一種可連續調節葉片考核截面應力分布的高溫疲勞試驗夾具及方法與流程
2023-06-28 19:57:46
本發明屬於航空航天發動機技術領域，特別是涉及一種可連續調節葉片考核截面應力分布的高溫疲勞試驗夾具及方法。
背景技術：
航空發動機渦輪葉片是發動機非常重要的零部件之一，高溫疲勞故障是其主要失效模式，因此需要針對該類型葉片進行高溫疲勞試驗來確定其安全使用壽命。然而，渦輪葉片疲勞壽命試驗面臨的一個關鍵問題是對葉片服役過程中所承受的機械載荷進行模擬。
在實驗室條件下，通常採用拉伸疲勞試驗機對渦輪葉片進行加載。疲勞試驗機提供的拉伸載荷為集中力，在垂直於載荷的平面上只能產生均勻應力場，因此需要調節葉片與加載主軸的夾角，實現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生彎曲、扭轉變形的分量，進而調整葉片考核截面的應力分布。瀋陽發動機設計研究所研製的A714D氣冷渦輪葉片熱/機械複合疲勞試驗器採用尼龍帶傳遞機械載荷，並實現葉片應力場的模擬。由於尼龍耐高溫、抗拉強度等性能均差於鋼，而TM F試驗裝置的環境溫度較高、承受的機械載荷較大，長期試驗會引起尼龍的磨損、老化、伸長等問題，導致該試驗器的載荷控制精度較低。北航研製的一種空心氣冷渦輪葉片熱機械疲勞試驗系統，採用墊片調節渦輪葉片與疲勞試驗機主軸的夾角，實現渦輪葉片的工作應力場模擬。但每次調節時均需拆卸夾具，且調節量不連續，為墊片厚度的整數倍。
技術實現要素：
本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種可連續調節葉片考核截面應力分布的高溫疲勞試驗夾具及方法，它能連續改變葉片與拉伸疲勞試驗機主軸的夾角，實現了用單軸拉伸疲勞試驗機對渦輪葉片考核界面應力分布的模擬，且能夠在拆卸後保持調節螺栓的緊固長度恆定，避免重複調節。
本發明的技術解決方案是：一種可連續調節葉片考核截面應力分布的高溫疲勞試驗夾具，包括：下夾頭(1)、下叉子(4)、輪盤近似件(15)、前擋板(5)、後擋板(17)、葉片(6)、葉片組合夾具(7)、上叉子(9)、上夾頭(11)、2個長銷釘(2、8)、2個短銷釘(12、19)、16個調節螺栓(3、10、13、18，其中每處各四個)、16個彈簧(3、10、13、18，其中每處各四個)、6個長螺栓(16、14，其中16處兩個，14處有四個)；其中，上夾頭(11)和下夾頭(1)分別固定於拉伸疲勞試驗機的上、下夾具上；上叉子(9)、下叉子(4)通過一個短銷釘(12)和一個長銷釘(2)與上夾頭、下夾頭連接；下叉子(4)通過另一個短銷釘(19)與輪盤近似件(15)連接；上叉子(9)通過另一個長銷釘(8)與葉片組合夾具(7)連接；葉片組合夾具(7)為分半式臺階矩形板料結構，葉片組合夾具內孔(21)與葉片(6)的兩個型面緊密吻合，4個長螺栓(14)將葉片組合夾具(7)與葉片(6)夾緊；葉片組合夾具(7)的沉頭孔(22)與葉片(6)的葉冠相配合，用於輔助傳遞機械載荷；葉片(6)的榫頭與輪盤近似件(15)的榫槽相配合，用於模擬葉片在輪盤上的安裝條件；輪盤近似件(15)在榫槽底部留有間隙，冷卻氣流通過前擋板(5)伸出的圓管流入榫槽底部，再從葉片底部進入葉片內腔，進行內部冷卻；前擋板(5)和後擋板(17)通過另2個長螺栓(16)固定在輪盤近似件(15)的兩側，防止葉片(6)承受機械載荷時滑出榫槽以及冷卻氣流的洩露；由一個長銷釘(2)所連接的下夾頭(1)與下叉子(4)，另一個短銷釘(19)所連接的下叉子(4)與輪盤近似件(15)，另一個長銷釘(8)所連接的葉片組合夾具(7)與上叉子(9)，一個短銷釘(12)所連接的上叉子(9)與上夾頭(11)共組成該試驗夾具的四個關節，其中個長銷釘(2)所連接的下夾頭(1)與下叉子(4)和一個短銷釘(12)所連接的上叉子(9)與上夾頭(11)為上、下兩個關節；另一個短銷釘(19)所連接的下叉子(4)與輪盤近似件(15)，另一個長銷釘(8)所連接的葉片組合夾具(7)與上叉子(9)為中間兩個關節；在各個關節兩側均布有4個調節螺栓(3、18、13、10)，其中，每個調節螺栓的螺杆中均套有1個彈簧(3、10、13、18，其中每處各四個)，通過調節螺栓的緊固長度可實現葉片(6)與試驗機主軸夾角的連續調整。
