CN109342053B - 盘轴联接转子系统热分析试验台及其热变形的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机盘轴联接转子系统热效应分析与热变形测量领域，涉及一种盘轴联接转子系统热分析试验台及其热变形的测量方法。该试验台主要由电气驱动及控制系统、点火系统、隔热系统、非线性支撑‑转子系统、测试传感系统和底座组成。本发明通过点火器可实现准确控制盘轴联接转子系统的加热温度；通过调节点火器的气阀，可控制点火器的火力大小，进而可以对盘轴联接转子系统进行不同温度范围的加热。本发明不但能对温度均匀分布环境下盘轴联接转子系统的热变形进行测量，还可对温度不均匀分布环境下的热变形、变速条件下的热变形进行测量。

Description

盘轴联接转子系统热分析试验台及其热变形的测量方法

技术领域

本发明属于航空发动机盘轴联接转子系统热效应分析与热变形测量领域，涉及一种盘轴联接转子系统热分析试验台及其热变形的测量方法，是一种分析温度均匀分布环境下、温度不均匀分布环境下及变速条件下盘轴联接转子系统的热变形的试验台。

背景技术

随着航空发动机性能的不断提高，其关重零件越来越多地采用整体结构设计，并大量采用钛合金、高温合金等难加工材料，加工工艺技术及装备的改进和提升是必然的趋势，新结构整体盘轴类零件的工艺研究显得尤为重要。盘轴类零件属于转动部件，是航空发动机的核心组成部分，其运行环境多为高温和高转速，因此对热环境下盘轴联接转子系统工况的分析是必要的。

根据国内外学者调查统计表明，在误差分析中,热变形引起的误差,占总误差的40％～70％。盘轴联接转子系统作为航空发动机中保证工作精度的最直接部件,其热特性和热误差的研究尤为重要。影响盘轴联接转子系统热变形的因素很多,虽然很多学者应用有限元方法对其进行了定量分析,但这些分析都是在对热源、盘轴联接结构等进行简化的基础上进行,因此很难做到热特性的准确掌控，同时利用有限元方法分析主轴系统热变形很难达到精确,相对于有限元建模,实验法能更准确地分析并得到更准确的结果。

因此，针对航空发动机盘轴联接转子系统热效应理论与试验研究具有重要意义。为实现以上目标，需要一种分析温度均匀环境下、温度不均环境下、变温环境下及变速条件下盘轴联接转子系统热变形的试验台。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种盘轴联接转子系统热分析试验台及其热变形的测量方法。在结构方面，本发明的盘轴联接转子系统是航空发动机盘轴联接转子系统中的盘轴联接结构的一种简化模型，转子两端可装配不同类型的轴承。盘轴联接结构通过止口辅助完成转子对中，减少不对中对系统测试的影响。盘轴联接转子系统热分析试验台的隔热罩上开有8个点火加热口和14个传感器测试口，可实现分析温度均匀分布环境下、温度不均匀分布环境下及变速条件下盘轴联接转子系统的热变形。通过调节点火装置中的气阀，可控制点火装置火力的大小，可实现对盘轴联接转子系统热环境的温度控制。通过改变点火器和传感器的安放位置可实现加热点及测试点的位置调节。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种盘轴联接转子系统热分析试验台，所述的盘轴联接转子系统热分析试验台主要由电气驱动及控制系统、点火系统、隔热系统、非线性支撑-转子系统、测试传感系统和底座组成；

所述的底座上设有多个安装孔，用于固定安装电机支座、轴承座支座a和轴承座支座b，底座的上表面设有横向和纵向的滑道，隔热系统在底座上实现横向和纵向移动；

所述的非线性支撑-转子系统，主要由盘结构、转轴、轴承座支座a、轴承座支座b和轴承座组成；所述的轴承座支座a与轴承座支座b固定安装在底座上，轴承座支座a与轴承座支座b的上表面固定有轴承座；所述的盘结构固定在转轴上，转轴的两端安装在轴承座上；

所述的电气驱动及控制系统，主要由电气控制箱、转子变频电机和电机支座组成；所述的电气控制箱，主要由电机控制系统组成，电机控制系统包括控制面板、变频器、接触器和断路器，变频器用于调节转子变频电机的转速，接触器和断路器用于控制转子变频电机的开启与关闭；所述的电机支座安装在底座上，位于轴承座支座b的外侧；所述的转子变频电机固定在电机支座上，转子变频电机通过联轴器将扭矩传递给转轴；

所述的隔热系统，主要由隔热罩a、隔热罩b和隔热罩c组成；所述的隔热罩b安装在底座的横向滑道上，实现横向移动；隔热罩b的顶部对称开有5个圆孔，两侧各对称开有6个圆孔，每个侧面的6个圆孔中，其中5个连续的圆孔与顶部的5个圆孔相对应，位于同一纵切面上，另外1个圆孔靠近隔热罩a和隔热罩c侧面的圆孔；隔热罩b的顶部设有隔热罩把手；所述的隔热罩a与隔热罩c的结构相同，对称安装在底座的纵向滑道的两端，实现纵向移动，且隔热罩a与隔热罩c分别位于盘结构的两侧；隔热罩a与隔热罩c的侧面各设有2个圆孔和1个隔热罩把手；隔热罩a与隔热罩c的顶部设有半圆孔，二者对合后形成一个完整的圆孔；通过拉动隔热罩把手，使隔热罩a、隔热罩b和隔热罩c分别沿各自的滑道向内滑动，最终对合形成封闭的空间，使非线性支撑-转子系统位于密闭空间内；

