CN105229443A - 低周疲劳或低周及多周期疲劳试验设备 - Google Patents

Abstract

用于低周疲劳以及可能地将低周和多周期结合的疲劳试验的试验设备(100)，该试验设备用于模拟涡轮机部件的承压件，所述试验设备包括支撑构件(126)和试件(110)，支撑构件固定至结构(108)并且限定出至少一个支承表面(148)，试件连接至牵引装置(104)以便迫使试件压靠所述构件的所述支承表面或每个所述支承表面，所述支承表面或每个所述支承表面(148)由元件(136)承载，所述元件被安装成使得其能够在支撑构件上绕第一轴线(B)旋转，并且试件通过绕第二轴线(A)铰接地装置(114)连接至牵引装置，第二轴线大体上垂直于第一轴线，该设备还包括用于绕上述轴线将元件和试件调节和固定就位的装置。

Description

低周疲劳或低周及多周期疲劳试验设备

技术领域

本发明涉及一种低周疲劳试验设备和可选地将低周和高周结合的疲劳试验设备，该疲劳试验设备用于模拟涡轮发动机部件的支承件，例如压靠转子盘片的凹槽接触表面的至少一个叶片根部。

背景技术

涡轮发动机转子盘片在其外周上包括凹槽的环形阵列，例如呈楔型的叶片根部装配在所述凹槽中以形成转子轮。在操作期间，叶片受到离心力，并且其根部压靠盘片中的凹槽的横向接触表面。叶片还受到与气动力(aerodynamicforces)相关的振动，该振动导致叶片根部与盘片之间的相对滑动。所述负载影响叶片-盘片附连件(attachments)的使用寿命。

叶片-盘片附连件的使用寿命的分析基于接触对所计算的应力和使用寿命的影响所做的复杂的计算。对于预测使用寿命的计算可以借助于完整的数字模型进行。所实施的模型的复杂度取决于所需的输入数据。模型规定叶片-盘片接触时所经历的应力范围与用于引发相应的裂纹(crack)的循环次数之间的相关度。

鉴于这个分析，有必要设计一种能够在实验室条件下模拟受到低周疲劳(LCF)载荷或将低周疲劳和高周疲劳(HCF)结合的载荷的叶片-盘片接触的试验。试验设备应当能够借助于实验来确定叶片-盘片接触的使用寿命。这个实验数据随后将用于设定数字方法以用于确定实际部件的使用寿命，对于实际部件而言不可能借助于实验的方式来确定使用寿命。

在现有技术中，低周疲劳试验设备各自包括支撑构件和试件，支撑构件固定至框架并且限定至少一个支承表面，试件连接至用于对试件加载的牵引装置，使得试件压靠构件的所述支承表面或构件的每个支承表面。

然而，具体地由于在试验开始时以及试验的整个持续过程中并不能保证部件之间的接触的均一性，因此所述试验设备并不能完全满足条件，并且这会曲解(distort)用于评估使用寿命的计算。此外，所述试验设备中的支撑构件和试件体积相对庞大。再者，难以为所述试验设备配备测量和控制器具，并且难以轻易地接近所述器具。最后，所述试验设备并不是一直允许关于部件的工业应用进行非常有代表性的评估。

本发明的目的具体地在于提供上述问题中的至少一些问题的简单、有效且经济的解决方案。

发明内容

本发明提出了一种低周及可选地将低周与高周结合的疲劳试验设备，该疲劳试验设备用于模拟涡轮发动机部件的支承件，例如压靠转子盘片的凹槽接触表面的至少一个叶片根部，所述试验设备包括支撑构件和试件，所述支撑构件固定至框架并且限定出至少一个支承表面，所述试件被连接至用于对所述试件加载的牵引装置，使得所述试件压靠所述构件的所述支承表面或每个所述支承表面，其特征在于，所述支承表面或每个所述支承表面由元件支撑，所述元件被安装成绕第一轴线在支撑构件上旋转；并且在于，试件通过绕第二轴线的用于铰接的装置连接至牵引装置，该第二轴线大体上与第一轴线垂直；以及在于，试验设备还包括用于绕上述轴线将所述元件和所述试件调节和锁定就位的装置。

