CN106370411A - 一种用于悬臂涡轮盘的高温超速试验转接装置 - Google Patents

Abstract

一种用于悬臂涡轮盘的高温超速试验转接装置，包括涡轮盘连接件(1)、定位块(2)、M10内六角螺钉(3)、C型平键(4)，主要应用于高温状态下的悬臂涡轮盘转子的超速疲劳试验，起到将试验台驱动轴与涡轮盘进行定位、对接、紧固、传扭的作用，装置的设计充分考虑了高温结构强度和旋转轴系的转动惯量的要求。本发明结构重量轻，定位效果良好，具有耐高温(600℃)和放松脱等功能，在高速(35000r/min)状态下装置稳定性强，试验测试效果良好，同时设计有去重带，便于试验前的动平衡去重。

Description

一种用于悬臂涡轮盘的高温超速试验转接装置

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机涡轮泵转子高温超速疲劳试验领域，是一种用于悬臂涡轮盘的高温超速疲劳试验转接装置，主要应用于长悬臂结构的盘轴一体式涡轮盘超速疲劳试验。

背景技术

涡轮泵转子是液体火箭发动机的动力核心，是输送液氢液氧推进剂的关键组件，其运行状态的好坏将直接影响液体火箭发动机的性能和可靠性。由于涡轮泵转子转速高、动能大，实际工作状态受高温、振动等多种复杂因素影响，对其进行动力学特性及振动分析十分重要。然而，仿真分析无法准确模拟涡轮泵转子的复杂工况，普通试验研究也难以实现对高温高速状态的模拟，因此，超速疲劳试验对涡轮泵转子系统的动力学特性及结构强度可靠性研究显得尤为重要。

超速疲劳试验是利用高速旋转所产生的强大离心力，在超出旋转构件实际而定工作转速1或1.25倍的试验转速下，对高速旋转件预加载荷，来验证、提高旋转构件工作安全可靠性的一种试验方法，主要应用于转子系统的质量控制和工作转速的验证、转子系统的极限强度试验和转子系统的疲劳试验等方面

由于试验在高温高速下进行，并且进行试验的涡轮盘存在较大悬臂，对试验的定位和对中要求极高，而对转子系统的稳定性控制也是一个难题。现有试验装置仅仅能满足常温状态下的超速和疲劳试验，对中精度较差，可达到试验转速较低，并且装置上不具备去重带。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种用于悬臂涡轮盘的高温超速试验转接装置，为了进行液体火箭发动机涡轮泵转子高温超速疲劳试验，满足长悬臂涡轮盘的超速疲劳试验对接要求，设计了一种转接装置，起到将试验台驱动轴与涡轮盘进行定位、对接、紧固，传扭的作用，对中精度较高，同时考虑装置转动惯量的要求。该装置材料需要满足600℃高温和35000r/min转速下的强度要求，并且装置不能因为高温膨胀而松脱，同时要确保超速疲劳试验件的动态稳定性。设计时还需满足低速动平衡去重的要求。

本发明解决的技术方案为：一种用于悬臂涡轮盘的高温超速疲劳试验转接装置，包括：涡轮盘连接件(1)；定位块(2)、M10内六角螺钉(3)；C型平键(4)；

涡轮盘连接件(1)包括：驱动法兰连接段(101)和悬臂涡轮盘连接段(102)；驱动法兰连接段为中空圆柱体，悬臂涡轮盘连接段为中空圆柱体；

驱动法兰连接段(101)的一个端面与外部的驱动轴通过法兰连接，并通过螺钉固定，使外部驱动轴能够带动涡轮盘连接件(1)转动；定位块(2)的第一定位圆柱体(2021)与外部的驱动轴配合，实现涡轮盘连接件(1)和外部的驱动轴定位；驱动法兰连接段(101)的一个端面设有一个圆柱形凹槽；

悬臂涡轮盘连接段(102)的一个端面和驱动法兰连接段(101)的另一个端面贴合，悬臂涡轮盘连接段(102)的另一个端面设有圆柱形凹槽，且圆柱形凹槽的直径大于悬臂涡轮盘连接段(102)的内壁的直径，在圆柱形凹槽内壁上设置有两个安装C型平键(4)的矩形键槽，且矩形键槽的尺寸与C型平键(4)匹配；C型平键(4)为一端带有弧形面的长方体，与弧形面(401)对应的一端为平面端(402)；

