一种可连续调节叶片考核截面应力分布的高温疲劳试验夹具及方法与流程

本发明属于航空航天发动机技术领域，特别是涉及一种可连续调节叶片考核截面应力分布的高温疲劳试验夹具及方法。

背景技术：

航空发动机涡轮叶片是发动机非常重要的零部件之一，高温疲劳故障是其主要失效模式，因此需要针对该类型叶片进行高温疲劳试验来确定其安全使用寿命。然而，涡轮叶片疲劳寿命试验面临的一个关键问题是对叶片服役过程中所承受的机械载荷进行模拟。

在实验室条件下，通常采用拉伸疲劳试验机对涡轮叶片进行加载。疲劳试验机提供的拉伸载荷为集中力，在垂直于载荷的平面上只能产生均匀应力场，因此需要调节叶片与加载主轴的夹角，实现涡轮叶片的偏心拉伸，将单轴的拉伸载荷分解出使涡轮叶片产生弯曲、扭转变形的分量，进而调整叶片考核截面的应力分布。沈阳发动机设计研究所研制的A714D气冷涡轮叶片热/机械复合疲劳试验器采用尼龙带传递机械载荷，并实现叶片应力场的模拟。由于尼龙耐高温、抗拉强度等性能均差于钢，而TM F试验装置的环境温度较高、承受的机械载荷较大，长期试验会引起尼龙的磨损、老化、伸长等问题，导致该试验器的载荷控制精度较低。北航研制的一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统，采用垫片调节涡轮叶片与疲劳试验机主轴的夹角，实现涡轮叶片的工作应力场模拟。但每次调节时均需拆卸夹具，且调节量不连续，为垫片厚度的整数倍。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种可连续调节叶片考核截面应力分布的高温疲劳试验夹具及方法，它能连续改变叶片与拉伸疲劳试验机主轴的夹角，实现了用单轴拉伸疲劳试验机对涡轮叶片考核界面应力分布的模拟，且能够在拆卸后保持调节螺栓的紧固长度恒定，避免重复调节。

本发明的技术解决方案是：一种可连续调节叶片考核截面应力分布的高温疲劳试验夹具，包括：下夹头(1)、下叉子(4)、轮盘近似件(15)、前挡板(5)、后挡板(17)、叶片(6)、叶片组合夹具(7)、上叉子(9)、上夹头(11)、2个长销钉(2、8)、2个短销钉(12、19)、16个调节螺栓(3、10、13、18，其中每处各四个)、16个弹簧(3、10、13、18，其中每处各四个)、6个长螺栓(16、14，其中16处两个，14处有四个)；其中，上夹头(11)和下夹头(1)分别固定于拉伸疲劳试验机的上、下夹具上；上叉子(9)、下叉子(4)通过一个短销钉(12)和一个长销钉(2)与上夹头、下夹头连接；下叉子(4)通过另一个短销钉(19)与轮盘近似件(15)连接；上叉子(9)通过另一个长销钉(8)与叶片组合夹具(7)连接；叶片组合夹具(7)为分半式台阶矩形板料结构，叶片组合夹具内孔(21)与叶片(6)的两个型面紧密吻合，4个长螺栓(14)将叶片组合夹具(7)与叶片(6)夹紧；叶片组合夹具(7)的沉头孔(22)与叶片(6)的叶冠相配合，用于辅助传递机械载荷；叶片(6)的榫头与轮盘近似件(15)的榫槽相配合，用于模拟叶片在轮盘上的安装条件；轮盘近似件(15)在榫槽底部留有间隙，冷却气流通过前挡板(5)伸出的圆管流入榫槽底部，再从叶片底部进入叶片内腔，进行内部冷却；前挡板(5)和后挡板(17)通过另2个长螺栓(16)固定在轮盘近似件(15)的两侧，防止叶片(6)承受机械载荷时滑出榫槽以及冷却气流的泄露；由一个长销钉(2)所连接的下夹头(1)与下叉子(4)，另一个短销钉(19)所连接的下叉子(4)与轮盘近似件(15)，另一个长销钉(8)所连接的叶片组合夹具(7)与上叉子(9)，一个短销钉(12)所连接的上叉子(9)与上夹头(11)共组成该试验夹具的四个关节，其中个长销钉(2)所连接的下夹头(1)与下叉子(4)和一个短销钉(12)所连接的上叉子(9)与上夹头(11)为上、下两个关节；另一个短销钉(19)所连接的下叉子(4)与轮盘近似件(15)，另一个长销钉(8)所连接的叶片组合夹具(7)与上叉子(9)为中间两个关节；在各个关节两侧均布有4个调节螺栓(3、18、13、10)，其中，每个调节螺栓的螺杆中均套有1个弹簧(3、10、13、18，其中每处各四个)，通过调节螺栓的紧固长度可实现叶片(6)与试验机主轴夹角的连续调整。

