[发明专利]一种涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置及方法，属于航空发动机和燃气轮机技术领域。装置中的驱动主轴带动转接工装旋转，转接工装包括芯轴、涡轮毛坯盘和压紧件，所述芯轴的外侧设有限位保护机构，芯轴的顶部与驱动主轴连接，芯轴的底部设有安装涡轮毛坯盘的法兰座，所述的涡轮毛坯盘由压紧件固定；在试验过程中，转速、振动和涡轮毛坯盘的变形由监测系统实时监测并显示，通过设定目标转速、目标变形量和振动限制值控制预选转升速和降速过程。本发明实现了航空发动机和燃气轮机涡轮毛坯盘残余应力的超速预旋转消除的目的，大大降低了涡轮毛坯盘内部的残余应力，提高了涡轮毛坯盘的机械性能，减小了加工变形，缩短了生产周期。

技术领域

本发明涉及一种用于毛坯盘超速预旋转消除残余应力的试验装置及方法，用于航空发动机和燃气轮机涡轮盘生产、加工和应用相关技术领域。

背景技术

航空发动机和燃气轮机的涡轮盘长期工作在高温高应力环境中，对材料性能要求极高，需同时具备耐高温性能和高强度特性，为此需要专门的锻造和热处理工艺。此外，航空发动机对能量转换效率的高要求，使涡轮转子结构必须具有极高的尺寸精度和长时尺寸稳定性。

涡轮盘材料复杂锻造和热处理工艺会在毛坯盘内部产生极大的残余应力。残余应力使盘件在加工过程中不断变形，增大了加工难度、增加了加工工序，延长了加工周期，不利于工业化连续生产。因此，需要通过一定的手段开展毛坯盘残余应力消除工作。

常用的残余应力消除方法包括自然时效、去应力退火、锤击法、拉伸过载法等。自然时效法将工件静置几个月到几年时间，使其尺寸达到稳定，仅适用于高价值、高精度要求的单个关键部件，难以批量化生产。去应力退火将工件由室温缓慢、均匀加热至600℃-800℃左右，保温4-8小时，而后温度缓慢冷却到200℃以下，再出炉冷却至室温。这种方法消除残余应力的效果较好，但效率低，造成环境污染和能源浪费，并且会改变工件的力学性能，不适用于涡轮盘等材料性能要求极高的场合。锤击法主要用于焊接结构残余应力处理。拉伸过载法是将构件进行机械加载，载荷达到或超过屈服应力后再降载，使内部的残余应力重新分布，从而达到消除残余应力的目的。拉伸过载法不仅能够降低残余应力，还可以通过应变强化提高构件的机械性能，工艺简单，流程迅速，适合工业化连续生产。

考虑涡轮盘工作时主要受周向应力作用，因此周向残余应力消除是其关键，但涡轮毛坯盘为圆环形无轴结构，难以开展涡轮毛坯件的周向旋转轴对称拉抻过载夹持工装设计，无法模拟高速旋转下的离心应力分布特征。因此，目前的拉伸过载法难以消除涡轮毛坯件的残余应力。

发明内容

本发明针对现有航空发动机与燃气轮机涡轮毛坯盘件残余应力难以消除的问题，提供了一种涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置及方法，本发明采用预旋转方法达到消除残余应力的目的，首先将待试验的涡轮毛坯盘安装在芯轴的底部，芯轴外围设有限位保护机构，在试验过程中可实时在线监测轮盘总体变形、以及塑性变形分量，能够通过控制转速和保持时间来调控残余应力的消除效果，以满足试验技术要求。本发明提供的试验装置和方法实现了航空发动机和燃气轮机涡轮毛坯盘残余应力的超速预旋转消除的目的，大大降低了涡轮毛坯盘内部的残余应力，提高了涡轮毛坯盘的机械性能，减小了加工变形，可快速大规模应用于涡轮毛坯盘生产工艺流程中。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

一种涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置，包括由腔盖和腔壁围成的密闭试验腔体、电机、增速头、限位保护机构、转接工装和监测系统；

所述的增速头与电机连接，增速头中的驱动主轴穿过腔盖中心的开孔伸入试验腔体中，通过连接件与转接工装相连；所述的转接工装包括芯轴、涡轮毛坯盘和压紧件，所述芯轴的外侧设有限位保护机构，芯轴的顶部与驱动主轴连接，芯轴的底部设有安装涡轮毛坯盘的法兰座，所述的涡轮毛坯盘由压紧件固定；