[發(fā)明專利]一種空心渦輪葉片疊加高周振動(dòng)的熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710769710.4
• 申請日: 2017-08-31
• 公開（公告）號(hào): CN107421984B
• 公開（公告）日: 2018-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡殿印;王榮橋;張斌;馬琦航;崔金鐸;田騰躍
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N25/20
• 分類號(hào): G01N25/20
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 安麗

1.一種空心渦輪葉片疊加高周振動(dòng)的熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：包括高周載荷加載子系統(tǒng)、低周載荷加載子系統(tǒng)、溫度載荷加載子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)及載荷協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)；高周載荷加載子系統(tǒng)、低周載荷加載子系統(tǒng)分別通過激振器和疲勞試驗(yàn)機(jī)對被專用夾具穩(wěn)定夾持的空心渦輪葉片獨(dú)立地施加高、低周載荷；溫度載荷加載子系統(tǒng)通過高頻感應(yīng)加熱爐和感應(yīng)加熱線圈對空心渦輪葉片的考核截面進(jìn)行加熱；冷卻子系統(tǒng)包括水冷部分和氣冷部分，水冷部分用于試驗(yàn)過程中疲勞試驗(yàn)機(jī)、高頻感應(yīng)加熱爐、專用夾具以及感應(yīng)加熱線圈的冷卻；氣冷部分具有兩方面的作用，空氣壓縮機(jī)壓縮后的冷卻空氣經(jīng)過減壓穩(wěn)壓閥后，分為兩路，一路經(jīng)過質(zhì)量流量控制器控制流量后通過專用夾具的冷卻通道供給空心渦輪葉片內(nèi)部，用于模擬空心渦輪葉片內(nèi)部的冷卻情況；另一路則與溫度控制器控制的常閉電磁閥相連，當(dāng)空心渦輪葉片的考核截面溫度高于溫度控制器設(shè)定溫度時(shí)，常閉電磁閥打開，冷卻空氣對空心渦輪葉片的考核截面進(jìn)行降溫，該路與溫度載荷加載子系統(tǒng)一起形成閉環(huán)，共同實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)中的溫度循環(huán)；載荷協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)控制低周載荷加載子系統(tǒng)、溫度載荷加載子系統(tǒng)以及冷卻子系統(tǒng)中氣冷部分的協(xié)調(diào)工作，其中，載荷控制器控制疲勞試驗(yàn)機(jī)施加低周載荷的同時(shí)，會(huì)根據(jù)變化的低周載荷實(shí)時(shí)計(jì)算出相應(yīng)的目標(biāo)溫度值，并將信號(hào)傳遞給溫度控制器，溫度控制器實(shí)時(shí)比較目標(biāo)溫度值與綁定在試件上熱電偶測得的測量溫度值的差異，當(dāng)目標(biāo)溫度值高于測量溫度值時(shí)，輸出加熱信號(hào)給溫度載荷加載子系統(tǒng)中的高頻感應(yīng)加熱爐和冷卻子系統(tǒng)中的常閉電磁閥；反之，輸出冷卻信號(hào)；該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)空心渦輪葉片考核截面服役過程中應(yīng)力場、溫度場、振動(dòng)情況以及內(nèi)部冷卻情況的模擬，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行空心渦輪葉片疊加高周振動(dòng)的熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)；試驗(yàn)過程中，渦輪葉片考核截面不僅承受熱機(jī)械疲勞載荷，還承受持續(xù)的高周振動(dòng)，當(dāng)渦輪葉片考核截面壽命達(dá)到規(guī)定循環(huán)次數(shù)或者發(fā)生破壞時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束；

