CN102203401A - 航空发动机风扇测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试装置，包括一固定内部基本结构(1、7至11)、可替换活动外罩单元(18至24)、可替换部件(41至44、48)和可替换测量装置(38至40)，其中，所述固定内部基本结构从试验台壁伸出并容置待测试风扇的传动轴(13)；所述可替换活动外罩单元可通过连接的可更换光学元件(32、33)相互对齐；所述可替换部件用于离化空气和减少噪声；所述可替换测量装置与一标准遥测装置连接以测定性能数据和风扇及部件所需的空气动力学和声学条件。以此为基础设计的测试装置可使用相对简单的结构资源记录大量有关风扇和位于风扇后面的风管中的部件的数据，并根据所得到的数据得出有关减少噪声排放、优化空气动力学设计和提高性能方面的结论。

Description

航空发动机风扇测试装置

技术领域

本发明涉及一种航空发动机风扇测试装置，用于测定声学和空气动力特性及性能数据，所述测试装置包括外壳和测量装置，所述外壳与试验台壁尾端固定用于容置所述风扇和与风扇连接的传动轴。

背景技术

在航空发动机的开发和生产中，一个主要目的是减少噪声排放。发动机风扇是产生发动机推力的主要部件，同时也是发动机的主要噪声源之一，因此，减少噪声排放研究的重点在于风扇及其运行性能和声学效果。由风扇产生的噪音首先通过风扇罩上的进气口向外传播，其次通过旁路管道上的出风口向外传播，在风扇下游产生噪音的主要原因是由于设置在风扇下游风管的内部元件之间的相互作用，尤其导向叶片之间的相互作用。

确定噪声排放源自风扇的研究通常是利用测试装置来进行的，所述测试装置具有一外壳，所述外壳固定安装在试验台壁上并适用于所述风扇。与一驱动器连接的风扇驱动轴由所述外壳上的多个轴承支撑。这种测试配置的缺陷在于由于所述设计为支撑结构的外壳，声学研究通常只能在风扇上游进行。然而，为了深入研究风扇上游风管内的不同发动机风扇结构的影响并以此获得可在发动机研制中减少噪声的具体措施，需要在很多方面采取大量的改造措施(如不同发动机的风扇)，甚至采取全新的结构，采取这些措施和结构需要花费大量的时间和高昂的费用。在空气流动方向上位于风扇下游并做为支撑结构的外壳风管在设计上不符合发动机内部的实际情况，因此不利于声学研究。然而，另一方面，位于风扇下游的风管的设计和风管中的内部元件(如导向叶片以及声衬和气动衬，设置于惯用的风扇发动机内)的设计是研究减少噪声排放的重要出发点，但到目前为止这一点还未引起重视。

发明内容

基于以上目的，本发明提供一种航空发动机风扇测试装置，利用所述测试装置可进行不同风扇与设置在风管内的内部元件的声学效果和空气动力学效果研究，所做研究与不同风扇结构的实际情况接近并且所述结构花费低，这种对发动机的改进减少了噪声的排放。

本发明通过根据权利要求1所述特征设计的测试装置达到以上目的。从属权利要求描述了本发明的其他特点和有效改进。

本发明的基本思想在于测试装置在设计上包括从试验台壁伸出的固定的内部基本结构，待测试风扇的传动轴安装在所述基本结构中，还包括数个可替换活动外壳单元，所述可替换活动外壳单元借助于所连接的多个光学装置、可替换内部元件和可替换测量装置，彼此处于一直线上，所述多个可替换内部元件用于离化空气和减少噪声，所述可替换测量装置与标准设计的遥测装置连接，用于确定性能数据及风扇和内部元件的声学和空气动力学性能。在此基础上构建的测试装置可以较低的结构费用检测出风扇结构和风管内风扇下游的内部元件对数据影响的多样性，并从所述数据获得减少噪声排放、风扇和内部元件的最佳气动布局以及提高性能等方面的结论。

在各种情况的研究中，所述用于支撑风扇传动轴的静止基本结构包括抓牢在试验台壁上的支罩，所述支罩由三个同轴设置的支撑环组成并具有内支撑管和外支撑管，所述内支撑管和外支撑管延伸固定在所述两个内支撑环上，所述内支撑管和外支撑管的自由端通过支撑叶片相互连接并且通过轴承结构延伸。所述风扇传动轴通过轴承支撑在所述轴承结构和位于内支撑管上的轴承环上。

本测试装置的可替换活动部分包括：多个外壳单元，所述外壳单元由包围风扇的风扇罩单元构成，其之间以密封且可松开的方式连接；至少一个具有测量元件的测量罩单元；和设置于多个或一个测量罩单元与支罩的外支撑环之间的多个风管单元，其中所述支承环与试验台壁固定连接。

