CN109632285A - 一种涡轮叶片高温疲劳试验夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮叶片高温疲劳试验夹具，包括上夹头、分半内夹块、上支撑板、榫槽夹块、挡板、下夹头，上下夹头分别与疲劳试验机相连，上支撑板和榫槽夹块下端矩形块位于上下夹头的凹槽中、可沿凹槽滑动，涡轮叶片叶身上部与分半内夹块连接后装入上支撑板中部的倒梯形体空腔，涡轮叶片榫头与榫槽夹块相连，挡板通过螺栓固定在榫槽夹块上、限制叶片榫头的沿榫槽轴线的移动。上下夹头前后左右各有两个螺钉孔，试验过程中可通过控制调节螺钉的旋入深度改变上支撑板和榫槽夹块的位置，进而改变涡轮叶片中心线与疲劳机轴向载荷相对位置，当两者不重合时，涡轮叶片除单轴载荷外还将承受附加的弯曲载荷，从而模拟涡轮叶片考核截面服役时的复杂应力场。

Description

一种涡轮叶片高温疲劳试验夹具
技术领域
本发明涉及航空发动机涡轮叶片高温疲劳试验，属于航空发动机技术领域，在此基础上可以进行模拟涡轮叶片考核截面复杂应力场的高温疲劳试验，测试涡轮叶片寿命，为航空发动机安全可靠地工作提供保障。
背景技术
航空发动机涡轮叶片服役条件恶劣，高速旋转状态下离心载荷使涡轮叶片产生拉伸应力，积叠线不与径向线重合的涡轮叶片在离心载荷作用下还将产生弯曲应力；气动载荷主要以表面压力的形式作用在涡轮叶片表面上，由于叶片不同部位气动载荷分布的不均匀性，涡轮叶片还将承受弯曲力矩、扭转力矩。涡轮叶片的复杂应力场是标准试件和叶片近似试件所难以模拟的，因此，在准确模拟真实涡轮叶片考核截面复杂应力状态的基础上开展高温疲劳试验对于涡轮叶片的定寿研究、故障分析和预防有重要意义。
北航闫晓军等针对涡轮叶片疲劳试验研制了涡轮叶片夹具(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,2005,20(6):925-931.)，该夹具利用互相垂直的两对销轴将夹具的主要零件进行连接，每个销轴联接的两个零件构成一个转向节，零件可以绕销轴进行小幅转动；零件在销轴联接处存在间隙，通过调整销轴连接部位的间隙，可以改变涡轮叶片与疲劳试验机主轴的夹角，从而给涡轮叶片施加弯曲载荷。在此基础上，北航王荣桥等(CN102539135A、CN201710769710.4)建立了涡轮叶片热机械疲劳试验***以及涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验***。国内梁文、石炜、赵伟等(梁文,石炜,赵伟,等.DD6单晶涡轮叶片热机综合疲劳试验研究[J].燃气涡轮试验与研究,2015,28(5):29-32.)在该夹具基础上设计了二位移调节机构来调节叶片应力场，二位移调节机构主要利用一个丝杠机构，在平面坐标系(x，y)内调节叶冠夹具的前后及左右位置，从而调节涡轮叶片加载中心位置，实现涡轮叶片弯曲载荷的施加。
然而，北航所发明的夹具依靠销轴连接，需要在主要零件上加工销轴孔，这必然使得销轴孔处产生应力集中，从而影响夹具强度；此外，夹具需要共计四个叉子结构调节叶片中心线与疲劳机单轴载荷的相对位置，叉子之间竖直连接，导致夹具总体长度过长，而疲劳机横梁高度是有一定限制的，这使得该类夹具无法适用于长度较长的涡轮叶片。梁文、石炜、赵伟等所设计的二位移调节机构结构复杂，使用不方便，而且也需要加工丝杠孔等结构，也会在丝杠孔处产生应力集中，从而影响夹具强度。
综上所述，当前涡轮叶片高温疲劳试验夹具的设计并不完善，仍有较大改进空间。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、加工成本低、使用方便的涡轮叶片高温疲劳试验夹具，在准确模拟涡轮叶片考核截面复杂应力场的基础上开展涡轮叶片高温(500℃至1200℃)疲劳试验，测试涡轮叶片寿命，为航空发动机安全可靠地工作提供保障。