所述试验夹具的材料为耐热合金模具钢，表面发蓝处理。

一种可连续调节叶片考核截面应力分布的高温疲劳试验方法，步骤如下：

(1)按照前述安装好试验夹具；

(2)分别调节上、下两个关节两侧调节螺栓，使叶片(6)产生扭转变形；

(3)分别调节中间两个关节两侧调节螺栓，使叶片(6)产生弯曲变形；

(4)按照试验载荷谱通过电液伺服疲劳试验机对叶片(6)施加机械载荷；

(5)试验结束后，直接拧出叶片组合夹具(7)、前挡板(5)和后挡板(17)两侧的2个长螺栓(16)，便可实现叶片(6)的拆卸；

(6)16个调节螺栓(3、10、13、18，其中每处各四个)中套有的16个弹簧(3、10、13、18，其中每处各四个)，将保持调节螺栓的紧固长度不变，下次试验则无需再次调节应力场。

本发明的原理：一种可连续调节叶片考核截面应力分布的高温疲劳试验夹具及方法，材料为耐热合金模具钢，表面发蓝处理，包括：上夹头、下夹头、上叉子、下叉子、涡轮盘近似件、叶片组合夹具、前挡板、后挡板、2个长销钉、2个短销钉、6个长螺栓、16个调节螺栓、16个弹簧；其中，上、下夹头分别固定于疲劳试验机的上、下夹具上；上、下叉子为设置有通孔的Y形连接器，通过短销钉分别与上、下夹头连接；涡轮盘近似件通过短销钉与下叉子连接，并加工有榫槽与叶片榫齿进行配合，由前、后挡板防止叶片承受机械载荷时滑出榫槽及冷却气流的泄露；前挡板伸出一截空心圆管，用于空心涡轮叶片冷却气体的通入；该叶片组合夹具为分半式台阶矩形板料结构，并分别设有内孔、沉头孔、水冷孔和螺栓孔：其内孔形状与叶片型面保持一致，沉头孔则与待测叶片的叶冠相配合，通过内孔与叶片型面间的摩擦力和叶冠传递机械载荷；其水冷孔与水冷系统相连，用于冷却叶片组合夹具；其四个螺栓孔用于长螺栓压紧分半组合夹具，为组合夹具的内孔与叶片接触表面提供足够的法向载荷；由销钉所连接的组件称为关节，本试验夹具共有四个关节，通过各个关节上的调节螺栓调整叶片与疲劳试验机主轴方向的夹角，进而实现叶片的偏心拉伸，实现叶片考核界面工作应力场的模拟。同时，调节后位于螺杆中的压紧弹簧由于恢复力将保持螺栓的紧固长度不变，进而可重复拆卸而无需再次调节。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)采用分半叶片组合夹具，通过夹具内孔与叶片型面的摩擦和叶冠来传递机械载荷，实现高温条件下的可靠加载；

