一种叶轮机叶根部位模拟试验件及设计方法

摘要

本发明涉及一种叶轮机叶根部位模拟试验件及设计方法，(1)利用两个平行金属板中间的垂直金属板模拟叶片形状；(2)利用垂直金属板与平行金属板连接部分的圆角模拟叶根部位结构；(3)以叶片最大厚度作为垂直金属板的厚度，通过调整垂直金属板与轴线的偏移距离、垂直金属板根部的圆角半径与拉伸载荷，保证垂直金属板根部考察位置的Von Mises等效应力、应力梯度、等效应变与实际叶片考察点相同。

说明书

技术领域

本发明涉及一种叶轮机叶根特征模拟件及设计方法，属于航空发动机叶片的叶轮机疲劳性能试验设备技术领域。

背景技术

航空发动机叶片服役条件恶劣(高温、高压、高转速、燃气腐蚀等)，部件承受着交变的机械载荷与热载荷。叶根部位承受着叶片的气动载荷与离心载荷引起的拉力与弯矩，同时又是几何形状突变的部位，应力集中现象比较严重，因此往往是裂纹萌生与扩展的位置。在这种背景下，为了保证发动机叶片的安全性，需要在研制阶段对叶根部位进行模拟件试验。为了保证模拟件试验结果的正确性的同时，降低模拟件的加工成本，需要对叶根模拟件的形状进行设计。

叶根特征模拟件被用来进行疲劳试验，以模拟真实叶片叶根部位的破坏过程。叶根特征模拟件的设计过程中需要考虑的问题包括：(1)如何使叶根特征模拟件的考察位置的应力、应力梯度、应变梯度等参数与真实叶片叶根的危险点保持一致；(2)如何保证叶根特征模拟件上破坏发生的位置即为考察点；(3)在保证前两条的前提下，如何使模拟件的结构简单，容易加工。目前关于叶根模拟试验件的设计非常稀缺。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种叶轮机叶根特征模拟件及试验方法，满足叶片叶根部位模拟疲劳试验的需求，且满足考察位置应力、应力梯度、应变与实际叶片叶根一致，可用于观测叶根位置裂纹的萌生和扩展。

本发明的技术解决方案是：利用两个平行金属板2中间的垂直金属板3模拟叶片形状,利用垂直金属板3与平行金属板2连接部分的圆角5模拟叶根部位结构,并作为试验件的观测位置。在上下两块平行金属板2上又有两个用于加载的加载段1，用过渡圆角4连接于平行金属板2上，加载段1上有并排的销钉孔6，用于与并排销钉夹具连接。

设计之初应获取真实叶片在实际载荷下叶根位置的应力、应力梯度、应变以及几何参数。具体的方法是：(1)获取叶根所在叶片的几何模型，测量叶片最大厚度、叶根部分圆角半径；(2)获取叶片的工作温度以及该工作温度下的材料的弹性模量、泊松比、屈服强度；(3)建立叶片的有限元分析模型，计算叶根部位的应力分布，以叶根部位Von Mises等效应力最大的点作为考察点，获取该点的应力梯度和等效应变。Von Mises等效应力是对某一点应力大小的一种等效。当某点应力状态已知时，Von Mises等效应力的计算公式如下：

其中σ_x，σ_y，σ_z为该点三个方向的正应力，τ_xy，τ_yz，τ_zx为该点的剪应力，即为该点的Von>

调节模拟件的可变几何参数，使得考察位置等效应力、应力梯度、等效应变与实际叶片叶根一致。具体的方法是：(1)以实际叶片最大厚度作为垂直金属板3的厚度。(2)调节垂直金属板3与加载段1轴线的偏移距离、试验段过渡圆角5半径与拉伸载荷，使得垂直金属板3根部考察位置的Von Mises等效应力、应力梯度、等效应变与实际叶片考察点相同。

为了保证模拟试验件产生裂纹、发生破坏的位置为考察部位而非其他位置，应使得加载段1与平行金属板2连接位置的圆角4半径大于垂直金属板3与平行金属板2连接位置的圆角5半径。同时在确定模拟件所有尺寸后，还需要通过有限元计算进行模拟试验，以确保模拟件的破坏部位为考察位置。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用偏置的垂直金属板3模拟叶片，可以实现施加轴向拉伸载荷时，在叶根位置产生弯矩，可以模拟在气动载荷、离心载荷引起的拉力、弯矩作用下，真实叶片叶根部位的疲劳裂纹产生的过程。

