專利名稱：渦輪盤/葉片榫接高溫復合疲勞加載方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及航空發動機部件上一種加載方法及其裝置，特別是涉及一種渦輪盤/葉片榫接 高溫復合疲勞加載方法及其裝置，屬于航空航天技術領域。
(二)
背景技術：
航空發動機渦輪盤和渦輪葉片通常采用樅樹型榫接，榫接結構的可靠性是限制飛機和發 動機壽命和安全可靠性的瓶頸。其原因在于渦輪盤榫槽/葉片榫齒是應力集中部位，極易產生 裂紋，輕者裂紋超過標準后報廢；重者導致葉片脫榫，造成重大事故。榫接部位的裂紋性質 屬于高溫下的低頻大載荷(主要為離心力)疊加高頻小載荷(主要為高周葉片彎曲振動載荷) 的復合疲勞。因此采用真實渦輪盤/葉片開展高溫高低周復合疲勞試驗是確保航空發動機渦輪 部件安全可靠工作的必要手段。傳統方法對真實渦輪盤/葉片榫接部位施加高溫復合載荷的問 題在于在試驗器上施加低頻離心大載荷時，高頻振動小載荷不容易順利地傳到榫接處且沿 各榫齒合理分布應力；同時存在高低周載荷的相互干擾，很難再現實際載荷狀態。
(三)
發明內容
1、 目的本發明的目的是提供一種渦輪盤/葉片榫接高溫復合疲勞加載方法及其裝置， 它克服了現有技術的不足，較好的解決了真實渦輪榫接部位高溫復合疲勞載荷施加的難點， 從而，確保航空發動機渦輪部件高溫高低周復合疲勞試驗得以順利進行，為航空發動機安全 可靠工作提供了技術基礎和安全保障。
2、 技術方案
本發明一種渦輪盤/葉片榫接高溫復合疲勞加載裝置，該裝置由低周載荷上加力機構、低 周載荷下加力機構、上傳力銷釘、下傳力銷釘、傳力主拉力板、左傳力頂板、右傳力頂板、 傳力圓棒、葉片夾具、滾動軸承l、滾動軸承2、壓緊螺栓l、壓緊螺栓2、高周載荷傳遞板、 高頻感應加溫圈、激振器組成。低周載荷上加力機構與傳力主拉力板通過上傳力銷釘相連； 傳力主拉力板與傳力圓棒通過一對滾動軸承1相連；左、右傳力頂板的下端套裝在傳力圓棒 上，上端與葉片夾具的承力凸耳通過一對滾動軸承2連接；每個承力凸耳分成兩半，分別與 葉片夾具上、下兩片鑄成一體；葉片夾具的上、下兩片內腔分別按試驗渦輪葉片的葉盆和葉 背型面數據進行精確的數控加工，并通過四個壓緊螺栓1與渦輪葉片進行連接；渦輪盤通過下傳力銷釘與低周載荷下加力機構相連，低周載荷下加力機構固定在疲勞試驗機上；高周載 荷傳遞板通過六個壓緊螺栓2與葉片夾具相連；激振器位于高周載荷傳遞板的上方一側。
本發明的原理及流程是低周載荷施力點由上傳力銷釘通過傳力主拉力板后移至榫槽后 方，然后通過傳力圓棒和左、右傳力頂板從后方推至葉片夾具上的承力凸耳上。并且，在左、 右傳力頂板和承力凸耳上加一對滾動軸承2，這樣在保證低周載荷很好傳遞的同時，使承力 凸耳上的滑動摩擦變為滾動摩擦，摩擦系數減少了兩個數量級，激振器產生的振動載荷可以 很容易地克服承力凸耳面上的滾動摩擦力。如此可以在基本上不受損失的情況下高頻振動小 載荷順利地傳到真實渦輪盤榫槽和葉片的榫齒上。為進一步減少高周激振力的傳遞阻力，在 傳力主拉力板和傳力圓棒上套加另一對滾動軸承1，這樣對激振器的功率要求可以大幅度下 降。
振動載荷由電磁激振器提供，用變頻器實現不同振動頻率的改變。通過控制激振器間隙 的大小來調節激振點的振幅值，以提供準確的高頻振動載荷。高周載荷通過傳遞板施加到葉 片夾具上，從而順利地傳到渦輪盤/葉片的榫接處。
由于采用真實葉片進行試驗，葉片夾具的上下兩片內腔分別按試驗渦輪葉片葉盆和葉背 型面數據進行精確的數控加工。試驗時，葉片的大離心載荷主要靠四個螺栓壓緊兩片夾板從 而夾緊葉片的方式施加，即對榫接的拉力通過這種摩擦夾持的方法加載。這種加載方式可以 很好地模擬葉片離心力的受力形式，保持葉片上的低頻離心大載荷保真地向榫接傳遞。
