CN114720075B - 一种涡轮叶片缘板阻尼测试系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种涡轮叶片缘板阻尼测试系统，包括振动台、固定夹具、夹持夹具、涡轮叶片、缘板阻尼器、应变片、加速度传感器、钢索、定滑轮、力传感器、球铰链支座、杠杆、砝码，其中夹持夹具上设有匹配于涡轮叶片榫头形状的榫槽结构，涡轮叶片通过榫头装配安装在夹持夹具的榫槽结构内，涡轮叶片、夹持夹具、固定夹具和振动台组合成刚体，缘板阻尼器设置在相邻涡轮叶片缘板的结合处且与钢索相连接，钢索的另一端通过定滑轮与力传感器相连并进一步连接到杠杆上，杠杆的一端固定在球铰链支座上，杠杆的另一端挂装砝码，从而实现模拟离心力的加载，待测试的涡轮叶片的叶身表面贴有应变片，在相对于涡轮叶片的叶尖位置安装有加速度传感器。

Description

一种涡轮叶片缘板阻尼测试系统

技术领域

本申请属于航空发动机设计技术领域，特别涉及一种涡轮叶片缘板阻尼测试系统。

背景技术

在燃气涡轮发动机结构中，涡轮叶片处于流-固-热耦合的复杂工作环境中，对强度、寿命有很高的要求。处于非定常流场下的涡轮叶片，其激振因素与机匣、静子叶片、支板等均相关，极易诱发有害振动导致涡轮叶片高周疲劳失效。涡轮叶片因冷却需要，一般设有较长的伸根，一方面，该结构使涡轮叶片悬臂增长、刚性减弱，易诱发失效，另一方面，较充足的空间使在该部位设计缘板阻尼器可行性提高。缘板阻尼器可有效降低涡轮叶片振动响应，但是由于其复杂的接触状态和载荷环境，对缘板阻尼器阻尼效果的仿真精度一直有很大的局限性，结构设计主要依赖于工程经验。

由于涡轮叶片减振的新要求，亟待新的缘板阻尼器方案以降低涡轮叶片振动响应，提升叶片抗高周疲劳能力。因此急需一种低成本、高精度、易实现的涡轮叶片缘板阻尼效果测试系统，以支撑缘板阻尼器结构设计。

现有技术方面，如专利号为CN201710070743.X公开了《带缘板阻尼器结构涡轮叶片的减振试验装置》，又如专利号为CN201910964045.3公开了《一种旋转阻尼叶片振动磁激振模化试验装置》，但上述两种缘板阻尼器却存在如下缺点：

1)减振试验装置中，载荷采用弹簧加载，其模拟离心力随振幅波动，与涡轮叶片缘板阻尼器实际工作状态不一致，导致结果偏差；

2)减振试验装置中，榫槽模拟件上无法安装真实叶片，无法模拟缘板阻尼器与叶片伸根的接触状态，结构阻尼、缘板阻尼器阻尼状态与涡轮叶片真实工作状态不一致，导致结果偏差；

3)减振试验装置中，无法采用真实涡轮叶片，故无法对不同阻尼状态下叶片的振动响应进行测试；

4)旋转阻尼激振装置需要完整的涡轮盘和叶片，成本过高；

5)旋转阻尼激振装置受到引电器和激振源的影响，激振力调节范围窄，且无法准确、多点测量叶片的振动响应。

发明内容

本申请的目的是提供了一种涡轮叶片缘板阻尼测试系统，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

本申请的技术方案是：一种涡轮叶片缘板阻尼测试系统，所述测试系统包括振动台、固定夹具、夹持夹具、涡轮叶片、缘板阻尼器、应变片、加速度传感器、钢索、定滑轮、力传感器、球铰链支座、杠杆、砝码、动应力测试系统以及加速度测试系统，其中：

所述振动台提供缘板阻尼器振动所需的动力，所述固定夹具通过固定螺栓与振动台相固定；

所述固定夹具的侧边具有缺口，所述夹持夹具通过自锁螺栓固定设置在固定夹具的缺口处；

所述夹持夹具上设有匹配于涡轮叶片榫头形状的榫槽结构；

所述涡轮叶片通过榫头装配安装在夹持夹具的榫槽结构内，并通过自锁螺栓的预紧力使夹持夹具变形，实现对涡轮叶片的夹持，从而将涡轮叶片、夹持夹具、固定夹具和振动台组合成刚体；

所述缘板阻尼器设置在相邻涡轮叶片缘板的结合处，且缘板阻尼器与钢索相连接，所述钢索的另一端通过定滑轮与力传感器相连并进一步连接到杠杆上，所述杠杆的一端固定在球铰链支座上，杠杆的另一端挂装砝码，从而实现模拟离心力的加载；

