[發明專利]一種空心渦輪葉片疊加高周振動的熱機械疲勞試驗系統及方法

有效

• 申請號: 201710769710.4
• 申請日: 2017-08-31
• 公開（公告）號: CN107421984B
• 公開（公告）日: 2018-11-16
• 發明（設計）人: 胡殿印;王榮橋;張斌;馬琦航;崔金鐸;田騰躍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗

本發明涉及一種空心渦輪葉片疊加高周振動的熱機械疲勞試驗系統及方法，包括高、低周載荷加載子系統、溫度載荷加載子系統、冷卻子系統及載荷協調控制子系統；高、低周載荷加載子系統對被專用夾具穩定夾持的渦輪葉片獨立地施加高、低周載荷；溫度載荷加載子系統對渦輪葉片考核截面進行加熱；冷卻子系統包括水冷部分和氣冷部分，水冷部分用于試驗過程中冷卻，氣冷部分用于協助實現試驗中的溫度循環及葉片內部冷卻情況的模擬；載荷協調控制子系統用于控制各個系統協調工作。本發明能夠模擬渦輪葉片考核截面服役過程中應力場、溫度場、振動情況以及葉片內部冷卻情況，進行渦輪葉片疊加高周振動的熱機械疲勞試驗，為航空發動機安全可靠的工作提供保障。

技術領域

本發明涉及航空發動機渦輪葉片復合疲勞試驗系統及方法，特別是涉及一種空心渦輪葉片疊加高周振動的熱機械疲勞試驗系統及方法，它能夠模擬渦輪葉片考核截面服役過程中的應力場、溫度場、振動情況以及葉片內部的冷卻情況，在此基礎上可以進行空心渦輪葉片疊加高周振動的熱機械疲勞試驗，測試渦輪葉片壽命，為航空發動機安全可靠的工作提供保障，屬于航空發動機技術領域。

背景技術

航空發動機渦輪葉片服役條件惡劣，不僅承受著交變的機械載荷與熱載荷，而且渦輪葉片服役時還承受著由氣動載荷誘發葉片橫向振動及自身的小幅值、高頻率的高周振動。目前渦輪葉片大多為帶氣膜冷卻孔的空心葉片，葉片內外壁存在顯著的溫度梯度。在氣膜冷卻孔處，除了溫度梯度還有應力集中效應。這些都使得渦輪葉片容易發生損壞。作為航空發動機的核心部件之一，渦輪葉片損壞后果很嚴重，因此開展渦輪葉片在復雜極端工況下的疲勞試驗，以研究其疲勞性能，確定其疲勞壽命具有十分重要的意義。

北航閆曉軍等針對渦輪葉片疲勞試驗研制了渦輪葉片夾具(閆曉軍,聶景旭.定向結晶渦輪葉片蠕變/疲勞壽命的試驗與分析[J].航空動力學報,2005,20(6):925-931.)，該夾具利用互相垂直的兩對銷軸將夾具的主要零件進行連接，每個銷軸聯接的兩個零件構成一個轉向節；零件在銷軸聯接處存在間隙，通過調整銷軸連接部位的間隙，可以調整葉片的應力分布。在此基礎上，北航王榮橋、荊甫雷等(CN102539135A)基于該夾具，實現了渦輪葉片熱機械疲勞試驗系統。國內梁文、石煒、趙偉等(梁文,石煒,趙偉,等.DD6單晶渦輪葉片熱機綜合疲勞試驗研究[J].燃氣渦輪試驗與研究,2015,28(5):29-32.)在該夾具基礎上設計了二位移調節機構來調節葉片應力場，二位移調節機構主要利用一個絲杠機構，在平面坐標系(x，y)內調節葉冠夾具的前后及左右位置，從而調節渦輪葉片加載中心位置，實現應力場調試。但是上述夾具及系統均無法施加高周載荷。

北航王榮橋等提出了針對渦輪榫接模擬件的復合疲勞試驗技術(CN201382883)，將低周載荷施加力點通過一傳力圓棒后移至榫槽后方，用一傳力支板從后方推至承力圓柱上，并在傳力圓柱上增加滾動軸承。這樣在保證低周載荷很好傳遞的同時，使承力圓柱面上的滑動摩擦變為滾動摩擦，激振器產生的振動載荷可以很容易地克服阻力，在此基礎上可以實現渦輪葉片高低周復合疲勞試驗。但是該方案針對渦輪榫接結構，無法調節真實葉片葉身的應力分布。

綜上所述，在現有技術條件的基礎上，無法實現調節渦輪葉片考核截面應力狀態并同時施加施加高、低周載荷，因此無法實現渦輪葉片疊加高周振動的熱機械疲勞試驗。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種空心渦輪葉片疊加高周振動的熱機械疲勞試驗系統及方法，實現空心渦輪葉片在疲勞試驗中穩定夾持，并且能夠模擬渦輪葉片考核截面服役過程中的應力場、溫度場、振動情況以及葉片內部的冷卻情況，在此基礎上可以實現空心渦輪葉片疊加高周振動的熱機械疲勞試驗。