CN104390769A - 一种用于检测涡轮盘的检测设备和涡轮盘的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于检测涡轮盘的检测设备和涡轮盘的检测方法，检测设备包括：转轴，用于安装涡轮盘；驱动部，驱动部的输出轴与转轴连接；加热装置，用于加热涡轮盘。应用本发明的技术方案，检测设备能够模拟或部分模拟涡轮盘的工作状态，例如高温和选装状态，从而在涡轮盘装配到发动机之前预先对涡轮盘进行检测，以确定涡轮盘的使用寿命，及时发现不合格产品，避免由于涡轮盘使用寿命不合格而造成的事故，提高了发动机的稳定性并提高了航空器的安全性。

Description

一种用于检测涡轮盘的检测设备和涡轮盘的检测方法

技术领域

本发明涉及航空设备领域，具体而言，涉及一种用于检测涡轮盘的检测设备和涡轮盘的检测方法。

背景技术

涡轮盘是航空发动机的最关键的零件类型，其工作环境为“三高”：高温、高转速、高负荷。涡轮盘的使用安全性严重影响着航空发动机的使用安全，涡轮盘一旦发生破裂故障，将会造成机毁人亡的惨剧。因此，应对在装机前对涡轮盘进行检测以确定使用寿命，以保证其能够安全使用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于检测涡轮盘的检测设备和涡轮盘的检测方法，以解决现有技术中的在装机前需要对涡轮盘的使用寿命进行检测问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于检测涡轮盘的检测设备，包括：转轴，用于安装涡轮盘；驱动部，驱动部的输出轴与转轴连接；加热装置，用于加热涡轮盘。

进一步地，涡轮盘检测工具还包括：多个工艺叶片，用于安装到涡轮盘上产生载荷。

进一步地，多个工艺叶片的转动惯量大于或等于涡轮盘上设计安装的涡轮叶片的转动惯量。

进一步地，加热装置包括用于容纳涡轮盘的加热腔。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种涡轮盘的检测方法，包括：S1：加热涡轮盘，并在保持涡轮盘处于预定的加热温度下周期性驱动涡轮盘旋转，每个旋转周期包括：从预设最低速加速到预设最高转速；保持预设最高转速预定时间；从预设最高转速降速到预设最低转速；S2：驱动涡轮盘旋转多个旋转周期后，检测涡轮盘；S3：重复上述步骤预定次数，若每次的检测结果均合格，则判断涡轮盘合格。

进一步地，在步骤S1前，向涡轮盘上安装多个工艺叶片，以模拟涡轮盘上设计安装的涡轮叶片。

进一步地，步骤S1包括：加热涡轮盘，使涡轮盘的检测温度低于实际工作时涡轮盘的工作温度；增加涡轮盘的峰值应力以对涡轮盘的检测温度与工作温度间的差异进行校正。

进一步地，增加后的涡轮盘的峰值应力由下述公式得出：

σ_r＝σ_st×(σ_0.2st/σ_0.2r)；

其中σ_r为检测中涡轮盘的峰值应力，σ_st为实际工作中涡轮盘的峰值应力，σ_0.2st为实际工作温度下涡轮盘的屈服应力，σ_0.2r为检测温度下涡轮盘的屈服应力。