所述專用夾具由上接頭、上叉子、承力梁、承力臂、限幅板、擺動(dòng)臂、葉背夾具、葉盆夾具、榫頭夾具、普通擋板、帶氣流通路的擋板、下叉子和下接頭組成；上接頭、下接頭通過銷軸分別與上叉子、下叉子相連；上叉子通過銷軸與承力梁相連；承力梁通過鍵與承力臂固定；限幅板通過螺釘固定在承力臂上，試驗(yàn)時(shí)通過添加不同數(shù)量的墊片調(diào)節(jié)限幅板與承力臂之間的距離，墊片數(shù)量使得擺動(dòng)臂按要求載荷譜振動(dòng)時(shí)剛好碰到限幅板；承力臂通過圓柱滾子軸承與擺動(dòng)臂連接；擺動(dòng)臂通過鍵與葉背夾具固定；渦輪葉片夾在葉背夾具和葉盆夾具之間，葉背夾具和葉盆夾具通過螺栓連接在一起，并壓緊在葉片具有彎扭特點(diǎn)的型面上，將載荷傳遞給葉片；榫頭夾具帶有與葉片榫頭相配合的榫槽，榫頭插入榫槽后可以起到傳遞載荷的作用；普通擋板和帶氣流通路的擋板均通過螺栓固定在榫頭夾具上，用于限制葉片榫頭的沿榫槽軸線的移動(dòng)；榫頭夾具通過銷軸與下叉子相連；上接頭與上叉子之間、上叉子與承力梁之間、榫頭夾具與下叉子之間以及下叉子與下接頭之間均有調(diào)節(jié)螺釘，通過調(diào)節(jié)螺釘?shù)男腴L度改變各部分的相對位置，進(jìn)而改變渦輪葉片與疲勞試驗(yàn)機(jī)主軸的相對位置，實(shí)現(xiàn)渦輪葉片的偏心拉伸，將單軸的拉伸載荷分解出使渦輪葉片產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)變形的分量，在此基礎(chǔ)上借助應(yīng)變儀的測量，可以調(diào)整渦輪葉片的應(yīng)力場，實(shí)現(xiàn)空心渦輪葉片的考核截面工作應(yīng)力場的模擬。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心渦輪葉片疊加高周振動(dòng)的熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：所述葉片榫頭夾具一側(cè)帶氣流通路的擋板的進(jìn)氣通道、榫頭夾具底部空腔、葉片內(nèi)部的冷卻通道共同組成了氣流通路；從空氣壓縮機(jī)輸出的壓縮氣流有一路通過帶氣流通路的擋板進(jìn)入榫頭夾具底部空腔中，進(jìn)而進(jìn)入空心渦輪葉片內(nèi)部，最終通過專用夾具上部的開口處排出，從而模擬空心渦輪葉片內(nèi)部的冷卻情況。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空心渦輪葉片疊加高周振動(dòng)的熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：所述專用夾具的承力臂與擺動(dòng)臂在相同位置具有螺紋孔，在模擬空心渦輪葉片的考核截面服役條件過程中，首先進(jìn)行應(yīng)力場、內(nèi)部冷卻情況以及溫度場的模擬，為了防止加載低周載荷時(shí)擺動(dòng)臂的擺動(dòng)，用螺釘將承力臂與擺動(dòng)臂連接在一起，當(dāng)應(yīng)力場、內(nèi)部冷卻情況以及溫度場的模擬完成后，松開將承力臂與擺動(dòng)臂連接在一起的螺釘，進(jìn)行振動(dòng)情況的模擬。

4.一種空心渦輪葉片疊加高周振動(dòng)的熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)方法，其特征在于：步驟如下：

(1)專用夾具組裝

所述專用夾具由上接頭、上叉子、承力梁、承力臂、限幅板、擺動(dòng)臂、葉背夾具、葉盆夾具、榫頭夾具、普通擋板、帶氣流通路的擋板、下叉子和下接頭組成；上接頭、下接頭通過銷軸分別與上叉子、下叉子相連；上叉子通過銷軸與承力梁相連；承力梁通過鍵與承力臂固定；限幅板通過螺釘固定在承力臂上，試驗(yàn)時(shí)通過添加不同數(shù)量的墊片調(diào)節(jié)限幅板與承力臂之間的距離，墊片數(shù)量使得擺動(dòng)臂按要求載荷譜振動(dòng)時(shí)剛好碰到限幅板；承力臂通過圓柱滾子軸承與擺動(dòng)臂連接；擺動(dòng)臂通過鍵與葉背夾具固定；渦輪葉片夾在葉背夾具和葉盆夾具之間，葉背夾具和葉盆夾具通過螺栓連接在一起，并壓緊在葉片具有彎扭特點(diǎn)的型面上，將載荷傳遞給葉片；榫頭夾具帶有與葉片榫頭相配合的榫槽，榫頭插入榫槽后可以起到傳遞載荷的作用；普通擋板和帶氣流通路的擋板均通過螺栓固定在榫頭夾具上，用于限制葉片榫頭的沿榫槽軸線的移動(dòng)；榫頭夾具通過銷軸與下叉子相連；上接頭與上叉子之間、上叉子與承力梁之間、榫頭夾具與下叉子之間以及下叉子與下接頭之間分別裝上調(diào)節(jié)螺釘，通過調(diào)節(jié)螺釘?shù)男腴L度改變各部分的相對位置，進(jìn)而改變渦輪葉片與疲勞試驗(yàn)機(jī)主軸的相對位置，實(shí)現(xiàn)渦輪葉片的偏心拉伸，將單軸的拉伸載荷分解出使渦輪葉片產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)變形的分量，在此基礎(chǔ)上借助應(yīng)變儀的測量，可以調(diào)整渦輪葉片的應(yīng)力場，實(shí)現(xiàn)空心渦輪葉片的考核截面工作應(yīng)力場的模擬；