根据本发明，元件相对于支撑构件具有自由度，并且试件相对于牵引装置具有自由度。这两个自由度特别有利，因为可以对试件和由支撑构件支撑的元件的相对位置进行精确地调整以便确保试件确实能够压靠支撑构件的所述支承表面或每个所述支承表面。一旦试件和元件被正确地定位，试件和元件会锁定在这些位置，使得试件和元件在试验开始时保持在所述位置。因此，本发明完美地确保了试验开始时的均匀接触。

由于框架和牵引装置可以是现有技术中使用的那些，因此根据本发明的试验设备可以适用于公知技术。

优选地，元件包括大体上为圆柱形的外表面，该外表面与大体上与支撑构件互补的表面配合以引导元件绕第一轴线旋转。

用于锁定元件的装置和/或试件例如是螺栓型的。

用于锁定元件的装置可以包括至少一个螺栓，该至少一个螺栓旋拧到元件中的螺纹孔中并且穿过支撑构件中的开口，当螺栓被拧紧时，螺栓的头部意在压靠支撑构件以便将元件固定就位，并且开口具有大体上细长的形状以便当螺栓插入到元件中的孔中而未被拧紧时允许元件绕第一轴线的角位移。

有利地，元件由构件的中间部分支撑，该构件的中间部分通过至少一个第一臂连接至基座，所述基座固定至框架，所述第一臂以如下方式倾斜：使得其定向成大体上垂直于元件的支承表面。因此，第一臂大体上与施加至由元件限定的支承表面的剪切力共线或正切。这使得能够限制支撑构件在试验期间变形的风险。

中间部分可以通过至少一个第二臂连接至大体上与基座平行的横杆，所述第二臂以如下方式倾斜使得：其大体上平行于由元件限定的支承表面的法线。因此，第二臂大体上平行于施加至元件的支承表面的法向力。这还使得能够限制支撑构件在试验期间变形的风险，并且大大地减小了部件接触的未对准风险。因此本发明使得能够在试验的整个持续期间维持部件的接触。

支撑构件可以包括两个元件，所述两个元件被安装成绕第一轴线、分别在构件的两个中间部分上旋转，所述第一轴线彼此平行并且距离彼此一定距离，所述元件包括支承表面，该支承表面用于模拟转子轮的两个相邻的叶片根部的部分。换句话说，试验设备能够模拟两个叶片-盘片接触。

在本发明的一个实施例中，构件的中间部分分别通过两个第二臂各自连接至两个平行的横杆，横杆、第一臂和第二臂、中间部分以及构件的基座形成为一件，并且试件在组装位置在所述横杆之间穿过。

在高周疲劳试验期间，支撑构件可以通过具有挠性中间部分的I形部件连接至框架，并且试件可以连接至振动叶片的一端，振动叶片的另一端通过具有挠性中间部分的另一I形部件连接至牵引装置，使得试件和支撑构件支撑在位于设备的第一振动模式的振动节的区域所在的区域中。

支承区域的所述位置使得在限制组件的运动的同时能够确保部件在接触区域中的最大滑动。这使得试验设备能够配备有多个器具特别是摄像机以用于观察支承区域。

附图说明

根据阅读通过非限制性示例的方式并且参照附图所给出的以下描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征以及优点将变得很明显，在附图中：