C型平键(4)的平面端(402)插入矩形键槽内，弧形面(401)从矩形键槽伸出；两个C型平键(4)伸出的弧形面(401)作为涡轮盘转子的安装端；

定位块(2)为包括防止M10内六角螺钉(3)松动段(201)和定位段(202)，防止螺钉(3)松动段为圆柱体，定位段(202)为两个定位圆柱体，分别为第一定位圆柱体(2021)和第二定位圆柱体(2022)，第一定位圆柱体(2021)的直径小于第二定位圆柱体(2022)，第二定位圆柱体(2022)位于第一定位圆柱体(2021)和防止M10内六角螺钉(3)松动段(201)之间；第二定位圆柱体(2022)和驱动法兰连接段(101)的一个端面设有的圆柱形凹槽配合实现涡轮盘连接件(1)和定位块(2)的定位，防止M10内六角螺钉(3)松动段(201)和定位段(202)均位于驱动法兰连接段(101)内；

M10内六角螺钉(3)位于涡轮盘连接件(1)内，M10内六角螺钉(3)包括螺帽和螺柱，螺帽与定位块(2)的防止松动段(201)靠近且有一定间隙，螺柱从悬臂涡轮盘连接段(102)的另一个端面的圆柱形凹槽内伸出，能够与外部涡轮盘转子连接。

为了保持高速状态下的稳定性，避免升速过程中出现自激励振动，本试验装置与外部悬臂涡轮盘转子装配后整体的轴向转动惯量I_z与径向转动惯量I_x的关系为：

为了保持高速状态下的稳定性，避免试验转速下发生共振，本试验装置与外部悬臂涡轮盘转子装配后整体的二阶临界转速ω₂、三阶临界转速ω₃与试验转速Ω的关系为：130％ω₂<Ω<70％ω₃。

涡轮盘连接件(1)为钛合金材料，定位块(2)为不锈钢材料，M10内六角螺钉(3)为钛合金材料。由于不锈钢的线膨胀系数大于钛合金的线膨胀系数，因此确保了高温状态下M10内六角螺钉(3)不会因自身膨胀度小于螺纹孔膨胀度而松脱。

涡轮盘连接件(1)的悬臂涡轮盘连接段(102)的直径d1与驱动法兰连接段(101)的直径d2的关系为：d1/d2＝2～2.5。这种结构尺寸设计关系，能够增加涡轮盘连接件(1)于外部悬臂涡轮盘转子的对接部位的结构强度，同时可以将悬臂涡轮盘连接段(102)的外表面作为动平衡去重区域。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的试验转接装置材料需要在高温高速状态下具有良好的性能，结构稳定，不会因为高温膨胀而松脱，设计时也许考虑系统稳定性及临界转速避开工作转速等问题。

(2)本发明的试验装置已经多次成功应用于涡轮盘的高温超速疲劳试验中，试验结果良好，装配可靠性高。

(3)本发明结构重量轻。本试验装置的主要部件都采用钛合金加工，既能确保材料在高温高速下具备足够的强度，又满足装置轴系转动惯量的要求，同时减轻了结构整体的重量，便于安装分解。

(4)本发明定位精度高。本试验装置的定位块装配以及与涡轮盘轴头的配合都为过盈配合，径向与轴向配合精度可以达到0.03mm以下，确保了试验件与试验台驱动轴的对中度。

(5)本发明耐高温设计。高温超速试验的试验温度可达600℃以上，在高温状态下材料的强度会显著降低，常温下的结构设计强度与配合精度在高温下都无法达到。本试验装置设计时考虑了材料在高温下的膨胀对结构强度与配合精度的影响，使其在高温下仍然可以满足设计要求，具备足够的可靠性与安全性。

(6)本发明防松脱设计。试验装置内的M10内六角螺钉起到了固定涡轮盘连接件与涡轮盘轴头间配合的作用，防止试验件在高温高速下发生意外松脱的可能性，确保了试验的安全性。

