CN106840643B - 一种冲击换热下机匣热变形的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击换热下机匣热变形测量装置，在试验机匣的上下两端分别设置上下辅助机匣，所述上辅助机匣的上端为无约束的自由状态，下辅助机匣的下端为可监测的约束状态；在各机匣的内腔设置多个加热环以模拟机匣内部热源，加热单元的底面设有耐高温弹性材料，使所述加热单元在各个工况下均紧贴机匣内壁，加热环在全温度工况范围内对机匣均为零约束，其直径略小于机匣所需加热位置内径，且其所选材料的热膨胀系数小于机匣材料的热膨胀系数，即使在高温下，加热环与各所述机匣仍保持一定的间隙。本发明的冲击换热下机匣热变形测量装置，可以有效模拟冲击换热下机匣所受约束状态，有效模拟并测量机匣的温度场及机匣变形场。

Description

一种冲击换热下机匣热变形的测量装置

技术领域

本发明涉及燃气轮机和航空发动机技术领域，尤其涉及一种采用主动间隙控制系统的涡轮机匣传热与变形测量装置。

背景技术

燃气轮机在不同工作状态下，机匣与转子叶片之间的间隙变化不同，例如巡航状态下间隙要远大于起飞状态，每减小0.254mm的叶尖间隙可减小0.8％-1％的耗油率、减小于10℃的排气温度，通过叶尖主动间隙控制技术能够有效地降低发动机油耗，提高发动机效率，从而降低排气温度，减小NOx、CO、CO2排放，提高热端部件的循环寿命，提高单次飞行任务的有效载荷并拓宽高压压气机的失速边界。采用涡轮主动间隙控制系统的燃气轮机，冲击换热下机匣的热变形值，是控制涡轮机匣和转子叶片叶尖间隙的重要数据支持。

关于主动间隙控制系统的设计方案，NASA在2003年提出了一种机械式主动间隙控制系统(Mechanical ACC,M-ACC)及其改进型，相对于传统的采用冷气对机匣进行冲击冷却的方式(Thermal ACC,T-ACC)，其采用液压装置、伺服电机的方式，对机匣进行径向可控的变形量调整并详细设计了相关的试验方案，其试验方案考虑了温度场与压力场，且对作动器的热防护问题进行了详细叙述，并于2005年给出了部分试验数据及在试验中出现的问题及解决方法；Mattern提出了一种电磁式作动器，并对其效果进行了验证；Justak等人设计了一种控制涡轮叶尖间隙的自适应双层封严结构，外层为分段的密封面，作为第一级密封，内层采用可变形金属软片作为第二级密封，其利用气体在密封结构中的压降作为自适应驱动力，来保证在整个飞行循环中转静子间隙保持在0.127-0.254mm；Knipser等人比较了基于机械式(M-ACC)与冷气式(T-ACC)的两种ACC系统，其认为，T-ACC系统较为简单，但发动机从T-ACC系统中获得的性能增长并不是线性的，使用T-ACC系统会增加耗油率，并且，由于热惯性的影响，T-ACC系统应用于闭环控制时响应速度慢，会增加碰磨的可能性，而为了减小碰磨的概率只得牺牲间隙控制的范围。而M-ACC系统从发动机的出功中抽取的功率可以忽略不计，且不需要牺牲间隙控制范围，适用于闭环、精确控制。但是，使用M-ACC系统后，机匣在高温下除了温度引起的内应力外会额外多一项来自于M-ACC系统的应力，这会增加机匣的蠕变，减少循环寿命，即使用M-ACC系统后，提高了单次飞行任务中的燃油经济性，但缩短了其热端部件的循环寿命。

对于主动间隙控制系统中的核心问题——冲击换热下机匣的温度场及位移场的研究。在国外，最具代表性的就是NASA于1979年开展的针对JT9D-70/59的高压涡轮ACC系统的研究，其在高压涡轮机匣内部设计安装了封严支撑结构，利用旋转燃气加温设备作为热源来模拟主流燃气，在ACC系统的作用下，测量了机匣的温度场与机匣的变形场，试验中发现周向热变形并不均匀，最大径向热变形为2.84mm，最小径向热变形为1.93mm。但是，旋转燃气加温设备所需费用高昂，且在该试验中未考虑机匣前后两端的约束。在国内，徐逸钧等设计和搭建了可控变形机匣的模型试验台，利用石英加热管作为加热装置模拟燃气主流，利用数显百分表测量了机匣的热变形量，开展了ACC系统的效果验证，但是，其采用的加热方案为定热流方案，与实际发动机工作状态有所差别。