(2)服役條件模擬

選取空心渦輪葉片考核截面4～6個(gè)測試點(diǎn)，粘貼好應(yīng)變片，將步驟(1)中組裝好的專用夾具裝到疲勞試驗(yàn)機(jī)上，用螺釘將承力臂與擺動(dòng)臂連接在一起；將粘貼好的應(yīng)變片與應(yīng)變儀相連，測量各個(gè)測試點(diǎn)的應(yīng)力大小，通過調(diào)節(jié)上接頭與上叉子之間、上叉子與承力梁之間、榫頭夾具與下叉子之間以及下叉子與下接頭之間的調(diào)節(jié)螺釘，進(jìn)行偏心調(diào)節(jié)，使得空心渦輪葉片的考核截面內(nèi)的應(yīng)力場符合空心渦輪葉片工作狀態(tài)下的真實(shí)情況；將空氣壓縮機(jī)氣流引入帶氣流通路的擋板的接口，使壓縮氣流進(jìn)入專用夾具氣流通道，通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)氣流流量模擬空心渦輪葉片內(nèi)部的氣流冷卻；通過調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱線圈的形狀以及與空心渦輪葉片的考核截面的相對位置，使得空心渦輪葉片的考核截面內(nèi)的溫度場符合葉片工作狀態(tài)下的真實(shí)情況；通過添加墊片調(diào)節(jié)限幅板與承力臂之間的距離，使得擺動(dòng)臂按正確載荷譜振動(dòng)時(shí)剛好碰到限幅板，松開將承力臂與擺動(dòng)臂連接在一起的螺釘，調(diào)節(jié)高周載荷加載子系統(tǒng)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和激振器施加高周載荷，使得擺動(dòng)臂剛好碰到限幅板，模擬空心渦輪葉片振動(dòng)情況；

(3)試驗(yàn)過程

在完成步驟(2)后可進(jìn)行空心渦輪葉片疊加高周振動(dòng)的熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)，載荷控制器控制疲勞試驗(yàn)機(jī)施加低周載荷的同時(shí)，會(huì)根據(jù)變化的低周載荷實(shí)時(shí)計(jì)算出對應(yīng)的目標(biāo)溫度值，并將其傳遞給溫度控制器，溫度控制器實(shí)時(shí)比較目標(biāo)溫度值與綁定在試件上熱電偶測得的測量溫度值的差異，當(dāng)目標(biāo)溫度值高于測量溫度值時(shí)，輸出加熱信號(hào)給溫度載荷加載子系統(tǒng)中的高頻感應(yīng)加熱爐和冷卻子系統(tǒng)中的常閉電磁閥；此時(shí)常閉電磁閥關(guān)閉，試件被高頻感應(yīng)加熱爐控制的感應(yīng)線圈加熱，當(dāng)目標(biāo)溫度值低于測量溫度值時(shí)，輸出冷卻信號(hào)給溫度載荷加載子系統(tǒng)中的高頻感應(yīng)加熱爐和冷卻子系統(tǒng)中的常閉電磁閥，此時(shí)常閉電磁閥打開，冷卻空氣對空心渦輪葉片的考核截面進(jìn)行降溫；通過上述設(shè)備的協(xié)調(diào)工作，低周載荷與溫度載荷同步的施加于渦輪葉片考核截面，實(shí)現(xiàn)渦輪葉片考核截面的熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)；此外，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的、由功率放大器放大的高周載荷始終由激振器獨(dú)立的通過專用夾具施加到渦輪葉片上；渦輪葉片考核截面在試驗(yàn)過程中承受疊加高周振動(dòng)的熱機(jī)械疲勞載荷，當(dāng)渦輪葉片考核截面壽命達(dá)到規(guī)定循環(huán)次數(shù)或者發(fā)生破壞時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。