进一步地，从S1到S3的完整的检测过程中涡轮盘的预期的旋转周期的次数由下述公式得出：

N_r＝N_st×((σ_r/σ_st)×(σ_0.2st/σ_0.2r))^-5.2826；

其中N_r为检测中涡轮盘的预期的旋转周期的次数，N_st为实际工作中涡轮盘的预期的旋转周期的次数。

进一步地，预定时间为3至5秒。

进一步地，最高转速由下述公式得出：

n_max＝n_st×(σ_r/σ_st)^1/2；

其中n_max为最高转速，n_st为发动机最大转速，σ_r为检测中涡轮盘的峰值应力，σ_st为实际工作中涡轮盘的峰值应力。

进一步地，最低转速为最高转速的5％。

进一步地，步骤S2中检测涡轮盘包括：对涡轮盘进行特征尺寸检测和探伤检测。

应用本发明的技术方案，检测设备能够模拟或部分模拟涡轮盘的工作状态，例如高温和选装状态，从而在涡轮盘装配到发动机之前预先对涡轮盘进行检测，以确定涡轮盘的使用寿命，及时发现不合格产品，避免由于涡轮盘使用寿命不合格而造成的事故，提高了发动机的稳定性并提高了航空器的安全性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的涡轮盘的检测方法的实施例的旋转周期的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于检测涡轮盘的检测设备，包括：转轴，用于安装涡轮盘；驱动部，驱动部的输出轴与转轴连接；加热装置，用于加热涡轮盘。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明的检测设备能够模拟或部分模拟涡轮盘的工作状态，例如高温和选装状态，从而在涡轮盘装配到发动机之前预先对涡轮盘进行检测，以确定涡轮盘的使用寿命，及时发现不合格产品，避免由于涡轮盘使用寿命不合格而造成的事故，提高了发动机的稳定性并提高了航空器的安全性。

优选地，检测设备还包括：多个工艺叶片，用于安装到涡轮盘上产生载荷。优选地，多个工艺叶片的转动惯量大于或等于涡轮盘上设计安装的涡轮叶片的转动惯量。工艺叶片用于代替安装在涡轮盘的涡轮叶片，工艺叶片相比涡轮叶片更加廉价并且容易加工。

优选地，加热装置包括用于容纳涡轮盘的加热腔。在检测过程中，需要将涡轮盘整体放置到加热腔内加热，以模拟涡轮盘在发动机内的工作环境。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种涡轮盘的检测方法，包括：S1：加热涡轮盘，并在保持涡轮盘处于预定的加热温度下周期性驱动涡轮盘旋转，每个旋转周期包括：从预设最低速加速到预设最高转速；保持预设最高转速预定时间；从预设最高转速降速到预设最低转速；S2：驱动涡轮盘旋转多个旋转周期后，检测涡轮盘；S3：重复上述步骤预定次数，若每次的检测结果均合格，则判断涡轮盘合格。

影响涡轮盘使用寿命的外部因素通常包括腐蚀、振动、中高温持续运转、低循环疲劳(包括热疲劳、磨损)以及外物击伤等。而影响涡轮盘使用寿命的内部因素通常包括拉伸强度极限、屈服强度、蠕变强度(或持久强度)、疲劳强度、断裂韧性、裂纹扩展速率等方面。它们与轮盘材料成份、加工和热处理工艺有关。使用实践表明，低循环疲劳是影响和限制轮盘使用寿命的最主要因素。这种疲劳通常是指循环频率较低、应力峰值较大、构件的局部区域进入塑性区以及疲劳寿命在10⁵以下。对应于飞机的每次起飞着陆过程，构成一个加载和卸载的循环，对应于涡轮盘的受载过程即是低循环疲劳过程。

涡轮盘在飞行使用中经常出现的最严重的工作应力循环，能较好地反映轮盘实际飞行循环的疲劳损伤程度，通常选0～100％的最大工作转速及相应的温度状态所对应的应力脉动循环作为“标准应力循环”。根据使用要求、涡轮盘的强度储备及外场使用现状，确定涡轮盘的寿命目标值8000次标准应力循环(该目标值因不同的发动机型号而不同)。根据涡轮盘循环换算率将其换算成以标准应力循环数表示的低循环疲劳寿命，即批准循环寿命。

对应于某一个发动机型号，涡轮盘一般不止一件。一般情况下这些涡轮盘的材料相同，加工及热处理工艺相同，并用同样检验工具检查轮盘表面及内部缺陷。轮盘结构也非常相似，使用应力与温度接近。根据航空发动机强度设计、试验等规定，采用有限元法对每一种涡轮盘进行应力计算分析，根据计算分析结果，一般选取强度储备最低的涡轮盘进行试验。试验件则是从生产加工中随机选取的一件涡轮盘实物。