综上所述，在国内外已经进行的、提出概念并设计试验方案的ACC系统的技术性验证试验，均将研究重点放在了有、无ACC系统作用时机匣的温度场、位移场的变化规律上。本试验方案针对机匣变形测量中的约束问题与机匣变形测量中的热源模拟问题加以改进，来验证主动间隙控制系统对机匣径向变形的调节效果，为主动间隙控制的设计工具和设计方法验证提供翔实的试验数据。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点和不足，本发明旨在提供一种冲击换热下机匣热变形测量装置，所述装置可以有效模拟冲击换热下机匣所受约束状态，并且可以有效模拟并测量冲击换热下机匣的温度场，此外还可以有效测量冲击换热下机匣变形场。本试验方案的特点为，考虑了试验机匣的上下端约束作用，在分析ACC系统中机匣所处热环境的基础上，采用加热环与自动温控机相结合的方式，采用定温加热的方式模拟主流燃气。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案是：

一种冲击换热下机匣热变形测量装置，包括试验台、试验机匣、上辅助机匣和下辅助机匣，其特征在于，

--所述试验机匣的上端固定设置所述上辅助机匣，下端固定设置所述下辅助机匣，所述试验机匣、上辅助机匣和下辅助机匣同轴布置，

其中，

所述上辅助机匣与试验机匣之间、所述下辅助机匣与试验机匣之间均通过紧固件固定连接在一起，三者之间的安装状态与实际安装状态保持一致；

所述试验机匣的外表面布置冲击式冷却管路，所述冲击式冷却管路与实际安装状态一致；

--所述上辅助机匣的上端为无约束的自由状态，所述下辅助机匣下端通过若干周向布置的测试棒固定支撑在所述试验台的支架上，各所述测试棒的上下两端分别与所述下辅助机匣下端、试验台的支架固定连接，各所述测试棒的内侧表面粘贴应变片，所述应变片用以监测各所述测试棒的轴向变形量，各所述测试棒的轴向变形量可转化为所述下辅助机匣下端的径向变形量；

--在所述试验机匣、上辅助机匣和下辅助机匣的内腔沿着轴向方向设置多个加热环以模拟机匣内部热源，并用多通道温度控制系统对每个加热环进行单独控制以模拟机匣的温度场，在所述试验机匣、上辅助机匣和下辅助机匣的内外壁点焊设置若干热电偶以测量各机匣的温度场，

其中，

所述加热环包括加热环支架，所述加热环支架为薄壁圆筒状结构，其周向外表面上形成U形凹槽所述U形凹槽中布置有加热单元，且所述加热单元和U形凹槽的底面之间设有耐高温弹性材料，用以使所述加热单元在各个工况下均紧贴机匣内壁。

优选地，所述上辅助机匣、下辅助机匣的材料及结构与实际安装的机匣材料及结构保持一致。

本发明的冲击换热下机匣热变形测量装置中，将所述加热环支架设置为薄壁圆筒结构，其目的是为了方便整个加热环的加工及后续调整。

优选地，整个加热环，包括其加热环支架、加热单元及加热单元底部的耐高温弹性材料，均采用分瓣结构，其目的是为了保证加热环支架温度升高后不会变形，同时方便加热单元发生损坏后及时调整与更换，并且有利于周向加热温度均匀。

优选地，所述加热环对各所述机匣没有约束，并起到热源的作用。

优选地，为了在全温度工况范围内实现加热环零约束的要求，所述加热环的直径应略小于机匣所需加热位置内径，且所述加热环所选材料的热膨胀系数应小于机匣材料的热膨胀系数，其目的在于，在高温下，加热环与各所述机匣仍保持一定的间隙。