可替换测量元件为传感器，所述传感器与设置在测量罩单元内的可枢转的转筒固定，优选被固定在耙上，用于检测噪声排放和其他与气流有关的数据。为了分配和传递风扇产生的气流，旁路气流的导向叶片和两个同轴设置的具有导向叶片的管件可替换地固定于所述外壳单元，所述管件构成核心风管，所述外壳单元与风扇罩单元相邻设置。因此，所述导向叶片为无支撑结构，不考虑旋翼的安装仅与所述外壳固定。

声衬或气动衬可以可替换地设置在位于风扇下游的所述风扇罩单元内及相邻的旁路风管内，除了所述第二测量罩单元设置有麦克风的部分。所述衬优选为多个半壳的形式，所述半壳连接在一起可确保气流不受干扰。这种类型的衬也可以设置在位于所述风扇罩单元的内圆周表面上的风扇上游。

为了确保所述活动外壳单元可准确地排列在一条直线上同轴设置，所述风扇罩单元和设置于风扇罩单元与支罩之间的测量罩单元在X、Y、Z三个方向上可调整地固定在承重柱上，所述承重柱可替换地设置在轨道上，其中，所述可调外壳单元的精密同轴对齐可通过固定在所述风扇罩单元上的精密望远镜和连接到所述测量罩单元的前后凸缘及固定支罩上的光学镜片来实现。优选以一定的偏移角度成对设置所述光学镜片和精密望远镜。

为了补偿由于温度产生的轴向和径向膨胀，与一测量罩单元相邻设置的风管单元安装在一具有密封元件的滑动座中，所述密封元件可在弹簧预应力的作用下伸展。

具体实施方式

下面参考附图对本发明的优选实施例进一步详细说明，本发明仅有的一个附图为一标准设计的发动风扇测试装置示意图，其中部分为剖面复制图。

首先，测试装置包括一基本结构，所述基本结构固定在试验台的垂直壁上，对于声学和空气动力学测量以及对位于风扇下游风管内的性能检测几乎没有意义，在不同测试条件下和不同结构的风扇测试中基本保持不变。所述静止基本结构包括一支罩1，所述支罩1由三个同轴设置的支撑环3、4、5组成，所述支撑环通过肋板2连接，所述固定基本结构通过所述外支撑环3与试验台壁6固定。一外支撑管7紧固到所述中心支承环4上，一内支撑管8紧固到所述内支承环5上。所述外支撑管7和内支撑管8在自由端侧通过多个支撑叶片9和一个邻接所述内支撑管8的轴承环10相互连接。各个轴承环11在前后区域与所述内支撑管8的内圆周连接。一传动轴13支撑在轴承12上，可拆卸地与风扇轮14连接，并且在后端与一驱动器(未显示)连接，所述传动轴13同轴设置在上述支撑结构中。

所述风扇轮14和固定在风扇轮14上的风扇叶片15以及进气孔16一起构成风扇17，所述风扇17是测试装置活动或可替换结构的一部分。需要测试的是所述风扇和靠近风扇下游的风管的声学和空气动力学性能，尤其是和旁路风管45和设置在旁路风管中的内部元件的声学和空气动力性能。

所述测试装置的可替换部分设计为可适应各种形式的待测试风扇和不同的测试条件。因此，由于所述基本结构保持不变，可在一定条件下对不同结构的风扇进行测试，所需费用相对较少。所述测试装置的独特设计部分包括多个活动外壳单元，所述活动外壳单元通过密封件27、50相互密封连接并且在空气流动方向上同轴设置在一排上，所述活动外壳单元包括一设置在风扇17区域的风扇罩单元18、设置在靠近风扇的风管的导向叶片区域的第一测量罩单元19、第一至第三连续锥形加宽风管单元20、21、22、第二测量罩单元23和第四连接加宽风管单元24。所述风扇罩单元18和第一测量外壳单元19以及第二测量外壳单元23可调整地在X、Y、Z三个方向上支撑于承重柱25上，所述承重柱25可替换地轴向固定于导轨26中，所述导轨26与所述支罩1一体连接。第一至第三风管单元20至22相互之间螺纹连接并与第一测量外壳单元19螺纹连接。第四风管单元24与所述支罩1螺纹连接，所述支罩1固定安装在试验台壁6上形成固定的外壳部分，第四风管单元24通过密封元件27(O形环)与所述支罩隔开密封。为了补偿由于温度波动引起的膨胀，第三和第四风管单元22和24通过一滑座、一底座和一特殊密封元件50活动安装在第二测量罩单元23上。所述密封元件50为一剖面为C形密封圈50a，所述密封圈50a具有一螺旋弹簧50b，所述螺旋弹簧50b设置在密封圈50a内，在弹簧预应力的作用下伸长，因此，所述密封圈50a可随由温度变化引起的外壳径向膨胀而发生变化。