(2)在试验夹具每个关节处，设置有调节螺栓，通过改变螺栓的紧固长度，可连续地调整叶片与疲劳试验机主轴的夹角，实现叶片考核截面工作应力场的模拟；

(3)在调节螺栓中套入压紧弹簧，通过弹簧的恢复力保持调节螺栓的紧固长度不变，从而可实现重复拆卸而无需再次调节。

附图说明

图1为叶片试验夹具装配图的正视图；

图2为叶片试验夹具装配图的左视图；

图3为叶片组合夹具的俯视图；

图4为叶片组合夹具的左视图；

图5为轮盘近似件正视图；

图6为轮盘近似件剖视图；

图7为叶片与疲劳试验机夹角调节示意图；

图中符号说明如下：

1：下夹头 12：短销钉

2：长销钉 13：第三调节螺栓

3：第一调节螺栓 14：长螺栓

4：下叉子 15：轮盘近似件

5：前挡板 16：长螺栓

6：叶片 17：后挡板

7：叶片组合夹具 18：第四调节螺栓

8：长销钉 19：短销钉

9：上叉子 20：压紧弹簧

10：第二调节螺栓 21：叶片组合夹具内孔

11：上夹头 22：叶片组合夹具沉头孔

具体实施方式

本发明是一种可连续调节叶片考核截面应力分布的高温疲劳试验夹具，其具体实施方式如下：

高温疲劳试验夹具如图1、图2所示，由下夹头1、下叉子4、轮盘近似件15、前挡板5、后挡板17、叶片组合夹具7、上叉子9、上夹头11、2个长销钉(2、8)、2个短销钉(12、19)、16个调节螺栓(3、10、13、18，其中每处各四个)、16个弹簧(3、10、13、18，其中每处各四个)、6个长螺栓(5、14，其中5处两个，14处有四个)构成。其中，上夹头11和下夹头1分别固定于拉伸疲劳试验机的上、下夹具上。为了便于机械载荷的可靠传递，叶片组合夹具7为分半式台阶矩形板料结构，带有内孔21和沉头孔22，如图3、图4所示。叶片组合夹具7的内孔21与叶片6的两个型面紧密吻合，四个长螺栓14将叶片组合夹具7与叶片6夹紧。同时，叶片组合夹具7的沉头孔22与叶片6的叶冠相配合，用于辅助传递机械载荷。叶片6的榫头与轮盘近似件15(图5、图6)的榫槽相配合，用于模拟叶片在轮盘上的安装条件。轮盘近似件15在榫槽底部留有间隙，冷却气流通过前挡板5伸出的圆管流入榫槽底部，再从叶片底部进入叶片内腔，进行内部冷却。前挡板5和后挡板17通过2个长螺栓5固定在轮盘近似件15的两侧，防止叶片6承受机械载荷时滑出榫槽以及冷却气流的泄露。

拉伸疲劳试验机产生的机械载荷经下夹头1、销钉2、下叉子4、销钉19后，传递到轮盘近似件15；轮盘近似件15的榫槽与叶片6的榫头相配合，将机械载荷传递到叶片6上；叶片6与叶片组合夹具7的内孔21紧密吻合，同时叶冠与叶片组合夹具7的沉头孔22接触，将机械载荷继续向上传递；机械载荷经销钉8、上叉子9、销钉12后传递至上夹头11。

由长销钉2、长销钉8、短销钉19、短销钉12所连接的组件称为关节，叶片高温疲劳试验夹具共有4个关节：长销钉2所连接的下夹头1与下叉子4、短销钉19所连接的下叉子4与轮盘近似件15、长销钉8所连接的叶片组合夹具7与上叉子9、短销钉12所连接的上叉子与上夹头。

调节步骤如下：

(1)按照图1所示安装好试验夹具，安装时确保各关节处留有间隙；

(2)分别调节上、下两个关节(销钉2所连接的下夹头1与下叉子4、销钉12所连接的上叉子9与上夹头11)两侧调节螺栓，使叶片6产生扭转变形；

(3)分别调节中间两个关节(销钉19所连接的下叉子4与轮盘近似件15、销钉8所连接的叶片组合夹具7与上叉子9)两侧调节螺栓，使叶片6产生弯曲变形；

(4)以长销钉8所连接的叶片组合夹具7与上叉子9为例，来描述关节调节过程，如图7所示。首先调节上叉子9两侧的第二调节螺栓10的紧固长度，可以调整叶片6与疲劳试验机主轴的夹角，实现叶片6的扭转变形；然后调节叶片组合夹具7两侧的第三调节螺栓13的紧固长度，实现叶片6的弯曲变形。调节所有关节后，可将单轴的拉伸载荷分解出使叶片6产生弯曲、扭转变形的分量；

(5)结合上述方法，同时按照试验载荷谱调整疲劳试验机的拉伸载荷，可以实现涡轮叶片6考核截面工作应力场的模拟；

(6)试验完成后，直接拧出叶片组合夹具7两侧的第三调节螺栓13以及叶片组合夹具7、前挡板5和后挡板17两侧的长螺栓5、14，便能拆卸下叶片6。同时，由于压紧弹簧20的恢复力将保持第三调节螺栓13的紧固长度保持不变，从而针对同一试验条件可避免重复调节。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。