优选地，所述冲击式冷气管路的安装状态与实际安装状态一致。

优选地，各所述机匣外设置有接触式测量传感器以测量各所述机匣在各种工况下的径向变形量。

本发明的冲击换热下机匣热变形测量装置中，在加热单元下部埋入耐高温弹性材料，其目的在于，当机匣温度升高后与加热环支架之间间隙变大，利用该耐高温材料的弹性，使加热单元在各个工况下均紧贴机匣内壁，准确模拟内热源。本发明的冲击换热下机匣热变形测量装置中，采取在试验机匣进气方向的前、后两端加装辅助机匣，其目的是为了准确模拟试验机匣在安装状态下所受到的结构约束以及温度场的约束，其中，上辅助机匣上端的结构约束状态为自由状态，下辅助机匣下端的结构约束状态为可监测的约束状态。为准确模拟试验机匣的约束状态，上下两端辅助机匣的安装方式，例如通孔的个数、方位及所用螺栓的预紧力矩，应与实际安装状态一致；上下两端辅助机匣的材料选择应与实际安装的前后机匣材料一致。

本发明的冲击换热下机匣热变形测量装置中，对于下辅助机匣下端约束为可监测状态主要采取如下手段：考虑到高温的影响，为避免下端辅助机匣与试验台直接接触，采用在其底部周向加装测试棒作为过渡；测试棒内表面粘贴应变片，通过标定，将应变片监测到的测试棒轴向变形转化为下辅助机匣下端的径向变形。

同现有技术相比，本发明的冲击换热下机匣热变形测量装置，其显著优点在于：(1)现有技术中试验机匣的结构约束不准确，本发明采取在试验机匣进气方向的前、后两端加装辅助机匣，可以准确模拟试验机匣在安装状态下所受到的结构约束；(2)本发明的下辅助机匣下端的约束为可监测的状态，考虑到高温的影响，下端辅助机匣应避免与试验台直接接触，采用加装测试棒作为过渡，测试棒内部粘贴应变片，通过标定，可将应变片监测到的测试棒轴向变形转化为下辅助机匣下端的径向变形；(3)本发明的加热环可在全温度工况范围内实现对机匣的零约束。(4)本发明中加热环对机匣的定温加热方式可以准确模拟试验机匣的热源。

附图说明

图1为本发明的冲击换热下机匣热变形测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的冲击换热下机匣热变形测量装置，包括试验台10、试验机匣20、上辅助机匣30和下辅助机匣40。其中，试验机匣20的上端固定设置上辅助机匣30，下端固定设置下辅助机匣40，试验机匣20、上辅助机匣30和下辅助机匣同轴布置40，并且，上辅助机匣30与试验机匣20之间、下辅助机匣40与试验机匣20之间均通过紧固件固定连接在一起，三者的材料以及相互之间的安装状态与实际安装状态保持一致。

试验机匣20的外表面布置冲击式冷却管路(图中未示出)，冲击式冷却管路与实际安装状态一致，此外，各所述机匣外设置有接触式测量传感器以测量各所述机匣在各种工况下的径向变形量。上辅助机匣30的上端为无约束的自由状态，下辅助机匣40下端通过若干周向布置的测试棒50固定支撑在试验台10的支架上，各测试棒50的上下两端分别与下辅助机匣40的下端、试验台10的支架固定连接，各测试棒50的内侧表面粘贴应变片51，各应变片51用以监测各测试棒50的轴向变形量，各测试棒50的轴向变形量可转化为下辅助机匣40下端的径向变形量。

本发明采取在试验机匣20进气方向前后两端加装辅助机匣的方式，以模拟机匣在安装状态所受的结构约束以及温度场约束。上下辅助机匣的上、下两端的约束状态应为自由状态或可监测的约束状态。

在试验机匣20、上辅助机匣30和下辅助机匣40的内腔沿着轴向方向设置多个加热环60以模拟机匣内部热源，并用多通道温度控制系统(图中未示出)对每个加热环60进行单独控制以模拟机匣的温度场，在试验机匣20、上辅助机匣30和下辅助机匣40的内外壁点焊设置若干热电偶(图中未示出)以测量各机匣的温度场。