(7)本发明高速稳定性好。由于超速试验驱动轴为单点悬挂式支撑，这种支撑方式相对于长悬臂结构的转子而言，转子自身在高速状态下摆动较大，很难控制系统的高速稳定性。本试验装置在设计时考虑了如何控制旋转系统重心及其转动惯量，提高了系统在高速状态下的稳定性。

(8)本发明装置临界转速避开工作转速。由于本试验装置用于高速工况(n>35000r/min)，设计时考虑到使试验系统的临界转速避开工作转速，使其具有足够的刚度和稳定性，避免由于转子振动造成共振，产生干扰频率。

(9)本发明增加去重带。本试验装置设计时在涡轮盘连接件外侧增加了低速动平衡去重带，可在系统低速动平衡时直接在装置外侧进行去重，保证了试验件的设计完整性，也便于对系统进行低速动平衡，提高系统的高速稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于悬臂涡轮盘的高温超速试验转接装置应用装配图；

图2为本发明提供的涡轮盘连接件结构图；

图3为本发明提供的定位块；

图4为本发明提供的C型平键；

图5为本发明提供的M10内六角螺钉结构图；

图6为本发明的转接装置对试验件进行测试所得的试验数据示意图。

具体实施方式

本发明的基本思路为：一种用于悬臂涡轮盘的高温超速试验转接装置，包括涡轮盘连接件(1)、定位块(2)、M10内六角螺钉(3)、C型平键(4)，主要应用于高温状态下的悬臂涡轮盘转子的超速疲劳试验，起到将试验台驱动轴与涡轮盘进行定位、对接、紧固、传扭的作用，装置的设计充分考虑了高温结构强度和旋转轴系的转动惯量的要求。本发明结构重量轻，定位效果良好，具有耐高温(600℃)和放松脱等功能，在高速(35000r/min)状态下装置稳定性强，试验测试效果良好，同时设计有去重带，便于试验前的动平衡去重。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种用于悬臂涡轮盘的高温超速疲劳试验转接装置，包括：涡轮盘连接件(1)；定位块(2)；M10内六角螺钉(3)；C型平键(4)。涡轮盘连接件(1)为钛合金材料，定位块(2)为不锈钢材料，M10内六角螺钉(3)为钛合金材料。由于不锈钢的线膨胀系数大于钛合金的线膨胀系数，因此确保了高温状态下M10内六角螺钉(3)不会因自身膨胀度小于螺纹孔膨胀度而松脱。

如图2所示，涡轮盘连接件(1)包括：驱动法兰连接段(101)和悬臂涡轮盘连接段(102)；驱动法兰连接段为中空圆柱体，悬臂涡轮盘连接段为中空圆柱体。涡轮盘连接件(1)的悬臂涡轮盘连接段(102)的直径d₁与驱动法兰连接段(101)的直径d₂的关系为：d₁/d₂＝2～2.5。这种结构尺寸设计关系，能够增加涡轮盘连接件(1)于外部悬臂涡轮盘转子的对接部位的结构强度，同时可以将悬臂涡轮盘连接段(102)的外表面作为动平衡去重区域。

驱动法兰连接段(101)的一个端面与外部的驱动轴通过法兰连接，并通过螺钉固定，使外部驱动轴能够带动涡轮盘连接件(1)转动；定位块(2)的第一定位圆柱体(2021)与外部的驱动轴配合，实现涡轮盘连接件(1)和外部的驱动轴定位；驱动法兰连接段(101)的一个端面设有一个圆柱形凹槽。

悬臂涡轮盘连接段(102)的一个端面和驱动法兰连接段(101)的另一个端面贴合，悬臂涡轮盘连接段(102)的另一个端面设有圆柱形凹槽，且圆柱形凹槽的直径大于悬臂涡轮盘连接段(102)的内壁的直径，在圆柱形凹槽内壁上设置有两个安装C型平键(4)的矩形键槽，且矩形键槽的尺寸与C型平键(4)匹配；C型平键(4)为一端带有弧形面的长方体，与弧形面(401)对应的一端为平面端(402)。

