一种叶轮机械中带榫头叶片高温振动疲劳试验中的分体式隔热夹具及方法与流程

本发明属于叶轮机械技术领域，特别是涉及一种叶轮机械中带榫头叶片高温振动疲劳试验中的分体式隔热夹具及方法。

背景技术：

涡轮叶片是叶轮机械中非常重要的零部件之一，高温振动疲劳故障是其常见的失效模式，因此需要针对该类型叶片进行高温振动疲劳试验来确定其安全使用寿命。为了将振动台的振动高效传递到叶片，并且最大程度减少试验中叶片热量向振动台传导，需要设计一种高效的传振、隔热振动试验夹具。

在实验室条件下，振动试验通常是在振动台上进行的。振动台台面的尺寸有限，台面上的固定螺纹孔(图3)的规格和数量也有限，因此被试件都是通过夹具装夹到振动台的台面上的。由于使用了夹具来连接振动台和被测试件，振动台的振动和能量不能直接传递到被测试件上，而是先传到夹具上，再通过夹具传递到被测试件上，因而夹具的传振性能直接影响试验效果；叶片振动试验条件通常为700-800℃，而振动台的安全工作温度一般为80℃以下，叶片的热量也是先传导到夹具，再传导到振动台，为了保证振动台的安全可靠，必须在夹具上进行隔热设计。因此振动试验的夹具设计为整个试验中很重要的一环，也包括夹具的制造和安装。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对高温振动试验，为将振动台提供的能量高效传递到试验件，并能很好的加紧试验件，防止试验过程中出现松动；为防止振动台超温，需对振动台进行隔热，将振动台试验时温度降至安全温度以下；不同叶片振动试验需要不同的夹具，需要多次加工整体夹具，分体式设计减少了夹具加工的工作量。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种叶轮机械中带榫头叶片高温振动疲劳试验中的分体式隔热夹具，包括：榫槽座、水冷散热底座、第一限位块、第二限位块和石棉垫；其中，水冷散热底座上的4个螺栓与振动台相连，榫槽座上的四个螺栓穿过水冷散热底座与振动台相连，将水冷散热底座和榫槽座都固定于振动试验台上，将叶片榫头安装到榫槽座之后，将两侧的限位块用两个长螺栓穿过榫槽座进行固定。

其中，所述水冷散热底座的材料为铝合金，限位块及榫槽座的材料为不锈钢。

其中，水冷散热底座四个侧面各开有3个冷却水孔，冷却水通道通过在散热底座中开通孔形成，将试验中不需要的冷却水孔用防水塞塞住；水冷散热座的上下表面各铣出4条矩形隔热槽：减少传热接触面积，散热不足时可以向槽中鼓风协助散热。

其中，水冷散热底座与振动台之间加隔热石棉垫，必要时在榫槽座和水冷散热座之间加入隔热石棉垫。

其中，夹具中所有螺栓都应加装弹簧垫片，防止振动试验时螺栓松动；螺杆上非全螺纹，螺杆与穿过夹具与夹具重合部分为光杆，与振动台连接部分为螺纹杆。

另外，一种利用上述的夹具进行叶轮机械中带榫头叶片高温振动疲劳试验的方法，该方法包括如下步骤：

步骤(1)用4个带有弹簧垫圈的螺栓将水冷散热底座固定于振动台，振动台与水冷座之间加装隔热石棉垫，选取合适的冷却水孔作为冷却水的进出孔，其余孔用防水塞塞住；

步骤(2)将榫槽座用4个带有弹簧垫圈的螺栓穿过水冷散热底座固定于振动台上，并安装试验叶片；

步骤(3)用带有弹簧垫圈的螺栓将限位块安装到榫槽座两侧；

步骤(4)通入冷却水，用电磁感应线圈对叶片进行加热，按照试验载荷谱进行振动疲劳试验；

步骤(5)试验结束后，切断感应线圈和振动台电源，卸下限位块和榫槽座，更换不同榫槽座对其他叶片进行后续试验。

本发明的原理在于：

为保证振动台高效传振，设计夹具时采用比刚度(材料的弹性模量E与材料密度ρ比值)大的材料，材料要求“轻且硬”，榫槽座和限位块部分采用不锈钢材料，分别约束叶片垂直台面的位移和平行台面的位移，同时兼顾到散热效果，散热底座采用铝合金；散热底座中开有冷却水道，试验中通过冷却水带走热量，为了进一步增强隔热效果，在水冷散热底座和振动台之间夹装一层隔热石棉，并在水冷散热底座上下表面分别铣出散热矩形槽；采用分体式设计，其中水冷散热底座和限位块可以重复利用，针对不同榫头形式的叶片进行试验时，只需重新加工榫槽座即可。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)夹具质量轻，比刚度大，振动传递效率高；