采用高頻感應加熱器控制高溫感應加溫線圈，實現對渦輪盤的局部加溫。
本發明一種渦輪盤/葉片榫接高溫復合疲勞加載方法，通過改變低周載荷的傳遞路線，將 低周載荷的施力點后移，這樣在保證高頻振動小載荷順利傳遞到榫接并沿各榫齒合理分布應 力的同時，巧妙地解決了高低周載荷的相互干擾問題。高溫復合疲勞載荷是在低周載荷基礎 上疊加高周載荷譜，高、低周載荷同時施加，且在試驗開始前先進行加溫并保持40分鐘。 該方法具體步驟如下 (1)高溫的施加
加溫系統主要由高頻感應加熱爐、指針式電位差毫伏計、熱電偶、計算機系統等組成。 采用高頻感應加熱器，在輪盤試驗榫槽周圍局部加熱，熱電偶測溫。使用該方法，在工作電
壓電流不大的情況下，十分鐘即可加至550°C±10°C,并保持恒溫，沿榫槽厚度方向基本上 無溫度梯度。防止高頻感應加熱爐在加溫一段時間后出現電壓電流漂移造成加溫不穩定的現 象，建立了一套自動加溫系統，實現由微機進行溫度控制。熱電偶輸出溫度信號由放大器后 經A/D轉換，由計算機進行數據采集，運算處理后輸出偏差量，經D/A轉換、放大器放大后， 控制高頻爐的溫度輸出調節系統，使高頻爐的功率輸出在程序設定的數值附近變化，從而使試件上的溫度控制在試驗要求的溫度范圍內。目前的控制精度為士5-10。C，高頻率的最高功 率輸出為60KW。
(2) 低周載荷的施加
低頻離心大載荷由可進行發動機渦輪盤全尺寸低周疲勞試驗的菲力輪試驗器產生，計算 機中的程序控制電液伺服閥，通過試驗器上的液壓作動筒同步加載到低周載荷加力機構上， 而后通過傳力頂板和葉片夾具上的承力凸耳、傳力主拉力板和傳力圓棒上的兩對滾動軸承推 加到葉片夾具上，利用葉片夾具和渦輪葉片型面襯片間的摩擦力傳遞到渦輪葉片上，從而順 利傳遞到渦輪盤/葉片榫接處。可采用多個液壓缸對渦輪盤進行多軸同步加載，模擬渦輪盤實
際工作狀態。試驗器可對直徑不超過500mm的輪盤進行試驗，至多可安裝38個作動筒，每 個作動筒均可施加0-100KN無級可調的載荷，位置可在360度范圍內任意確定。電液伺服系 統是實時控制改變液壓載荷的主要部件，用計算機控制可實現梯形波、三角波等載荷譜波形。 該系統的額定壓力210Kg/cm2，流量Q=60L/min，供油掛力范圍0-210 Kg/cm2，額定電流 I二士30mA，頻率特性小于60Hz，流量允差士10。/。Q，要求供油過濾精度10-15pm。
(3) 高周載荷的施加
高頻振動小載荷由電磁激振器提供，包括50Hz和100Hz兩種頻率，用變頻器實現不同 振動頻率的改變。激振點距渦輪葉片根部約255mm，激振點處的全振幅用ZZF6-1型電渦流 式位移振幅測量儀測定。振動頻率為50Hz時保持激振器間隙為8mm，這時，激振點全振幅 為5mm;振動頻率為100Hz時保持間隙為4mm，激振點全振幅為2.5mm。這樣，振動載荷 通過高周載荷傳遞板施加到葉片夾具上，從而順利地傳到渦輪盤/葉片的榫接處。標定結果表 明兩種頻比下傳至榫槽第一榫齒上的振動載荷基本相同。 3、優點及功效
本發明將高頻振動小載荷傳遞過程中產生的滑動摩擦轉變為滾動摩擦，減小了阻力，從 而順利地將高周載荷傳遞到榫槽/榫齒處且動態標定結果表明沿各榫齒應力分布合理，它巧妙 地解決了高低周載荷的相互干擾問題，使渦輪盤/葉片榫接的應力符合真實工作狀態。試驗實 例再現了渦輪盤榫接外場故障模式，得到的壽命與外場壽命一致。本發明對于確保航空發動 機渦輪部件的安全可靠工作具有重要意義。
圖1為本發明加載裝置的主視圖 圖2為本發明加載裝置的左視圖 圖3為本發明驗證試驗用的載荷譜圖中符號說明如下
1.低周載荷上加力機構2.上傳力銷釘 3.傳力主拉力板 4.壓緊螺栓1
5.葉片夾具 6.左傳力頂板 7.高頻感應加溫圈 8.滾動軸承1 9.
