[发明专利]一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统及方法

权利要求书

1.一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统，其特征在于：包括高周载荷加载子系统、低周载荷加载子系统、温度载荷加载子系统、冷却子系统及载荷协调控制子系统；高周载荷加载子系统、低周载荷加载子系统分别通过激振器和疲劳试验机对被专用夹具稳定夹持的空心涡轮叶片独立地施加高、低周载荷；温度载荷加载子系统通过高频感应加热炉和感应加热线圈对空心涡轮叶片的考核截面进行加热；冷却子系统包括水冷部分和气冷部分，水冷部分用于试验过程中疲劳试验机、高频感应加热炉、专用夹具以及感应加热线圈的冷却；气冷部分具有两方面的作用，空气压缩机压缩后的冷却空气经过减压稳压阀后，分为两路，一路经过质量流量控制器控制流量后通过专用夹具的冷却通道供给空心涡轮叶片内部，用于模拟空心涡轮叶片内部的冷却情况；另一路则与温度控制器控制的常闭电磁阀相连，当空心涡轮叶片的考核截面温度高于温度控制器设定温度时，常闭电磁阀打开，冷却空气对空心涡轮叶片的考核截面进行降温，该路与温度载荷加载子系统一起形成闭环，共同实现试验中的温度循环；载荷协调控制子系统控制低周载荷加载子系统、温度载荷加载子系统以及冷却子系统中气冷部分的协调工作，其中，载荷控制器控制疲劳试验机施加低周载荷的同时，会根据变化的低周载荷实时计算出相应的目标温度值，并将信号传递给温度控制器，温度控制器实时比较目标温度值与绑定在试件上热电偶测得的测量温度值的差异，当目标温度值高于测量温度值时，输出加热信号给温度载荷加载子系统中的高频感应加热炉和冷却子系统中的常闭电磁阀；反之，输出冷却信号；该系统能够实现空心涡轮叶片考核截面服役过程中应力场、温度场、振动情况以及内部冷却情况的模拟，在此基础上可以进行空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验；试验过程中，涡轮叶片考核截面不仅承受热机械疲劳载荷，还承受持续的高周振动，当涡轮叶片考核截面寿命达到规定循环次数或者发生破坏时，试验结束；

所述专用夹具由上接头、上叉子、承力梁、承力臂、限幅板、摆动臂、叶背夹具、叶盆夹具、榫头夹具、普通挡板、带气流通路的挡板、下叉子和下接头组成；上接头、下接头通过销轴分别与上叉子、下叉子相连；上叉子通过销轴与承力梁相连；承力梁通过键与承力臂固定；限幅板通过螺钉固定在承力臂上，试验时通过添加不同数量的垫片调节限幅板与承力臂之间的距离，垫片数量使得摆动臂按要求载荷谱振动时刚好碰到限幅板；承力臂通过圆柱滚子轴承与摆动臂连接；摆动臂通过键与叶背夹具固定；涡轮叶片夹在叶背夹具和叶盆夹具之间，叶背夹具和叶盆夹具通过螺栓连接在一起，并压紧在叶片具有弯扭特点的型面上，将载荷传递给叶片；榫头夹具带有与叶片榫头相配合的榫槽，榫头插入榫槽后可以起到传递载荷的作用；普通挡板和带气流通路的挡板均通过螺栓固定在榫头夹具上，用于限制叶片榫头的沿榫槽轴线的移动；榫头夹具通过销轴与下叉子相连；上接头与上叉子之间、上叉子与承力梁之间、榫头夹具与下叉子之间以及下叉子与下接头之间均有调节螺钉，通过调节螺钉的旋入长度改变各部分的相对位置，进而改变涡轮叶片与疲劳试验机主轴的相对位置，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，在此基础上借助应变仪的测量，可以调整涡轮叶片的应力场，实现空心涡轮叶片的考核截面工作应力场的模拟。

2.根据权利要求1所述的空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统，其特征在于：所述叶片榫头夹具一侧带气流通路的挡板的进气通道、榫头夹具底部空腔、叶片内部的冷却通道共同组成了气流通路；从空气压缩机输出的压缩气流有一路通过带气流通路的挡板进入榫头夹具底部空腔中，进而进入空心涡轮叶片内部，最终通过专用夹具上部的开口处排出，从而模拟空心涡轮叶片内部的冷却情况。

3.根据权利要求1或2所述的空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统，其特征在于：所述专用夹具的承力臂与摆动臂在相同位置具有螺纹孔，在模拟空心涡轮叶片的考核截面服役条件过程中，首先进行应力场、内部冷却情况以及温度场的模拟，为了防止加载低周载荷时摆动臂的摆动，用螺钉将承力臂与摆动臂连接在一起，当应力场、内部冷却情况以及温度场的模拟完成后，松开将承力臂与摆动臂连接在一起的螺钉，进行振动情况的模拟。

