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原文传递一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具及试验方法

专利名称：	一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具及试验方法
摘要：	本发明涉及一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具及试验方法，可用于涡轮叶片榫接结构的热机械疲劳、蠕变‑疲劳、低循环疲劳、蠕变等试验加载。本套夹具上下两端分别通过一个夹持构件与疲劳试验机相连接，夹持构件通过燕尾型榫接结构与涡轮叶片上下夹具相连接；涡轮叶片上夹具主要由两个构件组成，内有冷水通道，涡轮叶片安装在两构件形成的内腔中，通过伸根段的一对斜面实现与叶片上夹具的安装定位和轴向载荷的传递；下夹具由高温合金材料制成，通过纵树型榫槽与涡轮叶片榫头相配合，可使用感应加热线圈对叶片榫接结构进行加热。本发明实现了涡轮叶片的稳定夹持，并能够满足对榫接结构施加室温至500℃的温度载荷、0N至150kN机械载荷的试验要求。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	北京航空航天大学
发明人：	胡殿印;王荣桥;郝鑫奕;张斌;鄢林;曹福粱;毛建兴
专利状态：	有效
申请日期：	2019-09-20T00:00:00+0800
发布日期：	2019-12-31T00:00:00+0800
申请号：	CN201910892049.5
公开号：	CN110631933A
代理机构：	北京科迪生专利代理有限责任公司
代理人：	安丽;杨学明
分类号：	G01N3/32(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	100191 北京市海淀区学院路37号
主权项：	1.一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于，包括：顶端夹持构件(1)、限位挡板(2)、固定螺栓(3)、伸根夹具(4)、夹紧螺栓(5)、螺母(6)、涡轮叶片(7)、榫头子夹具(8)、榫头母夹具(9)、固定长螺栓(10)、底端夹持构件(11)和垫片(12)；顶端夹持构件(1)一端通过圆柱段与疲劳试验机相连，另一端通过燕尾型榫槽与伸根夹具(4)上端的燕尾型榫头相配合；两块限位挡板(2)通过固定螺栓(3)与顶端夹持构件(1)连接，限制伸根夹具(4)沿燕尾型榫槽滑动；两块伸根夹具(4)通过固定边配合实现相互定位，并由夹紧螺栓(5)和螺母(6)夹紧；涡轮叶片(7)通过的一对斜面与伸根夹具(4)(或垫片(12))相配合，叶片的榫头与榫头子夹具(8)上的榫槽相配合；榫头子夹具(8)通过过盈配合嵌入榫头母夹具(9)中；榫头母夹具(9)通过燕尾型榫头与底端夹持构件(11)上的燕尾型榫槽相配合；两块限位挡板(2)通过固定长螺栓(10)和螺母(6)与底端夹持构件(11)连接，限制榫头子夹具(8)沿燕尾型榫槽滑动；底端夹持构件(11)通过圆柱段与疲劳试验机相连；在伸根夹具(4)内部的斜配合面上可安装一对垫片(12)，垫片(12)与伸根夹具(4)和涡轮叶片(7)同时配合；伸根夹具(4)通过底部的冷却水孔通入冷却水进行冷却，涡轮叶片榫接结构通过电感加热铜线圈进行加热，即通过在榫头子夹具(8)周围缠绕感应线圈对涡轮叶片(7)的榫头部分进行加热。 2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于：所述涡轮叶片(7)的形成方法是：将真实涡轮叶片的叶冠及叶身切去，只保留叶片的伸根和榫头，在伸根段切割出一对与水平面所夹锐角在30°至35°范围内的V型斜面，将斜面下方的伸根材料和榫头材料去除，得到试验所需的涡轮叶片(7)，这样既为叶片创造了承载结构，又通过减小榫头横截面积的方式降低了试验所需的载荷。 3.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于：所述高温为500℃，最大载荷为150kN。 4.