涡轮盘在工作中承受多种载荷，主要有以下几种：

离心载荷：轮盘在工作过程中，承受的离心载荷主要来自涡轮盘本身以及装于轮盘上的涡轮叶片旋转所产生的载荷。按某型发动机额定转速12390r/min计算，涡轮盘外载荷单个叶片的重量134.5g,叶片重心的旋转半径为225.35mm,涡轮叶片共82件，则涡轮叶片产生的质量离心力为F＝82×mω²R＝4.18×10⁶(牛顿)＝4.27×10⁵(千克力)。

温度载荷：由于轮缘和轮心之间存在温度差而在轮盘上作用着温度载荷；对应于发动机工作条件，利用涂示温漆的方法在试车台架上对发动机温度进行实测，以确定涡轮盘的壁温及温度分布情况。

剪应力载荷：轮盘主要是完成叶片和轴之间的功率传递，在传递功率时，使轮盘产生了剪应力。

弯曲应力载荷：作用在叶片上的气体轴向力，轮盘两侧面的气体压力不同及飞机机动飞行时的陀螺力矩使轮盘产生弯曲应力。

涡轮盘在工作中的剪应力、气体力和陀螺力距对轮盘损伤轻微，在试验中可不予考虑。仅以离心载荷和温度载荷作为试验时试验件的外载荷。为了节约成本，离心力载荷可用加工的工艺叶片来取代涡轮叶片，二者之间按等离心力的原则来设计。

温度载荷的产生则是在试验件轮盘的轮缘部位加温，使轮缘部位达到工作时的温度，保证轮缘与轮心之间的温差。另外，由于轮盘在使用时其轮缘与轮心之间的温差与试验存在差异，采用增加离心载荷的方法来修正由于温差而引起的温度载荷。

优选地，步骤S1包括：加热涡轮盘，使涡轮盘的检测温度低于实际工作时涡轮盘的工作温度；增加涡轮盘的峰值应力以对涡轮盘的检测温度与工作温度间的差异进行校正。

由于试验温度与轮盘实际工作温度不一致，采用对轮盘增加载荷的方法进行温度修正，其修正系数为k_r＝σ_0.2st/σ_0.2r，其中σ_0.2st为实际工作温度下涡轮盘的屈服应力，σ_0.2r为检测温度下涡轮盘的屈服应力，则试验峰值应力σ_r＝σ_st×k_r，其中σ_r为检测中涡轮盘的峰值应力，σ_st为实际工作中涡轮盘的峰值应力。在检测中，可以用采用提高试验转速、降低工艺叶片高度的方法，确保考核部位得到考核。

涡轮盘转动的周期如图1所示，图1中纵轴代表涡轮盘的转速，横轴代表测试时间，其中t₁、t₂和t₃为一个完整的循环周期，t₁为加速阶段，t₂为匀速保持阶段，t₃为减速阶段。具体地t₂可以取3至5秒。

优选地，最高转速由下述公式得出：n_max＝n_st×(σ_r/σ_st)^1/2；n_max为最高转速，n_st为发动机最大转速。

优选地，最低转速n_min为最高转速的5％。

优选地，检测状态下涡轮盘的预期旋转周期次数由下述公式得出：N_r＝N_st×((σ_r/σ_st)×(σ_0.2st/σ_0.2r))^-5.2826；其中N_r为检测中涡轮盘的预期旋转周期次数，N_st为实际工作中涡轮盘的预期旋转周期次数。当涡轮盘转动Nr周期后依然复合标准，则可以确定涡轮盘的使用寿命达到或超过预期使用寿命。

上述公式由下述方法推导出：测试的载荷系数k＝(σ_r/σ_st)×(σ_0.2st/σ_0.2r)；根据经验计算公式：0.1893×lg(N_好/N_差)＝0.1339×lg(S_好/S_差)，其中N_好是最好盘的寿命，N_差是最差盘的寿命，S_好是最好盘承受的脉动循环应力，S_差是最差盘承受的脉动循环应力；将试验器载荷系数k看成是最好盘所承受的最大应力与被批准的最差盘所承受的最大应力之比，则k与S_好/S_差之值相同，则0.1893×lg(η)＝0.1339×lg(k)，其中η为寿命系数；上式变换得到寿命系数表达式：η＝N_r/N_st＝4×(k)^-5.2826,即N_r＝η×N_st。