傳力圓棒 10.右傳力頂板 ll.渦輪盤 12.滾動軸承2 13.渦輪葉片
14.壓緊螺栓2 15.高周載荷傳遞板 16.激振點 17.低周載荷下加力機構 18. 下傳力銷釘 19.激振器
F載荷(噸)；t(S)時間(秒)；O-A-B-C低周載荷譜，梯形波；P高周循環；T溫
度(度)。 具體實施例方式
見圖l、圖2、圖3所示，本發明一種渦輪盤/葉片榫接高溫復合疲勞加載方法及其裝置，
具體實施如下
本發明一種渦輪盤/葉片榫接高溫復合疲勞加載裝置，該裝置由低周載荷上加力機構1、
上傳力銷釘2、傳力主拉力板3、壓緊螺栓4、葉片夾具5、左傳力頂板6、高頻感應加溫圈7、 滾動軸承8、傳力圓棒9、右傳力頂板IO、滾動軸承12、、壓緊螺栓14、高周載荷傳遞板15、 低周載荷下加力機構17、下傳力銷釘18、激振器19組成。
低周載荷上加力機構1與傳力主拉力板3通過上傳力銷釘2相連；傳力主拉力板3與傳 力圓棒9通過一對滾動軸承8相連；左、右傳力頂板6、 10的下端套裝在傳力圓棒9上，上 端與葉片夾具5的承力凸耳通過一對滾動軸承12連接；每個承力凸耳分成兩半，分別與上、 下葉片夾具5鑄成一體；葉片夾具5的上、下兩片內腔分別按試驗渦輪葉片13的葉盆和葉背 型面數據進行精確的數控加工，并通過四個壓緊螺栓4與渦輪葉片13進行連接；渦輪盤ll 通過下傳力銷釘18與低周載荷下加力機構17相連，低周載荷下加力機構17固定在疲勞試驗 機上；高周載荷傳遞板15通過六個壓緊螺栓14與上葉片夾具5相連；激振器19位于高周載 荷傳遞板15的上方一側。
本發明一種渦輪盤/葉片榫接高溫復合疲勞加載方法，通過改變低周載荷的傳遞路線，將 低周載荷的施力點后移，這樣在保證高頻振動小載荷順利傳遞到榫接并沿各榫齒合理分布應 力的同時，巧妙地解決了高低周載荷的相互干擾問題。高溫復合疲勞載荷是在低周載荷基礎 上疊加高周載荷譜，高、低周載荷同時施加，且在試驗開始前先進行加溫并保持40分鐘。該 方法具體步驟如下
(1)高溫的施加
加溫系統主要由高頻感應加熱爐、指針式電位差毫伏計、熱電偶、計算機系統等組成。 采用高頻感應加熱器，在輪盤試驗榫槽周圍局部加熱，熱電偶測溫。使用該方法，在工作電 壓電流不大的情況下，十分鐘即可加至550°C±10°C，并保持恒溫，沿榫槽厚度方向基本上
7無溫度梯度。防止高頻感應加熱爐在加溫一段時間后出現電壓電流漂移造成加溫不穩定的現象，建立了一套自動加溫系統，實現由微機進行溫度控制。熱電偶輸出溫度信號由放大器后經A/D轉換，由計算機進行數據采集，運算處理后輸出偏差量，經D/A轉換、放大器放大后，控制高頻爐的溫度輸出調節系統，使高頻爐的功率輸出在程序設定的數值附近變化，從而使試件上的溫度控制在試驗要求的溫度范圍內。目前的控制精度為士5-10'C，高頻率的最高功率輸出為60KW。
(2)低周載荷的施加-.