所述試驗夾具的材料為耐熱合金模具鋼，表面發藍處理。
一種可連續調節葉片考核截面應力分布的高溫疲勞試驗方法，步驟如下：
(1)按照前述安裝好試驗夾具；
(2)分別調節上、下兩個關節兩側調節螺栓，使葉片(6)產生扭轉變形；
(3)分別調節中間兩個關節兩側調節螺栓，使葉片(6)產生彎曲變形；
(4)按照試驗載荷譜通過電液伺服疲勞試驗機對葉片(6)施加機械載荷；
(5)試驗結束後，直接擰出葉片組合夾具(7)、前擋板(5)和後擋板(17)兩側的2個長螺栓(16)，便可實現葉片(6)的拆卸；
(6)16個調節螺栓(3、10、13、18，其中每處各四個)中套有的16個彈簧(3、10、13、18，其中每處各四個)，將保持調節螺栓的緊固長度不變，下次試驗則無需再次調節應力場。
本發明的原理：一種可連續調節葉片考核截面應力分布的高溫疲勞試驗夾具及方法，材料為耐熱合金模具鋼，表面發藍處理，包括：上夾頭、下夾頭、上叉子、下叉子、渦輪盤近似件、葉片組合夾具、前擋板、後擋板、2個長銷釘、2個短銷釘、6個長螺栓、16個調節螺栓、16個彈簧；其中，上、下夾頭分別固定於疲勞試驗機的上、下夾具上；上、下叉子為設置有通孔的Y形連接器，通過短銷釘分別與上、下夾頭連接；渦輪盤近似件通過短銷釘與下叉子連接，並加工有榫槽與葉片榫齒進行配合，由前、後擋板防止葉片承受機械載荷時滑出榫槽及冷卻氣流的洩露；前擋板伸出一截空心圓管，用於空心渦輪葉片冷卻氣體的通入；該葉片組合夾具為分半式臺階矩形板料結構，並分別設有內孔、沉頭孔、水冷孔和螺栓孔：其內孔形狀與葉片型面保持一致，沉頭孔則與待測葉片的葉冠相配合，通過內孔與葉片型面間的摩擦力和葉冠傳遞機械載荷；其水冷孔與水冷系統相連，用於冷卻葉片組合夾具；其四個螺栓孔用於長螺栓壓緊分半組合夾具，為組合夾具的內孔與葉片接觸表面提供足夠的法向載荷；由銷釘所連接的組件稱為關節，本試驗夾具共有四個關節，通過各個關節上的調節螺栓調整葉片與疲勞試驗機主軸方向的夾角，進而實現葉片的偏心拉伸，實現葉片考核界面工作應力場的模擬。同時，調節後位於螺杆中的壓緊彈簧由於恢復力將保持螺栓的緊固長度不變，進而可重複拆卸而無需再次調節。
本發明與現有技術相比具有以下優點：
(1)採用分半葉片組合夾具，通過夾具內孔與葉片型面的摩擦和葉冠來傳遞機械載荷，實現高溫條件下的可靠加載；
(2)在試驗夾具每個關節處，設置有調節螺栓，通過改變螺栓的緊固長度，可連續地調整葉片與疲勞試驗機主軸的夾角，實現葉片考核截面工作應力場的模擬；
(3)在調節螺栓中套入壓緊彈簧，通過彈簧的恢復力保持調節螺栓的緊固長度不變，從而可實現重複拆卸而無需再次調節。
附圖說明
圖1為葉片試驗夾具裝配圖的正視圖；
圖2為葉片試驗夾具裝配圖的左視圖；
圖3為葉片組合夾具的俯視圖；
圖4為葉片組合夾具的左視圖；
圖5為輪盤近似件正視圖；
圖6為輪盤近似件剖視圖；
圖7為葉片與疲勞試驗機夾角調節示意圖；
圖中符號說明如下：
1：下夾頭 12：短銷釘
2：長銷釘 13：第三調節螺栓
3：第一調節螺栓 14：長螺栓
4：下叉子 15：輪盤近似件
5：前擋板 16：長螺栓
6：葉片 17：後擋板
7：葉片組合夾具 18：第四調節螺栓
8：長銷釘 19：短銷釘
