位置偏离轴线19来实现。

在优选实施例中，固定夹具11的固有频率与风扇叶片的固有频率不同，且两者最好差别较大，以避免加载过程中固定夹具11发生共振造成设备损坏。在进一步的优选实施例中，固定夹具11还设置有阻尼块以进一步降低振动。

在优选实施例中，该测试装置底部设置有刚性基座18，该刚性基座可以由设置了缓冲装置的钢结构焊接制成，也可以由钢结构与混凝土共同制造，刚性基座能够为固定夹具11、低周加载机构和高周加载机构提供稳定的支撑，同时避免在长期进行高频振动试验时对地面造成破坏使设备固定不稳影响试验结果的准确性。

在优选实施例中，激振装置15与信号发生器(未示出)和功率放大器16相连接，通过信号发生器生成波形，再由功率放大器16将信号放大至激振装置15来输出振动载荷。在这种结构设计下，只要为信号发生器设定输出的波形，就能够模拟各种载荷状态下的高周振动载荷，能够更加贴紧风扇叶片的各类实际工况。

在优选实施例中，该测试装置设置有多个传感器，包括与固定夹具11相连的力传感器17，以及设置在刚性基座18之外的激光位移传感器(未示出)和振动传感器(未示出)。通过力传感器17的可以直接测量风扇叶片在试验过程中承受的载荷大小；在叶身22表面粘贴反光片，利用激光探头进行扫描和测量，则可以确定叶身22不同部分的应变情况和振动信号。各传感器与数据处理装置(未示出)相连接，使数据处理装置能够自动采集和存储传感器数据，对不同试验条件下叶片所承受的载荷分布、振动振型进行计算与分析。

在一个实施例中，利用如图1所示的风扇叶片高低周疲劳测试装置对风扇叶片进行疲劳性能测试，被试叶片的长度为120cm，宽度在不同区域为12cm-35cm，厚度范围为1cm-6cm。将该风扇叶片以如图2所示的方式固定于测试装置，对其实施三向复合加载：利用液压驱动装置13施加50kN的低周拉伸载荷，激振装置15输出的激振频率旋转在叶片一阶弯曲共振频率182Hz附近，使叶片处于共振状态；同时对叶片施加扭转载荷，进而模拟实际工况的载荷状态，对风扇叶片的疲劳性能进行测定。

上述实施例的目的在于结合附图对本实用新型作出进一步的详细说明，以便本领域技术人员能够理解本实用新型的技术构思。在本实用新型权利要求的范围内，对所涉及的零件结构进行优化或等效替换，以及在不发生结构与原理冲突的前提下对不同实施例中的实施方式进行结合，均落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种风扇叶片高低周复合疲劳测试装置，其特征在于，包括固定夹具、低周加载机构和高周加载机构，其中：

所述固定夹具相对地面固定设置，包括榫槽，用于固定连接待测试的所述风扇叶片的榫头一端；

所述低周加载机构包括夹持部和液压驱动装置，所述夹持部与待测试的所述风扇叶片叶身至少部分随形配合以实现对所述风扇叶片的夹持，所述夹持部与所述固定夹具的连线方向构成所述高低周复合疲劳测试装置的轴向，所述液压驱动装置能够带动所述夹持部对待测试的所述风扇叶片施加轴向载荷；

所述高周加载机构包括激振机构和刚性连接部，所述激振机构一端相对地面固定设置，另一端通过所述刚性连接部与待测试的所述风扇叶片叶身部分刚性连接，以容许所述激振机构的高频振动传导至待测试的所述风扇叶片的叶身。

2.根据权利要求1所述的风扇叶片高低周复合疲劳测试装置，其特征在于，所述低周加载机构的所述夹持部配置为水平布置的框形结构，以容许待测试的所述风扇叶片的叶身至少部分伸入所述框形结构内；所述高周加载机构连接于所述风扇叶片的叶身位于所述框形结构内的部分。

3.根据权利要求1或2所述的风扇叶片高低周复合疲劳测试装置，其特征在于，所述低周加载机构还包括轴承，所述轴承设置于所述夹持部与所述液压驱动装置之间，以容许所述夹持部绕所述轴向旋转。

4.根据权利要求3所述的风扇叶片高低周复合疲劳测试装置，其特征在于，所述低周加载机构还包括扭矩加载装置，所述扭矩加载装置用于驱动所述夹持部绕所述轴向旋转。

5.根据权利要求3所述的风扇叶片高低周复合疲劳测试装置，其特征在于，所述轴承配置为滚动轴承或关节轴承，以容许所述低周加载机构与高周加载机构施加的载荷在所述轴承处解耦。

6.根据权利要求1或2所述的风扇叶片高低周复合疲劳测试装置，其特征在于，所述固定夹具具有与所述风扇叶片不同的固有频率。

7.根据权利要求1或2所述的风扇叶片高低周复合疲劳测试装置，其特征在于，所述固定夹具配置有阻尼块。

8.根据权利要求1或2所述的风扇叶片高低周复合疲劳测试装置，其特征在于，所述激振机构包括信号发生器与功率放大器。

9.根据权利要求1或2所述的风扇叶片高低周复合疲劳测试装置，其特征在于，还包括传感装置和数据处理装置，所述传感装置包括力传感器、位移传感器与振动传感器，所述数据处理装置与所述传感装置信号相连，能够对所述传感装置采集到的数据进行存储、计算和分析。

10.根据权利要求1或2所述的风扇叶片高低周复合疲劳测试装置，其特征在于，还包括刚性基座，所述刚性基座固定设置于地面，用于为所述固定夹具、低周加载机构和高周加载机构提供支撑。