CN106839771B - 一种立式转子加温装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种立式转子加温装置包括保温装置包括上炉膛和下炉膛，上炉膛与下炉膛通过螺栓连接形成加温区域；转子固定装置包括转接法兰和传动轴，试验转子置于加温区域内且连接于转接法兰，且转接法兰与传动轴固定连接，传动轴能够带动试验转子转动；盘心冷却装置包括支架和冷却管，支架一端固定于下炉膛且另一端伸入转子盘心空腔内，冷却管环绕于支架用于给转子盘心部位降温；加温铠缆环绕于转子盘缘部位，用于给转子盘缘部位加温；隔热屏分别连接于上炉膛和下炉膛，设置在转子盘缘部位与转子盘心部位之间，用于隔热。本发明的立式转子加温装置结构简单、通用性强、使用方便，可显著的使得转子盘缘与转子盘心之间的温差扩大。

Description

一种立式转子加温装置及系统
技术领域
本发明属于航空发动机试验技术领域，尤其涉及一种立式转子加温装置及系统。
背景技术
在试验器上进行航空发动机轮盘转子强度和疲劳试验时，为尽可能模拟发动机工作状态，除对轮盘施加离心载荷外，常常还需要施加温度载荷。在某规范中明确规定转子超转试验应在“第一级涡轮转子进口稳态最高允许的燃气温度”下进行，轮盘破裂试验时“内孔或盘心材料应达到最高设计温度”。美国AC通报涡轮转子强度要求确定试验条件时“应根据发动机的测量温度和准确分析确定温度和温度梯度。若试验状态下达不到上述确定的温度和温度梯度，则应通过调整试验转速或叶片质量加以补偿”。
以某型机高压涡轮转子为例，真实发动机状态下，盘心和盘缘的最大瞬态温差达到150℃以上。强度试验(超转/破裂)时，受现有的技术条件限制，无法达到较大的温差要求，只能通过温度修正提高试验转速，修正后的转速过高，会使非考核部位的应力提高，增加试验风险。因此，设计大温差加温装置，真实模拟发动机工作状态，提高试验技术水平意义重大。
现有的施加温度载荷方法采用结构单一的圆柱形加温炉实现。现有的立式转子试验系统示意图如图1所示，加温装置100’固定在立式转子试验器上，将试验转子160包裹在内。热量传递的基本方式包括热传导、热对流及热辐射，在转子试验器的真空条件下，加温元件(图中所示加温圆盘)产生的热量到试验转子160的传递主要依靠热辐射，试验转子160本身内部的热量传递主要依靠热传导。受盘体结构、空间限制、热量传递的影响，轮盘状的试验转子160易于形成恒定的均匀温度场，难以实现转子盘缘与转子盘心之间具有较大梯度的温度场。
现有的立式转子试验器的加温装置存在诸多不足，主要是在以下几个方面：
圆盘加热元件结构简单，布局缺乏针对性；只有加热元件无冷却装置，真空状态下无法形成稳定温度梯度；试验件降温冷却时间长，效率低下。
因此，需要设计一种能够实现大梯度温度场的轮盘试验加温装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种立式转子加温装置及系统，用于解决上述任一问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种立式转子加温装置，包括
保温装置，所述保温装置包括上炉膛和下炉膛，所述上炉膛与下炉膛通过螺栓连接形成加温区域；
转子固定装置，所述转子固定装置包括转接法兰和传动轴，试验转子置于所述加温区域内且连接于转接法兰，且转接法兰与传动轴固定连接，传动轴能够带动试验转子转动；
盘心冷却装置，所述盘心冷却装置包括支架和冷却管，所述支架一端固定于下炉膛且另一端伸入转子盘心空腔内，所述冷却管环绕于支架用于给转子盘心部位降温；以及还包括
加温铠缆，所述加温铠缆环绕于转子盘缘部位，用于给转子盘缘部位加温；
隔热屏，所述隔热屏分别连接于上炉膛和下炉膛，设置在转子盘缘部位与转子盘心部位之间，用于隔热。
本发明一优选实施例的是，所述冷却管以所述支架为轴心，以螺旋方式环绕所述支架。
本发明一优选实施例的是，所述冷却管采用水冷冷却，冷却介质为水。