本发明的技术解决方案是：一种涡轮叶片高温疲劳试验夹具，其特征在于包括上夹头、分半内夹块、上支撑板、榫槽夹块、挡板、下夹头。上夹头和下夹头中部为空腔、下部为带有凹槽的承力齿。上下夹头分别与疲劳试验机相连，上支撑板和榫槽夹块下端矩形块位于上下夹头的凹槽中、可沿凹槽滑动，涡轮叶片叶身上部与分半内夹块连接后装入上支撑板中部的倒梯形体空腔，涡轮叶片榫头与榫槽夹块相连，挡板通过螺栓固定在榫槽夹块上、限制叶片榫头的沿榫槽轴线的移动。上下夹头中部空腔高度比上支撑板和榫槽夹块下端矩形块高度高0.5-1mm，保证上支撑板和榫槽夹块下端矩形块能够从侧面进入上下夹头内部空腔中。上下夹头凹槽长度比上支撑板和榫槽夹块下端矩形块长度长20-30mm，上下夹头凹槽宽度比上支撑板和榫槽夹块下端矩形块宽度宽20-30mm，并且上下夹头下部承力齿边缘距离涡轮叶片10-20mm，从而保证上支撑板和榫槽夹块下端矩形块可沿上下夹头凹槽滑动。上下夹头前后左右各有两个螺钉孔，试验过程中可通过控制调节螺钉的旋入深度改变上支撑板和榫槽夹块的位置，从而改变涡轮叶片中心线与疲劳机轴向载荷相对位置，当两者不重合时，涡轮叶片除单轴载荷外还将承受附加的弯曲载荷，从而模拟涡轮叶片考核截面服役过程中的复杂应力场。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明装配简单，使用方便，能够实现涡轮叶片考核截面复杂应力场的准确模拟以及涡轮叶片在高温疲劳试验中的稳定夹持，可用于涡轮叶片特定考核截面在高温(500℃至1200℃)下的疲劳试验，无需考虑销轴孔等连接方式带来的夹具强度不足的问题，对于不同涡轮叶片，重新加工相应的分半内夹块和榫槽夹块即可，无需多次加工夹具的其他组成部分，可降低加工成本。
附图说明
图1为本发明的上夹头图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为正视图；(d)为俯视图；
图2为本发明的分半内夹块图，其中(a)为叶盆内夹块图；(b)为叶背内夹块图；
图3为本发明的上支撑板图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为正视图；(d)为俯视图；
图4为涡轮叶片示意图；
图5为本发明的榫槽夹块图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为正视图；(d)为俯视图；
图6为本发明的挡板图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为正视图；(d)为俯视图；
图7为本发明的下夹头图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为正视图；(d)为俯视图；
图8为本发明的上夹头和下夹头的组成部分，其中A为夹持端；B为凹槽；C为下部承力齿；
图9为本发明的涡轮叶片高温疲劳试验夹具的装配图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1-9所示，本发明主要针对适用于涡轮叶片的高温疲劳试验夹具，夹具主要包括上夹头1、分半内夹块2、上支撑板3、榫槽夹块5、挡板6、下夹头7。上夹头1和下夹头7的夹持端A分别与疲劳试验机相连，上支撑板3和榫槽夹块5的下端位于上夹头1和下夹头7的凹槽B中、可沿凹槽B滑动，涡轮叶片4的叶身上部与分半内夹块2连接后装入上支撑板3中部的倒梯形体空腔，涡轮叶片4的榫头与榫槽夹块5相连，挡板6通过螺栓固定在榫槽夹块5上、限制涡轮叶片4的榫头的沿榫槽轴线的移动。上夹头1和下夹头7中部空腔高度比上支撑板3和榫槽夹块5下端矩形块高度高0.5-1mm，保证上支撑板3和榫槽夹块5下端矩形块能够从侧面进入上夹头1和下夹头7内部空腔中。
上夹头1和下夹头7的凹槽B的长度比上支撑板3和榫槽夹块5下端矩形块的长度长20-30mm，上夹头1和下夹头7的凹槽B的宽度均比上支撑板3和榫槽夹块5下端矩形块的宽度宽20-30mm，并且上夹头1和下夹头7的下部承力齿C边缘距离涡轮叶片10-20mm，从而保证上支撑板3和榫槽夹块5下端可沿上夹头1和下夹头7的凹槽B滑动。
试验过程中夹具装配图如图9所示，组装过程分为5步：
1.将上夹头1的夹持端A夹在疲劳试验机上；