第一测量罩单元19和第二测量罩单元23分别具有前凸缘和后凸缘28至31，在每一凸缘的上外缘设置有一对光学镜片32，所述光学镜片32彼此偏移120°，每对透镜32都具有十字准线。此外还有两片光学镜片32设置在固定支罩1的相同位置上并且与固定在风扇罩单元18凸缘51上的复数副(即多于一副)精密望远镜33相对设置。(所述精密望远镜与光学镜片成120度角偏移，这一点图中未显示。)借助于所述精密望远镜33和支罩上1上的光学镜片32，所述承重柱上的在X、Y、Z方向上可调的风扇罩单元18首先与中心轴线34和传动轴13同轴对齐。然后，其他设置有光学镜片32的支撑在承重柱25上的可调外壳单元也沿光轴35同轴对齐，因此，所述测试装置的可替换部分与其固定的基本结构以很高精确度同轴对齐。

第一测量罩单元19和第二测量罩单元23具有各自的可枢转的转筒36和37，所述转筒36和37上可替换地设置有用于测量噪声排放的耙38和39，所述耙38和39上具有用于测量噪声排放的麦克风。另外，还有麦克风40固定在所述测量罩单元23的转筒37上。

旁流导向叶片41通过第一和第二核心流导向叶片42与外管件43和内管件44连接，所述旁流导向叶片41固定在第一测量罩单元19上，因此，位于风扇17下游的风管被分成一旁路管45和一核心管46，所述旁路管45由所述外壳，外管件43和外支撑管7围成，所述核心管46由所述外管件43和内管件44以及支撑管7和8围成。所述外管件43和内管件44通过轴承结构10上的密封圈47固定在一轴径向空隙中，可密封固定在所述空隙中也可从空隙中松脱。所述外管件43和内管件44与支撑叶片9连接，并与旁路导向叶片41和核心导向叶片42一起构成一具有特殊用途的可替换活动测试装置元件。这就是说，旁流导向叶片41和核心流导向叶片42仅单独固定在静止的基本结构的外壳和所述传动轴13上，因此可随意设置和更换。

此外，可根据不同使用条件进行替换的元件是声衬48，所述声衬48设置在旁路风管45内。根据空气动力学研究，也可以使用气动衬来替换声衬或与声衬一起使用。由于外壳为标准设计，这些元件可以替换，因此所需费用相对较少。所述声衬48由多个半壳状的衬段组成，其中，所述衬段沿圆周方向和气流方向连续设置，所有衬段在同一高度并且以销孔结合的方式相互连接(图中未显示)。这就使得声衬48的更换更为迅速和简便，而且出现在声衬表面的缺陷仅限于衬段之间的轴向周边接缝。在本实施例中，所述衬段粘结于旁路风管45的外周并通过接合元件49支撑在旁路风管45的内周上。由可替换的衬段构成的一声衬48也设置在位于风扇17上游和下游的风扇罩单元18的内圆周表面上。

在所述旁路风管45中检测到的测量值通过一遥测装置传输(图中未显示)，所示遥测装置同样设计为标准系统(插接)。

以上所述的测试装置为标准设计，包括用于支撑驱动风扇17的传动轴13的一固定基本结构和具有可替换内部元件的活动外壳单元，因此，能在结构费用相对较少的情况下对性能、风扇的噪声排放和风扇下游风管的设计进行研究，所述研究包括结构改造。内部元件的更换和外壳单元的重新组装可在承重柱上沿X、Y、Z方向调整进行，相互之间可通过光学系统进行精确定位，因此，与重新构建新结构相比节省了很多时间。将所述外壳单元更换为新的外壳单元所需的费用也比重新改建测试装置要少得多。

编号列表

1        支罩

21       的肋板

31       的支撑环

41       的支撑环

51       的支撑环

6        试验台壁

7        外支撑管

8        内支撑管

9        支撑叶片

10       轴承结构

11       轴承环

12       轴承

13       传动轴

14       风扇轮

15       风扇叶片

16       进气孔

17       风扇

18       风扇罩单元

19       第一测量罩单元

20       第一风管单元

21       第二风管单元

22       第三风管单元

23       第二测量罩单元

24       第四风管单元

25       承重柱

26       导轨

27        密封元件

28       19的前凸缘

29         19的后凸缘

30         23的前凸缘

31         23的后凸缘

32         光学镜片

33         精密望远镜

34         中心轴

35         光轴

36         可枢转的转筒

37         可枢转的转筒

38         耙

39         耙

40         麦克风

41         旁流导向叶片

42         核心流导向叶片

43         外管件

44         内管件

45         旁路风管

46         核心风管

47         密封圈

48         声衬

49         接合元件

50         特殊密封元件

50a        C形密封圈

50b        螺旋弹簧

51         18的凸缘

Claims (11)