本发明一优选实施例的是，所述加温铠缆以转子盘缘为轴心，以螺旋方式环绕。
本发明一优选实施例的是，所述加温铠缆表面工艺处理，表面发射率为.以上。
本发明一优选实施例的是，所述隔热屏包括上隔热屏和下隔热屏，上隔热屏固定连接于上炉膛，下隔热屏固定连接于下炉膛，上隔热屏与下隔热屏共面。
本发明一优选实施例的是，在所述下炉膛上设有散热孔，所述散热孔用于转子盘心部位散热。
本发明还提供了一种立式转子加温系统，所述立式转子加温系统包括上述的立式转子加温装置，还包括驱动电机、升降机、齿轮箱、阻尼器和防护装置，所述防护装置内为真空舱体，所述立式转子加温装置置于所述真空舱体内，所述立式转子加温装置的传动轴通过阻尼器和齿轮箱与驱动电机连接，升降机与驱动电机连接。
本发明的立式转子加温装置结构简单、通用性强、使用方便，可显著的使得转子盘缘与转子盘心之间的温差扩大。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为现有技术的立式转子试验系统示意图。
图2为本发明一实施例的试验转子结构分布示意图。
图3为本发明一实施例的立式转子试验装置示意图。
图4为本发明一实施例的散热孔示意图。
附图标记：
110-保温装置，111-上炉膛，112-下炉膛，113-加温区域，114-散热孔,115-挂钩，116-防护支架；
120-转子固定装置，121-转接法兰，122-传动轴；
130-盘心冷却装置，131-支架，132-冷却管；
140-加温铠缆；
150-隔热屏，151-上隔热屏，152-下隔热屏；
160-试验转子；
200-驱动电机，300-升降机，400-齿轮箱，500-阻尼器，600-防护装置，610-真空舱体。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
如图2所示为本发明一实施例的试验转子结构分布示意图，首先对试验转子160的结构进行简单说明，试验转子160基本为盘式结构，中间为通孔，中间较厚、两边较薄，因此定义S1区域为转子盘缘部位，S2区域为转子盘心部位，S3区域为转子盘心空腔。
如图3所示即为本发明一实施例的立式转子试验装置示意图，本发明的立式转子加温装置包括保温装置110、转子固定装置120、盘心冷却装置130、加温铠缆140和隔热屏150等。
保温装置110包括上炉膛111和下炉膛112，上炉膛111与下炉膛112通过螺栓连接形成加温区域113。转子固定装置120包括转接法兰121和传动轴122，试验转子160置于加温区域113内且连接于转接法兰121，且转接法兰121与传动轴122固定连接，传动轴122能够带动试验转子160转动；盘心冷却装置130包括支架131和冷却管132，支架131一端固定于下炉膛112且另一端伸入转子盘心空腔内，冷却管132环绕于支架131用于给转子盘心部位降温；加温铠缆140环绕于转子盘缘部位，用于给转子盘缘部位加温；隔热屏150分别连接于上炉膛111和下炉膛112，设置在转子盘缘部位与转子盘心部位之间，用于隔热。
在本发明中，加温铠缆140设计成蛇形，所述蛇形即加温铠缆140以转子盘缘部位S1为轴线，以螺旋方式环绕转子盘缘，设计成蛇形的加温铠缆140取代了现有的盘状电炉丝，可以均匀的为转子盘缘部位S1辐射热量，通过控制加温铠缆140的轴向尺寸，使加温铠缆140尽可能只辐射到转子盘缘部位S1区域，调节加温铠缆140的加热功率，对加温铠缆140的表面做工艺处理，提高或使得其表面发射率到0.9以上。
在本发明中，隔热屏150包括上隔热屏151和下隔热屏152，上隔热屏151与上炉膛111固定连接，下隔热屏152与下炉膛112也固定连接，通过在转子盘缘部位S1与转子盘心部位S2之间设计有隔热屏150，实现隔热屏150从空间上将转子盘缘与盘心划分为两个区域，能有效隔绝加温元件(即加温铠缆140)对转子盘心部位S2的辐射作用，使转子盘心只能通过转子盘缘处热传导升温，大大降低了转子盘心温度上升的速率，使转子盘心和转子盘缘之间形成较大温差；上下隔热屏均采用螺栓连接的方式固定在上下炉膛，当然还可以采取其他固定方式，如焊接等方式固定，最后可以根据试验转子的轮盘的轴向长度(或厚度)对隔热屏150进行调节。