-图1是凹槽中的叶片根部在涡轮发动机的转子盘片中的附连件的非常示意性的视图，

-图2是根据本发明的低周疲劳试验设备的局部示意性透视图，并且示出了该设备的试件和支撑构件，

-图3是图2的支撑构件和试件的半视图，

-图4是由图2的支撑构件支撑的元件中的一个元件的示意性透视图，

-图5是图2的试件的示意性透视图，

-图6是图2的试件和支撑构件的元件中的一个元件之间的支承区域的非常示意性的视图，

-图7是支撑构件的部分的非常示意性的视图并且示出了该构件的倾斜臂，

-图8是根据本发明的低周和高周疲劳试验设备的示意性透视图，以及

-图9是示出了试件与支撑构件之间的支承区域关于设备的第一振动模式的位置的示图。

具体实施方式

首先参考图1，图1示意性地示出了涡轮发动机的叶片-盘片附连件，叶片10包括根部12，该根部12被插入转子盘片16的外周中的凹槽14中，该盘片包括这种类型的凹槽14的环形阵列以用于容纳叶片根部。由盘片16和叶片10形成的组件形成涡轮发动机的转子轮。在这种情况下，根部12呈楔型。盘片16中两个相邻的凹槽14通过齿15彼此分隔开，齿15位于图1中部分示出的叶片的根部12的两侧上。

在操作期间，叶片10受到离心力(箭头18)并且其轮叶具有摆动(箭头20)的倾向，从而导致叶片根部12的横向部分压靠盘片中的凹槽14的横向接触表面22并且抵靠盘片中的凹槽14的横向接触表面22滑动。箭头24示出了施加至面向叶片的根部12和凹槽14的表面的法向力，并且箭头26表示施加至所述表面的剪切力。

图2至图7示出了根据本发明的试验设备的实施例，该试验设备被设计成模拟受到低周疲劳(LCF)载荷以及将低周疲劳和高周疲劳(HCF)结合的载荷的两种叶片-盘片接触，以便利用实验来确定所述接触的使用寿命。

试验设备100大体上包括两个部分：第一部分102和第二部分106，第一部分102连接至牵引装置104并且用于模拟转子盘片的齿，第二部分106连接至固定框架108并且用于模拟两个叶片根部与所述齿接合的部分。

第一部分102包括试件110，该试件110安装在叶片112的一端处，而叶片112的另一端连接至牵引装置104。所述牵引装置104例如包括致动器，致动器的杆的自由端连接至叶片112，并且致动器的圆筒由试验设备的固定部分支撑。优选地，该致动器定向成与叶片112平行，使得牵引力与叶片112的纵向轴线平行。

试件110被铰接在由叶片112的端部所支撑的轴114上，以便能够使试件绕轴线A旋转，该轴线A大体上垂直于叶片112的纵向轴线并且平行于图3的附图平面。在图5中所示的示例中，试件110包括U形基座，该U形基座包括距离彼此一定距离的两个平行的腿部116，叶片112的平坦端部插入到所述腿部之间并且支撑所述轴114，轴114的端部容纳在腿部116中的孔中并且在腿部116的孔中旋转地滑动。试件110可以绕轴线A在大约几十度的角度范围内旋转。

试件110的腿部116中的至少一个包括螺纹通孔118，该螺纹通孔118用于安装螺栓(未示出)以防止试件110旋转。所述螺栓的自由端用于抵靠叶片112的端部并且绕轴线A将试件110固定就位到预定位置。

试件110还包括成形为盘片齿且连接至上述基座的部分，该部分模拟盘片中的两个相邻的凹槽的部分。该部分具有一般的楔形形状并且包括两个横向面，这两个横向面被成形以模拟盘片中的两个相邻的凹槽的接触表面120、122。所述接触表面120、122中的每个都包括相对平面的支承表面124(图6)。

试验设备100的第二部分106包括支撑构件126，该支撑构件126包括基座128和两个横杆130，基座128被固定至框架108，两个横杆130彼此平行且平行于基座并且距离彼此一定距离，所述杆130通过臂132、134连接至基座，臂132、134支撑试件110的支承元件136。

基座128具有平行六面体形状，并且优选地以平坦的方式固定在框架108上的水平位置。该基座通过两个相对的端部连接至第一臂132的下端，第一臂132的上端连接至中间部分138以用于支撑支承元件136，该中间部分138连接至第二臂134的下端，第二臂134的上端连接至横杆130的端部。