(2)采用水冷散热隔热、石棉5和隔热槽19物理隔热方式对振动台和试验件之间进行隔热，增强了隔热效果；

(3)夹具采用分体式设计，具有更广泛的适用性，大大减少了试验夹具制造加工过程的工作量，有助于加快试验进程。

附图说明

图1为本发明一种叶轮机械中带榫头叶片高温振动疲劳试验中的分体式隔热夹具立体结构示意图；

图2为水冷散热底座及冷却水道示意图，其中，图2(a)为水冷散热底座示意图，图2(b)为冷却水道示意图；

图3为振动台面螺栓孔分布图；

图4为本发明一种叶轮机械中带榫头叶片高温振动疲劳试验中的分体式隔热夹具主视图；

图5为本发明一种叶轮机械中带榫头叶片高温振动疲劳试验中的分体式隔热夹具俯视图；

图6为本发明一种叶轮机械中带榫头叶片高温振动疲劳试验中的分体式隔热夹具；

图中符号说明如下：

1：榫槽座 11：第二榫槽座螺栓孔

2：水冷底座 12：第三榫槽座螺栓孔

3：第一限位块 13：第四榫槽座螺栓孔

4：第二限位块 14：第一限位块螺栓孔

5：石棉垫 15：第二限位块螺栓孔

6：第一水冷底座螺栓孔 16：第一冷却水孔

7：第二水冷底座螺栓孔 17：第二冷却水孔

8：第三水冷底座螺栓孔 18：第三冷却水孔

9：第四水冷底座螺栓孔 19：隔热槽

10：第一榫槽座螺栓孔

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

1.夹具结构设计与性能验证

如图1所示，本发明一种叶轮机械中带榫头叶片高温振动疲劳试验中的分体式隔热夹具，包括榫槽座1、水冷底座2、第一限位块3、第二限位块4和石棉垫5。4个螺栓穿过水冷散热底座通过四角处的第一水冷底座螺栓孔6、第二水冷底座螺栓孔7、第三水冷底座螺栓孔8、第四水冷底座螺栓孔9与振动台连接，4个螺栓穿过榫槽座上的第一榫槽座螺栓孔10、第二榫槽座螺栓孔11、第三榫槽座螺栓孔12、第四榫槽座螺栓孔13后再穿过水冷底座2与振动台相连，两个横向螺栓穿过限位块和榫槽座上的螺栓孔14、15与螺母相连将两个限位块固定于榫槽座两侧：叶片榫头从侧向插入到榫槽座中，限位块防止其侧滑。水冷散热底座四个侧面各有三个冷却水孔，例如正面的第一冷却水孔16、第二冷却水孔17、第三冷却水孔18，根据实际试验室情况确定冷却水的进、出水孔。水冷散热底座的上、下表面分别铣出两横两纵四条隔热槽19，目的为减小接触传热面积。

参照振动试验的试验台面(图3)上螺栓孔的位置的数量，选择靠近振动台中心部位的一定数量的螺栓孔作为夹具固定所需的螺栓孔，本发明夹具选取了位于振动台中心的8个螺栓孔作为夹具的固定与定位螺栓孔(图3中方块标示)。之后进行计算机模拟夹具设计，对于设计完成的夹具，采用有限单元法进行夹具的测试：通过对夹具进行模态分析，得到其一阶固有频率，根据材料特性分析其振动传递系数，为试验过程中振动台功率调整提供参考，以达到满意的传振效果。

2.夹具加工与测试

对于已经加工完成的夹具，在进行振动台试验之前，需将夹具安放在耐高温的台面上进行温度测试，水冷底座通入冷却水，将待测叶片安装到夹具上并用电磁感应线圈将叶片加热到试验温度，一段时间后测量耐高温台面温度，以验证夹具的隔热效果是否满足振动台安全试验需求。

3.进行振动试验

(1)固定水冷散热底座

固定水冷散热底座采用的带有弹簧垫圈的螺栓，依次插入水冷底座上的四个固定孔6、7、8、9中，螺杆与底座重合部分为光杆，将螺纹段拧入振动台。螺栓固定时采用对角安装的顺序依次安装四个螺栓，依次将螺栓拧入后再按对角顺序依次将螺栓加力拧紧。

(2)固定榫槽座

固定榫槽座采用带有弹簧垫圈的螺栓，依次插入榫槽座上4个固定孔10、11、12、13中，螺杆与夹具重合部分为光杆，螺纹段拧入振动台。螺栓拧入和加力顺序与水冷底座的螺栓相同。为了增强隔热效果，再榫槽座和散热底座之间可根据需求再加一层隔热石棉。

(3)安装叶片

将叶片沿榫槽座上榫槽方位插入。在需要加热的部位加装电磁感应加热线圈。

(4)安装榫槽座上的限位块

采用带有弹簧垫圈的螺栓，依次插入限位块和榫槽座的固定孔14、15中，螺杆与榫槽座和限位块重合部分为光杆，限位块另一侧用螺母固定，拧上螺母后依次将螺母加力拧紧固定。为了防止螺母在振动试验时松动，在螺母拧紧后打保险。

(5)接入冷却水管并通入冷却水

根据试验场地选择恰当冷却水孔作为冷却水的进、出口并接入冷却水管路，用不到的冷却水孔用塞子塞住；冷却水管接头处轴线方向应与振动台的振动位移方向一致，若冷却水管过长，应绕成弹簧形状，防止振动试验过程中出现冷却水的管接头松动漏水。

(6)设置振动台参数并开始振动试验

(7)试验结束

试验结束先关闭振动台，断开电磁感应线圈，待夹具完全冷却后先卸下限位块上的螺栓，取下叶片，如需进行下一个叶片的振动试验则卸下榫槽座上的4个螺栓，更换新的榫槽座，重复上述试验操作。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。