加热环60包括加热环支架61，加热环支架61为薄壁圆筒状结构，将加热环支架设置为薄壁圆筒结构，其目的是为了方便整个加热环的加工及后续调整。加热环支架61的周向外表面上形成U形凹槽，U形凹槽中布置有加热单元62，且加热单元62和U形凹槽的底面之间设有耐高温弹性材料63，用以使加热单元62在各个工况下均紧贴机匣内壁。在加热单元62下部埋入耐高温弹性材料63，其目的在于，当机匣温度升高后与加热环支架之间间隙变大，利用该耐高温材料的弹性，使加热单元在各个工况下均紧贴机匣内壁，准确模拟内热源。

整个加热环60，包括其加热环支架61、加热单元62及加热单元底部的耐高温弹性材料63，均采用分瓣结构，其目的是为了保证加热环支架温度升高后不会变形，同时方便加热单元发生损坏后及时调整与更换，并且有利于周向加热温度均匀。加热环60对各所述机匣没有约束，并起到热源的作用。此外，为了在全温度工况范围内实现加热环60零约束的要求，加热环60的直径应略小于各机匣所需加热位置内径，且加热环60所选材料的热膨胀系数应小于机匣材料的热膨胀系数，其目的在于，在高温下，加热环与各机匣仍保持一定的间隙。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种冲击换热下机匣热变形测量装置，包括试验台、试验机匣、上辅助机匣和下辅助机匣，其特征在于，

--所述试验机匣的上端固定设置所述上辅助机匣，下端固定设置所述下辅助机匣，所述试验机匣、上辅助机匣和下辅助机匣同轴布置，

其中，

所述上辅助机匣与试验机匣之间、所述下辅助机匣与试验机匣之间均通过紧固件固定连接在一起，三者之间的安装状态与实际安装状态保持一致；

所述试验机匣的外表面布置冲击式冷却管路，所述冲击式冷却管路与实际安装状态一致；所述上辅助机匣的上端为无约束的自由状态，所述下辅助机匣下端通过若干周向布置的测试棒固定支撑在所述试验台的支架上，各所述测试棒的上下两端分别与所述下辅助机匣下端、试验台的支架固定连接，各所述测试棒的内侧表面粘贴应变片，所述应变片用以监测各所述测试棒的轴向变形量，各所述测试棒的轴向变形量可转化为所述下辅助机匣下端的径向变形量；

在所述试验机匣、上辅助机匣和下辅助机匣的内腔沿着轴向方向设置多个加热环以模拟机匣内部热源，并用多通道温度控制系统对每个加热环进行单独控制以模拟机匣的温度场，在所述试验机匣、上辅助机匣和下辅助机匣的内外壁点焊设置若干热电偶以测量各机匣的温度场，其中，

所述加热环包括加热环支架，所述加热环支架为薄壁圆筒状结构，其周向外表面上形成U形凹槽，所述U形凹槽中布置有加热单元，且所述加热单元和U形凹槽的底面之间设有耐高温弹性材料，用以使所述加热单元在各个工况下均紧贴机匣内壁；

所述加热环的直径应略小于机匣所需加热位置内径，且所述加热环所选材料的热膨胀系数应小于机匣材料的热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的冲击换热下机匣热变形测量装置，其特征在于，所述上辅助机匣、下辅助机匣的材料及结构与实际安装的机匣材料及结构保持一致。

3.根据权利要求1所述的冲击换热下机匣热变形测量装置，其特征在于，所述加热环，包括其加热环支架、加热单元及加热单元底部的耐高温弹性材料，均采用分瓣结构，其目的是为了保证加热环支架温度升高后不会变形，同时方便加热单元发生损坏后及时调整与更换，并且有利于周向加热温度均匀。

4.根据权利要求1所述的冲击换热下机匣热变形测量装置，其特征在于，所述加热环对各所述机匣没有约束，并起到热源的作用。

5.根据权利要求1所述的冲击换热下机匣热变形测量装置，其特征在于，各所述机匣外设置有接触式测量传感器以测量各所述机匣在各种工况下的径向变形量。

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