在所示的示例中，每个中间部分138都是圆柱形部分并且包括朝构件126的内部定向的圆柱形内表面部分140和朝构件的外部定向的圆柱形外表面部分142。

存在两个第一臂132或下臂，每个臂132将基座128的端部连接至中间部分138的下端。如下面将更详细地进行说明的，该臂132具体地相对于基座128倾斜。

存在四个第二臂134或上臂，每个中间部分138通过一对第二臂134连接至横杆130的第一端部，第一端部的相对端部通过另一对第二臂134连接至其他的中间部分138。每对第二臂134彼此平行并且距离彼此一定距离，每个横杆130和连接至该杆的第二臂134大体上位于同一平面。该臂134相对于基座128倾斜且相对于杆130倾斜。

元件136被安装成以便能够分别绕平行轴线B在中间部分138的内部柱面140上旋转，该轴线B大体上垂直于轴线A，即，大体上垂直于图3中的附图平面。

可以更容易地从图4中看出，每个元件136包括大体上为圆柱形的外表面144，该圆柱形的外表面144与相应的中间部分138的上述内表面140互补，使得元件136可以绕轴线B相对于构件旋转地滑动。每个元件136还包括支承垫146，该支承垫146包括用于压靠试件110的上述表面124中的一个的平坦表面148。可以绕相应的轴线B来调整每个元件136的位置并且每个元件136的位置可以利用被旋拧到元件中的螺纹孔150中的螺栓(未示出)来锁定。所述螺栓意在穿过构件的中间部分138中的开口152，开口152呈细长状，开口152的延伸轴线大体上垂直于轴线B。螺栓从构件的外部插入到开口和元件的螺纹孔中，螺栓的头部意在压靠中间部分138的外表面142以便托住(hold)元件136。

在图2和图3所示的组装位置中，试件110以如下方式在构件126的横杆130之间延伸：使得叶片112沿着与基座相对的方向延伸。试件110的表面124意在压靠元件136的表面148。

如可以在图6中看出，当组装时，所述表面124、148可以彼此间隔一少量的间隙(play)并且可以按照使它们彼此不能完全接触的程度使所述表面124、148相对于彼此稍微倾斜。

利用试件110和元件136分别绕轴线A和轴线B的两个自由度来克服这个缺点，这能够精确地调节试件与元件的相对位置并且能够确保支承表面124、148在试验开始时实际上彼此接触。一旦调节了所述位置，试件和元件利用上述螺栓被锁定。

如可以在图7中看出，每个第一臂132大体上与施加至相应的元件136的表面148上的法向力(箭头154)平行，并且每个第二臂134大体上与施加至所述表面的剪切力(箭头156)平行。这能够限制构件在使用中的变形并确保在试验的整个持续时间内保持元件与试件之间的接触。

图8示出了根据本发明的试验设备200的变型，在这种情况下，该试验设备200被设计成模拟受到低周疲劳(LCF)载荷和高周疲劳(HCF)载荷的两个叶片-盘片接触。

试验设备200具有设备100的所有上述特征并且附加地具有以下特征。

构件126利用I形部件158固定至框架。该部件158包括两个平行、大体上为平行六面体的实心块160，实心块160通过与所述块垂直的挠性壁162相互连接。构件126的基座128应用并固定至块160中的一个上，第二个块固定至框架108。

叶片112利用另一I形部件164固定至牵引装置，该I形部件164大体上与第一个块160相同。所述部件164的块166中的一个固定至叶片112的一端(与试件110相对)上，并且另一个块166连接至牵引装置。I形部件的挠性壁162、168大体上共平面。

试验设备200包括激励装置，例如振动器，该激励装置例如在块166连接至该叶片的区域中压靠连接至叶片112的I形部件164，以使叶片112振动。

图9示意性地示出了试验设备200和该设备的第一振动模式170。如该附图所示，有利地，试件110和由构件126支撑的元件136的支承表面位于所述第一模式的振动节(vibrationknot)172的区域中，以便激励叶片112使其具有大幅度，并且在对由试件110和构件126形成的组件的运动进行限制的同时使试件与构件之间的相对运动(滑动)最大化。