2.涡轮叶片4的叶身上部与分半内夹块2连接后装入上支撑板3中部的倒梯形体空腔，并将上支撑板3搭在上夹头1的凹槽B中；
3.榫槽夹块5与涡轮叶片4的榫槽连接，并将挡板6通过螺栓固定在榫槽夹块5上；
4.下夹头7的凹槽B搭在榫槽夹块5的下部；
5.在上夹头1和下夹头7前后左右的螺钉孔安装调节螺钉，并将下夹头7的夹持端A夹在疲劳试验机上。
试验过程中涡轮叶片考核截面复杂应力场的调节主要依靠调节螺钉实现，上夹头1和下夹头7前后左右各有两个螺钉孔，每个螺钉孔装有一个调节螺钉，试验过程中可通过控制调节螺钉的旋入深度改变上支撑板和榫槽夹块的位置，从而改变涡轮叶片中心线与疲劳机轴向载荷相对位置，当两者不重合时，涡轮叶片除单轴载荷外还将承受附加的弯曲载荷，从而模拟涡轮叶片考核截面服役过程中的复杂应力场。
由于涡轮叶片在实际服役过程中总体上承受拉伸载荷，因此，在实验室条件下对涡轮叶片考核截面进行试验时，也施加交变的拉伸载荷。此时，本发明中的夹具可以满足涡轮叶片的稳定加载，能够实现涡轮叶片考核截面复杂应力场的准确模拟，可用于涡轮叶片特定考核截面在高温(500℃至1200℃)下的疲劳试验；此外，本发明的夹具装配简单、使用方便，无需考虑销轴孔等连接方式带来的夹具强度不足的问题，对于不同涡轮叶片，重新加工相应的分半内夹块和榫槽夹块即可，无需多次加工夹具的其他组成部分，可降低加工成本。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种涡轮叶片高温疲劳试验夹具，其特征在于：包括，上夹头、分半内夹块、上支撑板、榫槽夹块、挡板和下夹头；上夹头和下夹头中部为空腔、下部为带有凹槽的承力齿；榫槽夹块下端为矩形块；上夹头与疲劳试验机上端相连；下夹头与疲劳试验机下端相连；上支撑板位于上夹头的凹槽中，沿所述凹槽滑动；榫槽夹块下端矩形块位于下夹头的凹槽中，沿所述凹槽滑动；涡轮叶片叶身上部与分半内夹块连接后装入上支撑板中部的倒梯形体空腔；涡轮叶片榫头与榫槽夹块相连；挡板通过螺栓固定在榫槽夹块上，限制叶片榫头的沿榫槽的轴线移动。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片高温疲劳试验夹具，其特征在于：所述上夹头的中部空腔的高度比上支撑板高度高0.5-1mm，保证上支撑板能从侧面进入上夹头的内部空腔中。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片高温疲劳试验夹具，其特征在于：所述下夹头的中部空腔高度比榫槽夹块下端矩形块高度高0.5-1mm，保证榫槽夹块下端矩形块能从侧面进入下夹头内部空腔中。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片高温疲劳试验夹具，其特征在于：所述上夹头凹槽长度比上支撑板长度长20-30mm，上夹头和凹槽宽度比上支撑板宽度宽20-30mm，并且上夹头的下部承力齿边缘距离涡轮叶片10-20mm，保证上支撑板沿上夹头的凹槽滑动。
5.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片高温疲劳试验夹具，其特征在于：所述下夹头凹槽长度比榫槽夹块下端矩形块长度长20-30mm，下夹头和凹槽宽度比榫槽夹块下端矩形块宽度宽20-30mm，并且下夹头的下部承力齿边缘距离涡轮叶片10-20mm，保证榫槽夹块下端矩形块沿下夹头的凹槽滑动。
6.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片高温疲劳试验夹具，其特征在于：所述上夹头和下夹头的前后左右各有两个螺钉孔，通过控制调节螺钉的旋入深度改变上支撑板和榫槽夹块的位置，进而改变涡轮叶片中心线与疲劳机轴向载荷相对位置；当涡轮叶片中心线与疲劳机轴向载荷不重合时，涡轮叶片承受单轴载荷和附加的弯曲载荷，从而模拟涡轮叶片考核截面服役过程中的复杂应力场。
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