(2)本发明利用并排的销钉孔6加载，可以施加比单个销钉孔更大的拉力，同时也便于与夹具连接。

(3)本发明在加载段1与垂直金属板3之间安排平行金属板2，可以使模拟叶片的垂直金属板3受到的拉力更接近真实叶片。

(4)本发明中，加载段1的厚度大于模拟叶片的垂直金属板3的厚度，加载段1与平行金属板2连接的圆角4的半径大于试验段过渡圆角5的半径，以保证叶根部位应力最大，为裂纹产生的位置。

(5)相比直接用真实叶片进行疲劳试验，本发明所有加工表面都为平面或圆柱面，便于机械加工。

附图说明

图1为本发明模拟试验件的结构示意图；

图2为本发明模拟试验件的尺寸图，其中(a)为俯视图，(b)为主视图，(c)为左视图；

图3为本发明模拟试验方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所涉及的模拟试验件由上下两个加载段1、一对平行金属板2和一个垂直金属板3构成。加载段1位于模拟试验件的两端，与平行金属板2垂直，通过加载段过渡圆角4连接；垂直金属板3位于两个平行金属板2之间，且与加载段1中轴线存在一定偏离，通过试验段过渡圆角5连接。上下两个加载段1上均设置有并排销钉孔6，用于与夹具连接。加载段1与垂直金属板3相互垂直。其中，垂直金属板3模拟叶轮机叶片，试验段过渡圆角5模拟叶根部位，是裂纹萌生的观测位置。

如图2所示，本发明为了保证垂直金属板3根部为等效应力最大位置，要求垂直金属板3的厚度H2小于加载段1的厚度H1，试验段过渡圆角5的半径R2小于加载段过渡圆角4的半径R1。为保证销钉孔不发生损坏，要求销钉孔6的直径D1小于三分之一的加载段1的宽度W1。为了保证垂直金属板3受力均匀，平行金属板2应有足够的厚度，本发明要求平行金属板2的厚度不小于加载段1的厚度H1。

如图3所示，本发明涉及的叶根模拟试验件具体设计方法如下：

(1)获取叶根所在叶片的真实几何形状，测量叶片最大厚度、叶根部分圆角半径。

(2)获取叶片的工作温度以及工作温度下的弹性模量、泊松比、屈服强度。

(3)根据步骤(1)中获取的叶片的真实几何形状，建立叶片的三维模型，根据叶片在实际工作中的转速、流场条件、温度、温度梯度，确定叶片受到的离心载荷、气动载荷、热载荷，结合步骤(2)中获得的材料参数通过有限元分析，获得叶根部位的应力分布。以叶根部位Von Mises等效应力最大的点作为考察点，获取该点的应力梯度和等效应变。

(4)将步骤(1)中获得的实际叶片最大厚度作为垂直金属板3的厚度(图2中的H2)。

(5)调整垂直金属板3与加载段1轴线的偏移距离(图2中的S)、试验段过渡圆角5的半径(图2中的R2)与拉伸载荷，使得垂直金属板3根部考察位置的最大Von Mises等效应力、应力梯度、等效应变分别与步骤(3)中获取的实际叶片叶根部位考察点的最大Von Mises等效应力、应力梯度、等效应变相同。具体的方法是：

a.设计偏移距离S、试验段过渡圆角5的半径R2的多种取值，并进行组合，得到一系列尺寸不同的模拟件几何形状。

b.对于步骤(a)中每一个几何形状的模拟件，通过有限元分析，调整拉伸载荷，使试验段过渡圆角5处的最大Von Mises等效应力与实际叶片叶根部位考察点的相同。

c.比较步骤(b)中所有方案中最大Von Mises等效应力位置的应力梯度与等效应变，其中与步骤(3)获得的实际叶片叶根部位应力梯度与等效应变最接近者作为设计方案

(6)根据疲劳试验机的上下夹头可以达到的最大距离，调整模拟试验件的总长度L1，要求模拟件总长度L1不能超过疲劳机上下夹头的最大距离；根据试验夹具的深度，调整模拟件加载段1长度(L1-L3)/2,要求夹具与加载段过渡圆角4不接触，以免加载段过渡圆角4局部应力过大。

(7)对步骤(6)确定的模拟试验件形状，通过有限元方法施加拉伸载荷，模拟拉伸试验，检验模拟件试验段过渡圆角5是否为Von Mises等效应力最大点。若试验段过渡圆角5已经为应力最大点，则完成设计。若最大Von Mises等效应力发生在其他位置(如销钉孔6、加载段过渡圆角4)，则应当适当增大加载段过渡圆角4半径R1，调整销钉孔6的直径D1、销钉孔6的位置L2、W2，使得最大Von Mises等效应力发生在试验段过渡圆角5。