低頻離心大載荷由可進行發動機渦輪盤全尺寸低周疲勞試驗的菲力輪試驗器產生，計算機中的程序控制電液伺服閥，通過試驗器上的液壓作動筒同步加載到低周載荷上加力機構1，而后通過左、右傳力頂板6、 10和葉片夾具5上的承力凸耳、傳力主拉力板3和傳力圓棒9上的兩對滾動軸承8、 12推加到葉片夾具5上，利用葉片夾具5和渦輪葉片13型面襯片間的摩擦力傳遞到渦輪葉片13上，從而順利傳遞到渦輪盤/葉片榫接處。可采用多個液壓缸對渦輪盤進行多軸同步加載，模擬渦輪盤實際工作狀態。試驗器可對直徑不超過500mm的輪盤進行試驗，至多可安裝38個作動筒，每個作動筒均可施加0-100KN無級可調的載荷，位置可在360度范圍內任意確定。電液伺服系統是實時控制改變液壓載荷的主要部件，用計算機控制可實現梯形波、三角波等載荷譜波形。該系統的額定壓力210Kg/cm2，流量Q=60L/min，供油掛力范圍0-210 Kg/cm2，額定電流^士30mA，頻率特性小于60Hz，流量允差土10。/。Q，要求供油過濾精度10-15pm。(3)高周載荷的施加
高頻振動小載荷由激振器19提供，包括50Hz禾Q lOOHz兩種頻率，用變頻器實現不同振動頻率的改變。激振點16距渦輪葉片13根部約255mm，激振點16處的全振幅用ZZF6-1型電渦流式位移振幅測量儀測定。振動頻率為50Hz時保持激振器間隙為8mm，這時，激振點16全振幅為5mm;振動頻率為100Hz時保持間隙為4mm，激振點16全振幅為2.5mm。這樣，振動載荷通過高周載荷傳遞板15施加到葉片夾具5上，從而順利地傳到渦輪盤/葉片的榫接處。標定結果表明兩種頻比下傳至榫槽第一榫齒上的振動載荷基本相同。
8
權利要求
1、一種渦輪盤/葉片榫接高溫復合疲勞加載裝置，其特征在于該裝置由低周載荷上加力機構、低周載荷下加力機構、上傳力銷釘、下傳力銷釘、傳力主拉力板、左傳力頂板、右傳力頂板、傳力圓棒、葉片夾具、滾動軸承、滾動軸承、壓緊螺栓、壓緊螺栓、高周載荷傳遞板、高頻感應加溫圈、激振器組成；低周載荷上加力機構與傳力主拉力板通過上傳力銷釘相連；傳力主拉力板與傳力圓棒通過一對滾動軸承相連；左、右傳力頂板的下端套裝在傳力圓棒上，上端與葉片夾具的承力凸耳通過一對滾動軸承連接；每個承力凸耳分成兩半，分別與葉片夾具上、下兩片鑄成一體；葉片夾具的上、下兩片內腔分別按試驗渦輪葉片的葉盆和葉背型面數據進行精確的數控加工，并通過四個壓緊螺栓與渦輪葉片進行連接；渦輪盤通過下傳力銷釘與低周載荷下加力機構相連，低周載荷下加力機構固定在疲勞試驗機上；高周載荷傳遞板通過六個壓緊螺栓與葉片夾具相連；激振器位于高周載荷傳遞板的上方一側。
2、 一種渦輪盤/葉片榫接高溫復合疲勞加載方法，通過改變低周載荷的傳遞路線，將低周 載荷的施力點后移，這樣在保證高頻振動小載荷順利傳遞到榫接并沿各榫齒合理分布應力的 同時，解決了高低周載荷的相互干擾問題；高溫復合疲勞載荷是在低周載荷基礎上疊加高周 載荷譜，高、低周載荷同時施加，且在試驗開始前先進行加溫并保持40分鐘；其特征在于 該方法具體步驟如下 (1)高溫的施加加溫系統主要由高頻感應加熱爐、指針式電位差毫伏計、熱電偶、計算機系統等組成； 采用高頻感應加熱器，在輪盤試驗榫槽周圍局部加熱，熱電偶測溫；使用該方法，在工作電 