如图4所示，C型平键(4)的平面端(402)插入矩形键槽内，弧形面(401)从矩形键槽伸出；两个C型平键(4)伸出的弧形面(401)作为涡轮盘转子的安装端。

如图3所示，定位块(2)为包括防止M10内六角螺钉(3)松动段(201)和定位段(202)，防止M10内六角螺钉(3)松动段为圆柱体，定位段(202)为两个定位圆柱体，分别为第一定位圆柱体(2021)和第二定位圆柱体(2022)，第一定位圆柱体(2021)的直径小于第二定位圆柱体(2022)，第二定位圆柱体(2022)位于第一定位圆柱体(2021)和防止M10内六角螺钉(3)松动段(201)之间；第二定位圆柱体(2022)和驱动法兰连接段(101)的一个端面设有的圆柱形凹槽配合实现涡轮盘连接件(1)和定位块(2)的定位，防止M10内六角螺钉(3)松动段(201)和定位段(202)均位于驱动法兰连接段(101)内。

如图5所示，M10内六角螺钉(3)位于涡轮盘连接件(1)内，M10内六角螺钉(3)包括螺帽和螺柱，螺帽与定位块(2)的防止松动段(201)靠近且有一定间隙，螺柱从悬臂涡轮盘连接段(102)的另一个端面的圆柱形凹槽内伸出，能够与外部涡轮盘转子连接。

本发明能够测试悬臂涡轮盘转子，所述的悬臂涡轮盘转子包括：涡轮盘和旋转轴；待测试的涡轮盘转子的涡轮盘上靠近旋转轴处有和本发明的装置的配合的连接端，连接端有内螺纹孔，待测试的涡轮盘转子的连接端插入悬臂涡轮盘连接段(102)的另一个端面的圆柱形凹槽，M10内六角螺钉(3)能够与涡轮盘转子的内螺纹孔配合，使涡轮盘转子能够与涡轮盘连接件(1)连接并通过M10内六角螺钉(3)固定，实现径向定位；涡轮盘连接件(1)的悬臂涡轮盘连接段(102)的另一个端面与待测试的涡轮盘转子的涡轮盘贴合，待测试的涡轮盘转子的涡轮盘上靠近连接端处为平面，实现轴向定位。涡轮盘连接件(1)与待测试的涡轮盘转子的旋转轴同轴，且涡轮盘连接件(1)能够带动待测试的涡轮盘转子转动。

为了保持高速状态下的稳定性，避免升速过程中出现自激励振动，本试验装置与外部悬臂涡轮盘转子装配后整体的轴向转动惯量I_z与径向转动惯量I_x的关系为：本试验装置与外部悬臂涡轮盘转子装配后整体的二阶临界转速ω₂、三阶临界转速ω₃与试验转速Ω的关系为：130％ω₂<Ω<70％ω₃。

本发明的试验装置连接电机驱动法兰端与被测试验件连接端，使电机输出轴能够带动试验件转动。

测试方法为：

(1)将本发明的试验装置与悬臂涡轮盘转子进行装配对接；

(2)将上述装配好的试验装置与试验台电机取驱动法兰进行对接装配；

(3)关闭试验台真空防爆仓，对仓内抽真空；

(4)待真空度达到试验要求，启动驱动电机，将电机输出轴的转速设定在500r/min运转，开始对试验件进行加热；

(5)待加热温度升至试验要求温度(600℃)后，将电机输出轴的转速提高至试验要求转速；

(6)监测试验振动数据，达到试验要求的运转时间后停止试验。

利用一种用于悬臂涡轮盘的高温超速疲劳试验转接装置对试验件进行测试，所得某次试验数据如图6所示。图6中横坐标为试验时间，纵坐标依次分别为温度、振动位移和转速，图6中三条曲线分别转速从500r/min升至接近28000r/min时的温度、振动位移和转速曲线。从图中曲线可以明显看出当试验件升速至约5000r/min时，试验件出现振动峰值，但峰值较小，表明试验件在高速状态下不平衡量较小，对中精度较高。当越过振动峰值后，转速逐渐升高至试验转速，试验件振动量级逐渐降低，振动曲线平稳，表明在所设定的试验转速下，验证了所设计的装置结构固有频率能够有效避开试验件的工频与固有频率，具有足够的刚度和稳定性，避免由于转子振动造成共振，产生干扰频率。待试验件运转时间达到试验要求后，试验结束，整个试验过程的试验曲线平稳，表明本发明的试验装置在600℃高温下，结构强度强、配合精度高，在高温状态下未发现试验装置与试验件连接松脱的现象，验证了本发明试验装置的安全可靠。