4.一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验方法，其特征在于：步骤如下：

(1)专用夹具组装

所述专用夹具由上接头、上叉子、承力梁、承力臂、限幅板、摆动臂、叶背夹具、叶盆夹具、榫头夹具、普通挡板、带气流通路的挡板、下叉子和下接头组成；上接头、下接头通过销轴分别与上叉子、下叉子相连；上叉子通过销轴与承力梁相连；承力梁通过键与承力臂固定；限幅板通过螺钉固定在承力臂上，试验时通过添加不同数量的垫片调节限幅板与承力臂之间的距离，垫片数量使得摆动臂按要求载荷谱振动时刚好碰到限幅板；承力臂通过圆柱滚子轴承与摆动臂连接；摆动臂通过键与叶背夹具固定；涡轮叶片夹在叶背夹具和叶盆夹具之间，叶背夹具和叶盆夹具通过螺栓连接在一起，并压紧在叶片具有弯扭特点的型面上，将载荷传递给叶片；榫头夹具带有与叶片榫头相配合的榫槽，榫头插入榫槽后可以起到传递载荷的作用；普通挡板和带气流通路的挡板均通过螺栓固定在榫头夹具上，用于限制叶片榫头的沿榫槽轴线的移动；榫头夹具通过销轴与下叉子相连；上接头与上叉子之间、上叉子与承力梁之间、榫头夹具与下叉子之间以及下叉子与下接头之间分别装上调节螺钉，通过调节螺钉的旋入长度改变各部分的相对位置，进而改变涡轮叶片与疲劳试验机主轴的相对位置，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，在此基础上借助应变仪的测量，可以调整涡轮叶片的应力场，实现空心涡轮叶片的考核截面工作应力场的模拟；

(2)服役条件模拟

选取空心涡轮叶片考核截面4～6个测试点，粘贴好应变片，将步骤(1)中组装好的专用夹具装到疲劳试验机上，用螺钉将承力臂与摆动臂连接在一起；将粘贴好的应变片与应变仪相连，测量各个测试点的应力大小，通过调节上接头与上叉子之间、上叉子与承力梁之间、榫头夹具与下叉子之间以及下叉子与下接头之间的调节螺钉，进行偏心调节，使得空心涡轮叶片的考核截面内的应力场符合空心涡轮叶片工作状态下的真实情况；将空气压缩机气流引入带气流通路的挡板的接口，使压缩气流进入专用夹具气流通道，通过调节压缩机气流流量模拟空心涡轮叶片内部的气流冷却；通过调节感应加热线圈的形状以及与空心涡轮叶片的考核截面的相对位置，使得空心涡轮叶片的考核截面内的温度场符合叶片工作状态下的真实情况；通过添加垫片调节限幅板与承力臂之间的距离，使得摆动臂按正确载荷谱振动时刚好碰到限幅板，松开将承力臂与摆动臂连接在一起的螺钉，调节高周载荷加载子系统的函数信号发生器、功率放大器和激振器施加高周载荷，使得摆动臂刚好碰到限幅板，模拟空心涡轮叶片振动情况；

(3)试验过程

在完成步骤(2)后可进行空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验，载荷控制器控制疲劳试验机施加低周载荷的同时，会根据变化的低周载荷实时计算出对应的目标温度值，并将其传递给温度控制器，温度控制器实时比较目标温度值与绑定在试件上热电偶测得的测量温度值的差异，当目标温度值高于测量温度值时，输出加热信号给温度载荷加载子系统中的高频感应加热炉和冷却子系统中的常闭电磁阀；此时常闭电磁阀关闭，试件被高频感应加热炉控制的感应线圈加热，当目标温度值低于测量温度值时，输出冷却信号给温度载荷加载子系统中的高频感应加热炉和冷却子系统中的常闭电磁阀，此时常闭电磁阀打开，冷却空气对空心涡轮叶片的考核截面进行降温；通过上述设备的协调工作，低周载荷与温度载荷同步的施加于涡轮叶片考核截面，实现涡轮叶片考核截面的热机械疲劳试验；此外，在整个试验过程中，函数信号发生器产生的、由功率放大器放大的高周载荷始终由激振器独立的通过专用夹具施加到涡轮叶片上；涡轮叶片考核截面在试验过程中承受叠加高周振动的热机械疲劳载荷，当涡轮叶片考核截面寿命达到规定循环次数或者发生破坏时，试验结束。