待测试的涡轮叶片的叶身表面贴有应变片，所述应变片通过线缆连接至动应力测试系统，通过所述动应力测试系统得到应变片的应力测量值；

在相对于涡轮叶片的叶尖位置安装有加速度传感器，所述加速度传感器通过线缆与加速度测试系统相连，从而实现对涡轮叶片振动应力和振动响应的监测。

进一步的，每个所述榫槽结构的末端设有联通所述榫槽结构的弹性槽，通过所述弹性槽使得所述夹持夹具形成夹持涡轮叶片的弹性夹持结构。

进一步的，所述缘板阻尼器与钢索采用焊接的形式进行固定。

进一步的，所述应变片沿着涡轮叶片的叶身方向贴有多个。

进一步的，所述夹持夹具上设置的榫槽结构为三个或多个。

进一步的，当所述夹持夹具上的榫槽结构为三个或多个时，与所述榫槽结构相适配的涡轮叶片中处于中间位置或非边缘位置的涡轮叶片构成被测涡轮叶片，通过砝码加载的缘板阻尼器位于所述被测涡轮叶片的两侧，且所述加速度传感器对应于所述被测涡轮叶片的叶尖位置。

本申请的阻尼测试系统相对于现有技术来说，具有如下优点：

1)通过采用砝码加载、杠杆放大的加载力方式，载荷恒定无波动(载荷始终等于砝码重力)，能够有效模拟缘板阻尼器离心力，且容易实现；

2)采用真实榫槽结构的夹持夹具和真实的涡轮叶片，缘板阻尼器与涡轮叶片的接触状态与真实使用环境一致，试验模拟精度高；

3)采用真实的涡轮叶片，并采用动应力测试系统和加速度测试系统对叶片振动响应和振动应力水平进行测量，可获得定量的阻尼效果数据，数据可信度高；

4)使用模拟涡轮盘的夹持夹具，不需完整涡轮盘，涡轮叶片在试验后可继续使用，成本低；

5)使用振动台作为激振源，激振力调节范围广，且测试设备不受限制，可获得较多的试验数据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为本申请中典型涡轮叶片示意图。

图2为本申请的涡轮叶片缘板阻尼测试系统示意图。

图3为涡轮叶片配合状态示意图。

附图标记：

1-振动台

2-固定夹具

3-自锁螺栓

4-夹持夹具

5-涡轮叶片

6-缘板阻尼器

7-应变片

8-加速度传感器

9-钢索

10-定滑轮

11-力传感器

12-球铰链支座

13-杠杆

14-砝码

15-动应力测试系统

16-加速度测试系统

17-固定螺栓

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

为了解决现有技术中的阻尼测试装置载荷环境模拟不准确、接触状态模拟不真实，无法使用真实涡轮叶片进行测试等问题，本申请中提供了一种新型的涡轮叶片缘板阻尼测试系统。

如图1所示为典型的涡轮叶片结构示意图，涡轮叶片1的叶身下端具有缘板11，缘板11的下端为伸根12及榫头，榫头用于与轮盘2的榫槽21配合，而伸根12则用于连接叶身与榫头。缘板阻尼器通常位于缘板11位置处，以降低涡轮叶片振动响应，提升叶片抗高周疲劳能力。

如图2所示，为了验证带缘板阻尼器的涡轮叶片阻尼效果测试，本申请提供的涡轮叶片缘板阻尼测试系统，其主要包含以下部件：振动台1、固定夹具2、夹持夹具4、涡轮叶片5、缘板阻尼器6、应变片7、加速度传感器8、钢索9、定滑轮10、力传感器11、球铰链支座12、杠杆13、砝码14、动应力测试系统15以及加速度测试系统16。

振动台1提供缘板阻尼器6振动所需的动力，固定夹具2通过固定螺栓17与振动台1相固定。

固定夹具2的侧边设有缺口，夹持夹具4通过自锁螺栓3固定设置在固定夹具2的缺口处。

夹持夹具4上设有匹配于涡轮叶片榫头形状的榫槽结构，且在每个榫槽结构的末端设有一联通该榫槽结构的弹性槽41。

涡轮叶片5的榫头与夹持夹具4的榫槽结构进行装配，并通过自锁螺栓3的预紧力使夹持夹具4变形，实现对涡轮叶片5的夹持，从而将涡轮叶片5、夹持夹具4、固定夹具2和振动台1组合成刚体。

缘板阻尼器6设置在相邻涡轮叶片缘板的结合处，其与钢索9相连接，通常情况下可以采用焊接的形式进行固定。钢索9的另一端通过定滑轮10与力传感器11相连，并进一步连接到杠杆13上，杠杆13一端固定在球铰链支座12上，另一端挂装砝码14，从而实现模拟离心力的加载。

待测试的涡轮叶片5的叶身表面贴有应变片7，优选的，沿着涡轮叶片叶身方向贴有多个应变片。应变片7通过线缆连接至动应力测试系统15，通过动应力测试系统15可以得到应变片7的应力测量值。在涡轮叶片5的叶尖附近安装有测量叶尖运动的加速度传感器8，加速度传感器8通过线缆与加速度测试系统16相连，从而实现对涡轮叶片振动应力和振动响应的监测。