壓電流不大的情況下，十分鐘即可加至550°C±10°C，并保持恒溫，沿榫槽厚度方向基本上 無溫度梯度；防止高頻感應加熱爐在加溫一段時間后出現電壓電流漂移造成加溫不穩定的現 象，建立了一套自動加溫系統，實現由微機進行溫度控制；熱電偶輸出溫度信號由放大器后 經A/D轉換，由計算機進行數據采集，運算處理后輸出偏差量，經D/A轉換、放大器放大 后，控制高頻爐的溫度輸出調節系統，使高頻爐的功率輸出在程序設定的數值附近變化，從 而使試件上的溫度控制在試驗要求的溫度范圍內；目前的控制精度為土5-l(TC，高頻率的最 高功率輸出為60KW;(2)低周載荷的施加低頻離心大載荷由可進行發動機渦輪盤全尺寸低周疲勞試驗的菲力輪試驗器產生，計算 機中的程序控制電液伺服閥，通過試驗器上的液壓作動筒同步加載到低周載荷加力機構上，而后通過傳力頂板和葉片夾具上的承力凸耳、傳力主拉力板和傳力圓棒上的兩對滾動軸承推 加到葉片夾具上，利用葉片夾具和渦輪葉片型面襯片間的摩擦力傳遞到渦輪葉片上，從而順 利傳遞到渦輪盤/葉片榫接處；采用多個液壓缸對渦輪盤進行多軸同步加載，模擬渦輪盤實際 工作狀態；試驗器可對直徑不超過500mm的輪盤進行試驗，至多可安裝38個作動筒，每個 作動筒均可施加0-100KN無級可調的載荷，位置可在360度范圍內任意確定；電液伺服系統是實時控制改變液壓載荷的主要部件，用計算機控制可實現梯形波、三角波等載荷譜波形；該系統的額定壓力210Kg/cm2，流量Q-60L/min，供油掛力范圍0-210 Kg/cm2，額定電流 I=±30mA，頻率特性小于60Hz，流量允差±10%0，要求供油過濾精度10-15pm; (3)高周載荷的施加高頻振動小載荷由電磁激振器提供，包括50Hz和100Hz兩種頻率，用變頻器實現不同 振動頻率的改變；激振點距渦輪葉片根部約255mm，激振點處的全振幅用ZZF6-1型電渦流 式位移振幅測量儀測定；振動頻率為50Hz時保持激振器間隙為8mm，這時，激振點全振幅 為5mm;振動頻率為100Hz時保持間隙為4mm，激振點全振幅為2.5mm;這樣，振動載荷 通過高周載荷傳遞板施加到葉片夾具上，從而順利地傳到渦輪盤/葉片的榫接處；標定結果表 明兩種頻比下傳至榫槽第一榫齒上的振動載荷基本相同。
全文摘要
一種渦輪盤/葉片榫接高溫復合疲勞加載裝置，它由低周載荷加力機構、傳力銷釘、傳力主拉力板、傳力頂板、傳力圓棒、葉片夾具、滾動軸承、壓緊螺栓、高周傳遞板、高頻加溫圈、激振器組成。低周載荷加力機構與傳力主拉力板通過傳力銷釘相連；傳力主拉力板與傳力圓棒通過滾動軸承相連；傳力頂板的下端套裝在傳力圓棒上，上端與葉片夾具的承力凸耳通過滾動軸承連接；葉片夾具通過壓緊螺栓與渦輪葉片進行連接；渦輪盤通過傳力銷釘與低周載荷加力機構相連；高周傳遞板通過壓緊螺栓與葉片夾具相連；激振器位于高周載荷傳遞板的上方一側。加載方法將低周載荷的施力點后移，使得高周小載荷順利傳到榫接處且沿榫齒應力分布合理，解決了復合載荷的相互干擾。
文檔編號G01N3/32GK101464240SQ20091007635
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月14日 優先權日2009年1月14日
發明者侯貴倉, 王榮橋, 申秀麗, 胡殿印 申請人:北京航空航天大學