Claims (9)

1.低周以及可选地高周疲劳试验设备(100)，用于模拟涡轮发动机部件的支承件，例如压靠转子盘片的凹槽接触表面的至少一个叶片根部，所述试验设备包括支撑构件(126)和试件(110)，所述支撑构件(126)固定至框架(108)并且限定出至少一个支承表面(148)，所述试件(110)连接至牵引装置(104)，所述牵引装置用于对所述试件加载，以使得所述试件(110)压靠所述构件的所述支承表面或每个所述支承表面，其特征在于，所述支承表面或每个所述支承表面(148)由元件(136)支撑，所述元件(136)被安装成绕第一轴线(B)在所述支撑构件上旋转，所述试件通过绕第二轴线(A)的用于铰接的装置(114)连接至所述牵引装置，所述第二轴线(A)大体上垂直于所述第一轴线，所述试验设备还包括用于绕上述轴线将所述元件和所述试件调节和锁定就位的装置。

2.根据权利要求1所述的试验设备(100)，其特征在于，所述元件(136)包括大体上为圆柱形的外表面(144)，所述外表面(144)与大体上与所述支撑构件(126)互补的表面(140)配合以引导所述元件绕所述第一轴线(B)旋转。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的试验设备(100)，其特征在于，用于锁定所述元件(136)的装置和/或所述试件(110)是螺栓型的。

4.根据权利要求3所述的试验设备(100)，其特征在于，用于锁定所述元件(136)的装置包括至少一个螺栓，所述至少一个螺栓被旋拧到所述元件中的螺纹孔(150)中并且穿过所述支撑构件(126)中的开口(152)，当所述螺栓被拧紧时，所述螺栓的头部压靠所述支撑构件以便将所述元件固定就位，并且所述开口具有大体上细长的形状以便当所述螺栓插入到所述元件中的孔中而未被拧紧时允许所述元件绕所述第一轴线(B)的角位移。

5.根据前述权利要求中任一项所述的试验设备(100)，其特征在于，所述元件(136)由所述构件(126)的中间部分(138)支撑，所述中间部分(138)通过至少一个第一臂(132)连接至基座(128)，所述基座(128)固定至所述框架(108)，所述第一臂以如下方式倾斜：使得所述第一臂被定向成大体上垂直于由所述元件限定的所述支承表面(148)。

6.根据权利要求5所述的试验设备(100)，其特征在于，所述中间部分(138)通过至少一个第二臂(134)连接至横杆(130)，所述横杆(130)大体上平行于所述基座(128)，所述第二臂以如下方式倾斜：使得所述第二臂大体上平行于由所述元件限定的所述支承表面(148)。

7.根据权利要求5或权利要求6所述的试验设备(100)，其特征在于，所述支撑构件(126)包括两个元件(136)，所述两个元件(136)被安装成绕所述第一轴线(B)、分别在所述构件的两个中间部分(138)上旋转，所述第一轴线(B)彼此平行并且距离彼此一定距离，所述元件包括支承表面(148)，所述支承表面(148)意在模拟转子轮的两个相邻的叶片根部的部分。

8.根据权利要求7所述的试验设备(100)，其特征在于，所述构件(126)的中间部分(138)分别通过两个第二臂(134)各自连接至两个平行的横杆(130)，所述横杆、所述第一臂和第二臂(132，134)、所述中间部分和所述构件的基座(128)形成为一件，并且所述试件(110)在组装位置在所述横杆之间穿过。

9.根据前述权利要求中任一项所述的试验设备(200)，其特征在于，所述支撑构件(126)通过具有挠性中间部分的I形部件(158)连接至所述框架(108)，并且所述试件(110)连接至振动叶片(112)的一端，所述振动叶片的另一端通过具有挠性中间部分的另一I形部件(164)连接至所述牵引装置(104)，使得所述试件和所述支撑构件在高周疲劳试验期间支撑在位于第一振动模式(170)的振动节(172)的区域所在的区域中。