在本发明中，盘心冷却装置130包括支架131和冷却管132，冷却管132以支架131为轴线并以螺旋方式环绕支架131，将冷却管132缠绕在固定于炉底的支架131上以加大冷却水流量。通过循环冷却水的作用，带走转子盘心部位S2的部分热量，使其温度降低；冷却管132的缠绕密集程度和冷却水流量可根据调试出的转子盘缘与转子盘心之间的温差进行适当调节调节。在本发明的实施例中，冷却管132的冷却介质为水，当然还可以采用其他的冷却介质。
在本发明中，在下炉膛上设计了散热孔114，散热孔114位于转子盘心部位S2附近，用于使转子盘心部位的热量通过散热孔114辐射到立式转子加温装置的外部，降低转子盘心的温度，最后对需要降温的部位撤掉保温层(如图2中上炉膛111之间的保温层、下炉膛112内外壁粘贴或固定的保温层等)，造成转子盘缘与转子盘心之间的大温差。在本发明的实施例中，散热孔114采用扇形设计布局，如图4所示，既保证了下炉膛112支撑盘心冷却装置130的刚性，又达到了转子盘心散热的目的。当然，在达到上述刚度及散热目的的前提下，散热孔114还可以为其他形式，如多个散热圆孔等形式。
在本发明中，还设计了挂钩115和防护支架116，挂钩115成L型固定焊接在下炉膛112的侧壁，上炉膛111与下炉膛112可以通过较长的连接螺栓穿过挂钩115实现连接，炉膛内部接出的电偶线以及加温的电源线可以在规则缠绕后悬挂在挂钩115上，防止各种电线相互交叉缠绕引起短路；防护支架116可以由铝材料制成，减轻重量，防护支架116用来支撑立式转子加温装置中的下炉膛112，保护盘心冷却装置130的水管和测温电偶线等部件。
本发明的立式转子加温装置的安装步骤参考如下：首先将上隔热屏151和上炉膛111进行螺栓连接，其次将试验转子160与转接法兰121进行装配、通过传动轴122穿过上炉膛111的中心孔与加温系统的驱动轴相连，然后将下隔热屏152和盘心冷却装置130装配固定在下炉膛112，最后将下炉膛112通过8个均布的安装挂钩115穿过螺杆，用螺母将上下炉膛紧固，完成安装。
另外本发明还提供了一种立式转子加温系统，所述立式转子加温系统采用上述的立式转子加温装置外，还包括驱动电机200、升降机300、齿轮箱400、阻尼器500和防护装置600等，防护装置600内为真空舱体610，立式转子加温装置置于真空舱体610内，立式转子加温装置的传动轴122通过阻尼器500和齿轮箱400与驱动电机200连接，升降机300与驱动电机200连接。在试验过程中，将立式转子加温装置固定在加温系统上用以提供转子盘缘与转子盘心之间产生具有较大梯度的温度场，加温系统的驱动电机通过变速装置带动传动轴和试验件进行旋转。
本发明的立式转子加温装置采用设计蛇形的加温铠缆140、在转子盘缘与转子盘心间增设隔热屏150、增设转子盘心处的盘心冷却装置130、转子盘心底开散热孔114等一系列方法，生成一套能够实现转子盘缘与转子盘心之间产生较大温差梯度的温度场的加温装置，解决了以往加温装置只能生成均匀温度场的问题。为了验证本发明是否有效，对以往加温装置和本发明的增加了隔热屏150转子盘心的盘心冷却装置130的加温装置进行了数值仿真，计算显示，在加温十个小时后，转子盘缘末梢温度达到640℃，对未加隔热屏150和盘心冷却装置130的加温系统，盘状的试验转子160基本达到均温，即转子盘缘与转子盘心之间温差仅在20℃左右；在增加隔热屏150和盘心冷却装置130之后，转子盘缘与转子盘心之间的温差达到了150℃左右，由此可见，本发明的立式转子加温装置大大提高了在加热状态下转子盘缘与转子盘心之间的温差。