在本申请优选实施例中，夹持夹具4上的榫槽结构为三个或多个，使得与该榫槽结构相配合的涡轮叶片5的数量也为三个或多个，而在三个或多个涡轮叶片5中，处于中间位置或非边缘位置的涡轮叶片5构成被测对象，被测涡轮叶片5两侧的缘板阻尼器6被钢索9等结构进行载荷加载。同时，应变片7粘接在该被测涡轮叶片5上，加速度传感器8对准该被测涡轮叶片5的叶尖位置。

测试系统工作时，首先根据上述部件的装配关系进行安装；之后根据涡轮叶片5的转速计算得到其离心力大小进而选择合适数量的砝码14，实现缘板阻尼器6与涡轮叶片5的缘板接触面的接触压力模拟。通过振动台1对涡轮叶片5施加振动激励，并记录激振力和频率。动应力测试系统15通过应变片7测得涡轮叶片5的动应力分布，加速度测试系统16通过加速度传感器8测得涡轮叶片5叶尖到加速度/速度/位移等响应信息，从而实现对缘板阻尼器6与涡轮叶片5的振动响应定量关系测试。

本申请的阻尼测试系统相对于现有技术来说，具有如下优点：

1)通过采用砝码加载、杠杆放大的加载力方式，载荷恒定无波动(载荷始终等于砝码重力)，能够有效模拟缘板阻尼器离心力，且容易实现；

2)采用真实榫槽结构的夹持夹具和真实的涡轮叶片，缘板阻尼器与涡轮叶片的接触状态与真实使用环境一致，试验模拟精度高；

3)采用真实的涡轮叶片，并采用动应力测试系统和加速度测试系统对叶片振动响应和振动应力水平进行测量，可获得定量的阻尼效果数据，数据可信度高；

4)使用模拟涡轮盘的夹持夹具，不需完整涡轮盘，涡轮叶片在试验后可继续使用，成本低；

5)使用振动台作为激振源，激振力调节范围广，且测试设备不受限制，可获得较多的试验数据。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种涡轮叶片缘板阻尼测试系统，其特征在于，所述测试系统包括振动台、固定夹具、夹持夹具、涡轮叶片、缘板阻尼器、应变片、加速度传感器、钢索、定滑轮、力传感器、球铰链支座、杠杆、砝码、动应力测试系统以及加速度测试系统，其中：

所述振动台提供缘板阻尼器振动所需的动力，所述固定夹具通过固定螺栓与振动台相固定；

所述固定夹具的侧边具有缺口，所述夹持夹具通过自锁螺栓固定设置在固定夹具的缺口处；

所述夹持夹具上设有匹配于涡轮叶片榫头形状的榫槽结构；

所述涡轮叶片通过榫头装配安装在夹持夹具的榫槽结构内，并通过自锁螺栓的预紧力使夹持夹具变形，实现对涡轮叶片的夹持，从而将涡轮叶片、夹持夹具、固定夹具和振动台组合成刚体；

所述缘板阻尼器设置在相邻涡轮叶片缘板的结合处，且缘板阻尼器与钢索相连接，所述钢索的另一端通过定滑轮与力传感器相连并进一步连接到杠杆上，所述杠杆的一端固定在球铰链支座上，杠杆的另一端挂装砝码，从而实现模拟离心力的加载；

待测试的涡轮叶片的叶身表面贴有应变片，所述应变片通过线缆连接至动应力测试系统，通过所述动应力测试系统得到应变片的应力测量值；

在相对于涡轮叶片的叶尖位置安装有加速度传感器，所述加速度传感器通过线缆与加速度测试系统相连，从而实现对涡轮叶片振动应力和振动响应的监测。

2.如权利要求1所述的涡轮叶片缘板阻尼测试系统，其特征在于，每个所述榫槽结构的末端设有联通所述榫槽结构的弹性槽，通过所述弹性槽使得所述夹持夹具形成夹持涡轮叶片的弹性夹持结构。

3.如权利要求1所述的涡轮叶片缘板阻尼测试系统，其特征在于，所述缘板阻尼器与钢索采用焊接的形式进行固定。

4.如权利要求1所述的涡轮叶片缘板阻尼测试系统，其特征在于，所述应变片沿着涡轮叶片的叶身方向贴有多个。

5.如权利要求1所述的涡轮叶片缘板阻尼测试系统，其特征在于，所述夹持夹具上设置的榫槽结构为三个或多个。

6.如权利要求5所述的涡轮叶片缘板阻尼测试系统，其特征在于，当所述夹持夹具上的榫槽结构为三个或多个时，与所述榫槽结构相适配的涡轮叶片中处于中间位置或非边缘位置的涡轮叶片构成被测涡轮叶片，通过砝码加载的缘板阻尼器位于所述被测涡轮叶片的两侧，且所述加速度传感器对应于所述被测涡轮叶片的叶尖位置。