1.一种航空发动机风扇测试装置，用于测定声学和空气动力特性及性能数据，所述测试装置包括外壳，所述外壳与试验台壁(6)尾端固定，用于容置所述风扇(17)和与风扇连接的传动轴(13)，其特征在于

固定的内部基本结构(1、7至11)设计为悬壁支架，固定在试验台壁(6)上，用于支撑所述传动轴(13)；

多个可替换活动外壳单元(18至24)相互之间以密封且可松开的方式连接，其中一些可替换活动单元设置于地面上，所述可替换活动单元可沿X、Y、Z方向调整并通过光学装置彼此同轴对齐；

内部元件(41至44)可替换地设置在所述外壳内部，用于将所述风扇(17)产生的气流传递至旁路风管和核心风管(45，46)，并可做为旁路风管(45)的声衬和/或气动衬(48)；

测量装置(38至40)可替换地设置在旁路风管(45)内并与标准设计的遥测装置连接。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于所述固定基本结构包括由三个同轴设置的支撑环(3至5)组成的支罩(1)，所述基本结构抓牢在所述试验台壁(6)并具有从所述支罩的内支撑环(4、5)延伸的外支撑管(7)和内支撑管(8)，所述传动轴(13)通过轴承结构(10)、数个轴承环(11)和轴承(12)支撑于所述内支撑管(8)上，所述支撑管(7、8)的自由端相互连接并通过支撑叶片(9)与所述轴承结构(10)连接，和所述支罩(1)的外支撑环(3)构成所述外壳的固定部分。

3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于所述外壳的活动部分包括风扇罩单元(18)和至少一个测量罩单元(19，23)，所述测量罩单元具有用于测量风扇(17)与靠近下游的内部元件的声学和空气动力学特性及性能的测量装置，所述测量罩单元在X、Y、Z方向上可调整地固定于承重柱(25)上，所述外壳的活动部分还包括风管单元(20至22、24)，所述风管单元固定于所述测量罩单元(19、23)与支罩(1)之间并与后者直接固定，其中至少一个风管单元密封安装在滑座中以用于补偿膨胀。

4.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于所述承重柱(25)可替换地设置在导轨(26)中，所述导轨与试验台的支撑结构(1)一体连接。

5.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于第一测量罩单元(19)靠近所述风扇罩单元(18)，第一测量罩单元(19)和第二测量罩单元(23)之间设置有第一至第三风管单元(20至22)，第四风管单元(24)设置在第二测量罩单元(23)和支罩(1)之间，第三和第四风管单元(23、24)固定在位于滑座中的第二测量罩单元(23)上并通过C形密封圈(50a)密封，所述C形密封圈具有内置螺旋弹簧(50b)以补偿膨胀。

6.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于可在所述测量罩单元(19、23)的凸缘(28至31)之间枢转的转筒(36、37)拥有耙(38、39)和麦克风(40)，所述麦克风(40)可替换地与所述转筒连接并且设置有传感器。

7.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于设置在所述外壳内部的内部元件包括旁流导向叶片(41)，所述旁流导向叶片(41)固定在第一测量罩单元(19)上，与外管件(43)连接并且通过核心流导向叶片(42)与内管件(44)连接，所述旁流导向叶片(41)和所述核心流导向叶片(42)为无支撑结构，不考虑旋翼的安装仅与所述外壳连接。

8.据权利要求7所述的测试装置，其特征在于支撑在所述支撑叶片(9)和轴承结构(10)上的管件(43、44)与所述固定基本结构的支撑管(7、8)一起构成核心风管(46)，旁路风管(45)一方面形成于所述外管件(43)和相邻的外支撑管(7)，另一方面形成于测量罩单元(19、23)、风管单元(20至22、24)和支罩(1)的内表面之间。

9.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于所述声衬或气动衬(48)由位于所述旁路风管(45)的内周面和外周面上的衬段构成，所述衬段为半壳形，所述半壳以对齐结合的方式相互连接。

10.根据权利要求9所述的测试装置，其特征在于所述声衬(48)的衬段固定于风扇上游和下游的风扇罩单元(18)的内表面上。

11.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于两个精密望远镜(33)设置于所述风扇罩单元(18)的外圆周上，所述精密望远镜彼此成一定偏移角度，为了调整与中心轴(34)平行的各自的光轴(35)，所述每个精密望远镜与设置在支罩(1)的相同位置上的光学镜片(32)对齐，为了使所述测量罩单元(19、23)沿光轴(35)处于一条直线上，在圆周方向成相同偏移角度的两个光学镜片(32)同样设置在所述测量罩单元(19、23)的前后凸缘(28、29；30、31)上，所述测量罩单元靠近地面一侧可调整地支撑在所述承重柱(25)上。

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