优选地，步骤S2中检测涡轮盘包括：对涡轮盘进行特征尺寸检测和探伤检测。

若涡轮盘在未完成全部检测旋转周期前被检测出不合格，则停止检测，并以已完成的旋转周期次数确定此涡轮盘的寿命。

测试中需要注意以下几点：试验前，试验组件必须动平衡，再按要求装到试验器上并进行偏摆和跳动检查。；按照试验器操作程序及图1所示的载荷谱进行循环试验，在整个试验过程中，不断监控各参数，并每隔一定时间在记录单上按要求记录数据一次；在整个试验过程中，按照机械试验大纲的要求，在完成一个周期的循环次数前，对试验组件进行目视检查，无异常现象后方可继续进行试验，确保试验正常进行；在完成一个周期的循环次数后，从试验器上拆下试验组件，进行特征尺寸测量和探伤检查，经探伤检查确认符合标准后，按试验组件技术要求进行试验组件的装配和动平衡，并重新将涡轮盘装在试验器上进行试验，这样依次完成各阶段的试验。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于检测涡轮盘的检测设备，其特征在于，包括：

转轴，用于安装所述涡轮盘；

驱动部，所述驱动部的输出轴与所述转轴连接；

加热装置，用于加热所述涡轮盘。

2.根据权利要求1所述的检测设备，其特征在于，所述涡轮盘检测工具还包括：多个工艺叶片，用于安装到所述涡轮盘上产生载荷。

3.根据权利要求2所述的检测设备，其特征在于，所述多个工艺叶片的转动惯量大于或等于所述涡轮盘上设计安装的涡轮叶片的转动惯量。

4.根据权利要求1所述的检测设备，其特征在于，所述加热装置包括用于容纳所述涡轮盘的加热腔。

5.一种涡轮盘的检测方法，其特征在于，包括：

S1：加热所述涡轮盘，并在保持所述涡轮盘处于预定的加热温度下周期性驱动所述涡轮盘旋转，每个旋转周期包括：从预设最低速加速到预设最高转速；保持预设最高转速预定时间；从预设最高转速降速到预设最低转速；

S2：驱动所述涡轮盘旋转多个所述旋转周期后，检测所述涡轮盘；

S3：重复上述步骤预定次数，若每次的检测结果均合格，则判断所述涡轮盘合格。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，在步骤S1前，向所述涡轮盘上安装多个工艺叶片，以模拟所述涡轮盘上设计安装的涡轮叶片。

7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，步骤S1包括：

加热所述涡轮盘，使所述涡轮盘的检测温度低于实际工作时涡轮盘的工作温度；

增加所述涡轮盘的峰值应力以对涡轮盘的检测温度与工作温度间的差异进行校正。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，增加后的所述涡轮盘的峰值应力由下述公式得出：

σ_r＝σ_st×(σ_0.2st/σ_0.2r)；

其中σ_r为检测中所述涡轮盘的峰值应力，σ_st为实际工作中所述涡轮盘的峰值应力，σ_0.2st为实际工作温度下所述涡轮盘的屈服应力，σ_0.2r为检测温度下所述涡轮盘的屈服应力。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，从S1到S3的完整的检测过程中所述涡轮盘的预期的旋转周期的次数由下述公式得出：

N_r＝N_st×((σ_r/σ_st)×(σ_0.2st/σ_0.2r))^-5.2826；

其中N_r为检测中涡轮盘的预期的旋转周期的次数，N_st为实际工作中所述涡轮盘的预期的旋转周期的次数。

10.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述预定时间为3至5秒。

11.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述最高转速由下述公式得出：

n_max＝n_st×(σ_r/σ_st)^1/2；

其中n_max为最高转速，n_st为发动机最大转速，σ_r为检测中所述涡轮盘的峰值应力，σ_st为实际工作中所述涡轮盘的峰值应力。

12.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述最低转速为所述最高转速的5％。

13.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，步骤S2中检测所述涡轮盘包括：对所述涡轮盘进行特征尺寸检测和探伤检测。