本发明的立式转子加温装置结构简单、通用性强、使用方便。应用本发明对某型发动机高压涡轮转子进行加温对比试验，分别从原加温装置和采用本发明多项设计的加温装置在某型高压涡轮盘加温试验中采集的试验数据可得，对比试验数据如表1所示，在加温4个小时以后，采用原加温装置的转子盘缘与转子盘心间最大温差仅在60℃到70℃之间，而采用本发明的加温装置之后，温差均在150℃到160℃之间，更适合模拟发动机高压涡轮的工作状态，在此温度区间内可完成大部分高压涡轮的强度试验(超转/破裂试验)；在加温6个小时之后，采用原加温装置的转子盘缘与转子盘心间的温差趋于稳定到50℃到60℃之间，而采用本发明的加温装置的转子盘缘与转子盘心间的温差趋于稳定在100℃到110℃之间；最终在8个小时之后，采用原加温装置的转子盘缘与转子盘心间的温差稳定在40℃左右，而采用本发明的加温装置的转子盘缘与转子盘心之间的温差最终稳定在90℃左右，由此可见，本发明的立式转子加温装置适用于大部分高压涡轮疲劳试验，且具有显著的效果。
表1：采用不同加温装置进行加温试验的盘缘/盘心温度差
以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术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。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种立式转子加温装置，其特征在于，所述立式转子加温装置包括
保温装置(110)，所述保温装置(110)包括上炉膛(111)和下炉膛(112)，所述上炉膛(111)与下炉膛(112)通过螺栓连接形成加温区域(113)；
转子固定装置(120)，所述转子固定装置(120)包括转接法兰(121)和传动轴(122)，试验转子(160)置于所述加温区域(113)内且连接于转接法兰(121)，且转接法兰(121)与传动轴(122)固定连接，传动轴(122)能够带动试验转子(160)转动；
盘心冷却装置(130)，所述盘心冷却装置(130)包括支架(131)和冷却管(132)，所述支架(131)一端固定于下炉膛(112)且另一端伸入转子盘心空腔内，所述冷却管(132)环绕于支架(131)用于给转子盘心部位降温；以及还包括
加温铠缆(140)，所述加温铠缆(140)环绕于转子盘缘部位，用于给转子盘缘部位加温；
隔热屏(150)，所述隔热屏(150)分别连接于上炉膛(111)和下炉膛(112)，设置在转子盘缘部位与转子盘心部位之间，用于隔热。
2.根据权利要求1所述的立式转子加温装置，其特征在于，所述冷却管(132)以所述支架(131)为轴心，以螺旋方式环绕所述支架(131)。
3.根据权利要求2所述的立式转子加温装置，其特征在于，所述冷却管(132)内的冷却介质为水。
4.根据权利要求1所述的立式转子加温装置，其特征在于，所述加温铠缆(140)以转子盘缘为轴心，以螺旋方式环绕。
5.根据权利要求1所述的立式转子加温装置，其特征在于，所述加温铠缆(140)表面做工艺处理，表面发射率为0.9以上。
6.根据权利要求1所述的立式转子加温装置，其特征在于，所述隔热屏(150)包括上隔热屏(151)和下隔热屏(152)，上隔热屏(151)固定连接于上炉膛(111)，下隔热屏(152)固定连接于下炉膛(112)，上隔热屏(151)与下隔热屏(152)共面。
7.根据权利要求1所述的立式转子加温装置，其特征在于，在所述下炉膛(112)上设有散热孔(114)，所述散热孔(114)用于转子盘心部位散热。
8.一种立式转子加温系统，其特征在于，所述立式转子加温系统包括如权利要求1至7任一所述的立式转子加温装置，还包括驱动电机(200)、升降机(300)、齿轮箱(400)、阻尼器(500)和防护装置(600)，所述防护装置(600)内为真空舱体(610)，所述立式转子加温装置置于所述真空舱体(610)内，所述立式转子加温装置的传动轴(122)通过阻尼器(500)和齿轮箱(400)与驱动电机(200)连接，升降机(300)与驱动电机(200)连接。
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