9：上叉子 20：壓緊彈簧
10：第二調節螺栓 21：葉片組合夾具內孔
11：上夾頭 22：葉片組合夾具沉頭孔
具體實施方式
本發明是一種可連續調節葉片考核截面應力分布的高溫疲勞試驗夾具，其具體實施方式如下：
高溫疲勞試驗夾具如圖1、圖2所示，由下夾頭1、下叉子4、輪盤近似件15、前擋板5、後擋板17、葉片組合夾具7、上叉子9、上夾頭11、2個長銷釘(2、8)、2個短銷釘(12、19)、16個調節螺栓(3、10、13、18，其中每處各四個)、16個彈簧(3、10、13、18，其中每處各四個)、6個長螺栓(5、14，其中5處兩個，14處有四個)構成。其中，上夾頭11和下夾頭1分別固定於拉伸疲勞試驗機的上、下夾具上。為了便於機械載荷的可靠傳遞，葉片組合夾具7為分半式臺階矩形板料結構，帶有內孔21和沉頭孔22，如圖3、圖4所示。葉片組合夾具7的內孔21與葉片6的兩個型面緊密吻合，四個長螺栓14將葉片組合夾具7與葉片6夾緊。同時，葉片組合夾具7的沉頭孔22與葉片6的葉冠相配合，用於輔助傳遞機械載荷。葉片6的榫頭與輪盤近似件15(圖5、圖6)的榫槽相配合，用於模擬葉片在輪盤上的安裝條件。輪盤近似件15在榫槽底部留有間隙，冷卻氣流通過前擋板5伸出的圓管流入榫槽底部，再從葉片底部進入葉片內腔，進行內部冷卻。前擋板5和後擋板17通過2個長螺栓5固定在輪盤近似件15的兩側，防止葉片6承受機械載荷時滑出榫槽以及冷卻氣流的洩露。
拉伸疲勞試驗機產生的機械載荷經下夾頭1、銷釘2、下叉子4、銷釘19後，傳遞到輪盤近似件15；輪盤近似件15的榫槽與葉片6的榫頭相配合，將機械載荷傳遞到葉片6上；葉片6與葉片組合夾具7的內孔21緊密吻合，同時葉冠與葉片組合夾具7的沉頭孔22接觸，將機械載荷繼續向上傳遞；機械載荷經銷釘8、上叉子9、銷釘12後傳遞至上夾頭11。
由長銷釘2、長銷釘8、短銷釘19、短銷釘12所連接的組件稱為關節，葉片高溫疲勞試驗夾具共有4個關節：長銷釘2所連接的下夾頭1與下叉子4、短銷釘19所連接的下叉子4與輪盤近似件15、長銷釘8所連接的葉片組合夾具7與上叉子9、短銷釘12所連接的上叉子與上夾頭。
調節步驟如下：
(1)按照圖1所示安裝好試驗夾具，安裝時確保各關節處留有間隙；
(2)分別調節上、下兩個關節(銷釘2所連接的下夾頭1與下叉子4、銷釘12所連接的上叉子9與上夾頭11)兩側調節螺栓，使葉片6產生扭轉變形；
(3)分別調節中間兩個關節(銷釘19所連接的下叉子4與輪盤近似件15、銷釘8所連接的葉片組合夾具7與上叉子9)兩側調節螺栓，使葉片6產生彎曲變形；
(4)以長銷釘8所連接的葉片組合夾具7與上叉子9為例，來描述關節調節過程，如圖7所示。首先調節上叉子9兩側的第二調節螺栓10的緊固長度，可以調整葉片6與疲勞試驗機主軸的夾角，實現葉片6的扭轉變形；然後調節葉片組合夾具7兩側的第三調節螺栓13的緊固長度，實現葉片6的彎曲變形。調節所有關節後，可將單軸的拉伸載荷分解出使葉片6產生彎曲、扭轉變形的分量；
(5)結合上述方法，同時按照試驗載荷譜調整疲勞試驗機的拉伸載荷，可以實現渦輪葉片6考核截面工作應力場的模擬；
(6)試驗完成後，直接擰出葉片組合夾具7兩側的第三調節螺栓13以及葉片組合夾具7、前擋板5和後擋板17兩側的長螺栓5、14，便能拆卸下葉片6。同時，由於壓緊彈簧20的恢復力將保持第三調節螺栓13的緊固長度保持不變，從而針對同一試驗條件可避免重複調節。
本發明未詳細闡述部分屬於本領域公知技術。
以上所述，僅為本發明部分具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本領域的人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。