Claims (5)

1.一种用于悬臂涡轮盘的高温超速疲劳试验转接装置，其特征在于包括：涡轮盘连接件(1)；定位块(2)、M10内六角螺钉(3)；C型平键(4)；

涡轮盘连接件(1)包括：驱动法兰连接段(101)和悬臂涡轮盘连接段(102)；驱动法兰连接段为中空圆柱体，悬臂涡轮盘连接段为中空圆柱体；

驱动法兰连接段(101)的一个端面与外部的驱动轴通过法兰连接，并通过螺钉固定，使外部驱动轴能够带动涡轮盘连接件(1)转动；定位块(2)的第一定位圆柱体(2021)与外部的驱动轴配合，实现涡轮盘连接件(1)和外部的驱动轴定位；驱动法兰连接段(101)的一个端面设有一个圆柱形凹槽；

悬臂涡轮盘连接段(102)的一个端面和驱动法兰连接段(101)的另一个端面贴合，悬臂涡轮盘连接段(102)的另一个端面设有圆柱形凹槽，且圆柱形凹槽的直径大于悬臂涡轮盘连接段(102)的内壁的直径，在圆柱形凹槽内壁上设置有两个安装C型平键(4)的矩形键槽，且矩形键槽的尺寸与C型平键(4)匹配；C型平键(4)为一端带有弧形面的长方体，与弧形面(401)对应的一端为平面端(402)；

C型平键(4)的平面端(402)插入矩形键槽内，弧形面(401)从矩形键槽伸出；两个C型平键(4)伸出的弧形面(401)作为涡轮盘转子的安装端；

定位块(2)为包括防止M10内六角螺钉(3)松动段(201)和定位段(202)，防止螺钉(3)松动段为圆柱体，定位段(202)为两个定位圆柱体，分别为第一定位圆柱体(2021)和第二定位圆柱体(2022)，第一定位圆柱体(2021)的直径小于第二定位圆柱体(2022)，第二定位圆柱体(2022)位于第一定位圆柱体(2021)和防止M10内六角螺钉(3)松动段(201)之间；第二定位圆柱体(2022)和驱动法兰连接段(101)的一个端面设有的圆柱形凹槽配合实现涡轮盘连接件(1)和定位块(2)的定位，防止M10内六角螺钉(3)松动段(201)和定位段(202)均位于驱动法兰连接段(101)内；

M10内六角螺钉(3)位于涡轮盘连接件(1)内，M10内六角螺钉(3)包括螺帽和螺柱，螺帽与定位块(2)的防止松动段(201)靠近且有一定间隙，螺柱从悬臂涡轮盘连接段(102)的另一个端面的圆柱形凹槽内伸出，能够与外部涡轮盘转子连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于悬臂涡轮盘的高温超速疲劳试验转接装置，其特征在于：本试验装置与外部悬臂涡轮盘转子装配后整体的轴向转动惯量I_z与径向转动惯量I_x的关系为：

3.根据权利要求1所述的一种用于悬臂涡轮盘的高温超速疲劳试验转接装置，其特征在于：本试验装置与外部悬臂涡轮盘转子装配后整体的二阶临界转速ω₂、三阶临界转速ω₃与试验转速Ω的关系为：130％ω₂<Ω<70％ω₃。

4.根据权利要求1所述的一种用于悬臂涡轮盘的高温超速疲劳试验转接装置，其特征在于：涡轮盘连接件(1)为钛合金材料，定位块(2)为不锈钢材料，M10内六角螺钉(3)为钛合金材料；不锈钢的线膨胀系数大于钛合金的线膨胀系数。

5.根据权利要求1所述的一种用于悬臂涡轮盘的高温超速疲劳试验转接装置，其特征在于：涡轮盘连接件(1)的悬臂涡轮盘连接段(102)的直径d1与驱动法兰连接段(101)的直径d2的关系为：d1/d2＝2～2.5。