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于：所述涡轮叶片(7)通过伸根段的一对斜面与伸根夹具(4)(或垫片(12))相配合，同时涡轮叶片(7)通过纵树型榫头与榫头子夹具(8)上的纵树型榫槽相配合，叶片伸根、榫头的两组配合面的空间位置相互交错，从而在传递载荷的同时实现涡轮叶片(7)的定位。 5.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于：所述榫头子夹具(8)和榫头母夹具(9)由镍基变形高温合金材料制成，能够承受500℃的温度而无需冷却，从而模拟涡轮叶片榫接结构实际工况下的温度载荷。 6.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于：所述伸根夹具(4)底部有冷却水通道，伸根夹具(4)通过外接冷却水管使冷却水流过内部的水流通道对夹具进行冷却，以保证伸根夹具(4)能够承受500℃的高温试验条件。 7.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于：所述伸根夹具(4)、榫头母夹具(9)上的燕尾型榫头结构与顶端夹持构件(1)、底端夹持构件(11)上的燕尾型榫槽结构均采用独创多段圆弧式设计，即燕尾型榫头和榫槽的轮廓均由八段圆弧和五段直线构成，从而有效降低了榫头和榫槽的应力集中程度。 8.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验夹具，其特征在于：所述试验夹具利用通用的伸根夹具(4)和榫头母夹具(9)搭配专用的垫片(12)和榫头子夹具(8)，可以实现对不同尺寸、型号的涡轮叶片(7)的稳定夹持和载荷施加，对各种涡轮叶片(7)进行试验时，只需更换专用的垫片(12)和榫头子夹具(8)，从而降低了制造多套叶片试验夹具的原材料成本、加工成本和时间成本。 9.一种涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：试验夹具组装：所述试验夹具由顶端夹持构件(1)、限位挡板(2)、固定螺栓(3)、伸根夹具(4)、夹紧螺栓(5)、螺母(6)、涡轮叶片(7)、榫头子夹具(8)、榫头母夹具(9)、固定长螺栓(10)、底端夹持构件(11)和垫片(12)组成；将涡轮叶片(7)放入两块伸根夹具(4)之间的空腔中，使涡轮叶片(7)与(垫片(12)、垫片(12)与)伸根夹具(4)的斜面正确配合，并使两块伸根夹具(4)的定位边紧密贴合，用夹紧螺栓(5)和螺母(6)将两块伸根夹具(4)压紧固定；用疲劳试验机上夹头夹紧顶端夹持构件(1)上方的圆柱，将组装好的伸根夹具(4)推入顶端夹持构件(1)下方的榫槽中，用固定螺栓(3)将两块限位挡板(2)分别固定在顶端夹持构件(1)榫槽的两端；提前将榫头子夹具(8)压入榫头母夹具(9)中，然后将榫头子夹具(8)与涡轮叶片(7)的榫头相连接，将电感加热铜线圈套在榫头母夹具(9)外，将底端夹持构件(11)安装到榫头母夹具(9)下方的榫头上，用固定长螺栓(10)和螺母(6)将两块限位挡板(2)分别固定在底端夹持构件(11)榫槽的两端，用疲劳试验机下夹头夹紧底端夹持构件(11)下方的圆柱，最后检查以确保各配合面接触良好、各个螺栓连接紧密稳固，试验夹具组装完成；步骤2：服役条件模拟，选取涡轮叶片(7)榫头考核截面的若干测点，粘贴好应变片和热电偶，将应变片与应变仪相连；将冷水机的冷却水管与伸根夹具(4)底部的冷却水通道连接，通入冷却水；将安装在榫接结构外的电感加热铜线圈与高频炉连接，通过调节感应加热线圈的形状以及与涡轮叶片榫头考核截面的相对位置，使得榫头考核截面的温度场符合涡轮叶片工作状态的真实情况；步骤3：试验过程：在完成步骤2后进行涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验，载荷控制器控制疲劳试验机施加低周载荷，同时根据实时载荷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，进而控制高频感应加热炉实现对榫接结构的加温和降温；通过载荷控制器、温度控制器和高频感应加热炉的协调工作，疲劳载荷和与温度载荷同步的施加于涡轮叶片榫头的考核截面，实现涡轮叶片榫接结构的高温大载荷试验；当涡轮叶片榫头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。
所属类别：	发明专利