所述的点火系统，主要是由喷火枪和燃气罐组成的点火器，共8组点火器，安装在三个隔热罩的侧面圆孔上，以实现对盘轴联接转子系统热环境的控制；喷火枪的枪头对应的位置即为加热点；其中喷火枪主要由气管、气阀、电子打火按钮、卡式安装接口和安全检测装置组成，燃气罐内部装有可更换的清洁能源，点火系统配有灭火器，以保证点火系统的安全性和可使用性；

所述的测试传感系统，主要由8个测温传感器和6个测距传感器组成，以实现对盘轴联接转子系统热环境的温度控制和对盘轴联接转子系统热变形的测量；进行水平方向的热变形测量时，测温传感器安装在三个隔热罩侧面的圆孔上，测距传感器安装在三个隔热罩顶部的圆孔上；进行竖直方向的热变形测量时，隔热罩b上的测温传感器与测距传感器进行位置互换，即2个测温传感器安装在隔热罩a和隔热罩c侧面的圆孔上，另6个测温传感器安装在三个隔热罩顶部的圆孔上，6个测距传感器安装在隔热罩b侧面的圆孔上；由测温传感器测出盘轴联接转子系统所处的环境温度，由测距传感器测出正常温度环境下盘轴联接转子系统的转轴所处的位置，测得的数据由显示控制仪显示，并由信号采集卡和信号读取和存储系统记录，最终得到盘轴联接转子系统转轴的热变形情况。

一种盘轴联接转子系统热变形的测量方法，用于测量盘轴联接转子系统在温度均匀分布、温度不均匀分布及不同转速条件下的热变形，具体如下：

安装点火系统：点火器在三个隔热罩的两侧交错安装或安装在同一侧，并检查喷火枪和燃气罐的联接情况；依次安装测温传感器和测距传感器，测温传感器安装三个隔热罩侧面的圆孔上，与点火器的位置相对应，测距传感器安装在隔热罩b顶部的5个圆孔及隔热罩a和隔热罩c顶部的1个圆孔上，其中，隔热罩b上的测温传感器与测距传感器可进行位置互换，以实现水平方向和竖直方向的热变形测量；

1)温度均匀分布、不同转速条件下盘轴联接转子系统热变形的测量

首先设定电气控制箱，设置转子变频电机转速为低转速，记录测距传感器的数据；打开点火器的开关，将8台点火器的气阀全部调为1挡，观察测温传感器和测距传感器的示数，待数据平稳后进行低转速条件下均布温度条件下盘轴联接转子系统热变形的分析；

将转子变频电机转速分别调为中转速和高转速，将8台点火器的气阀调为2、3、4挡，重复步骤1)，进行温度均匀分布、不同转速条件下盘轴联接转子系统热变形的测量；

2)温度不均匀分布、不同转速条件下盘轴联接转子系统热变形的测量

首先设定电气控制箱，设置转子变频电机转速为低转速，记录测距传感器的数据，打开点火器的开关，将8台点火器的气阀由左至右分别调为1、1、2、2、3、3、4、4挡，观察测温传感器和测距传感器的示数，待数据平稳后进行低转速条件下均布温度条件下盘轴联接转子系统热变形的分析；

将转子变频电机转速分别调为中转速和高转速，将8台点火器的气阀由左至右分别调为4、4、3、3、2、2、1、1挡，重复步骤2)，进行温度不均匀分布、不同转速条件下盘轴联接转子系统热变形的测量。

本发明的有益效果：

1.本发明借助于对点火器气阀的挡位调节，可实现对盘轴联接转子系统热环境温度的准确控制；通过测温传感器和测距传感器所测得的数据，可以对不同温度环境下盘轴联接转子系统热变形进行详细分析。

2.本发明不但能对温度分布均匀条件下盘轴联接转子系统的热变形进行分析，还可以分析温度分布不均的盘轴联接转子系统的热变形。同时通过电控箱也可准确调节电机的转速，从而使分析的内容和结果更加全面。

附图说明

图1为本发明的试验台组成示意图；

图2为本发明的试验台结构示意图；

图3为本发明的点火系统和测试传感系统示意图；

图4为本发明的非线性支承-转子系统示意图；

图5(a)为本发明的盘轴联接结构示意图；

图5(b)为本发明的盘结构的示意图；

图6(a)为本发明的隔热罩a示意图；

图6(b)为本发明的隔热罩b示意图；

图6(c)为本发明的隔热罩c示意图；

图7为本发明的轴承座示意图；

图8为本发明的轴承座支座示意图；

图9为本发明的点火器示意图；

图10为本发明的联轴器示意图；

图中：A电气驱动及控制系统；B点火系统；C隔热系统；D非线性支撑-转子系统；E测试传感系统；1电气控制箱；2转子变频电机；3隔热罩a；4电机支座；5联轴器；6轴承座；7盘结构；8转轴；9隔热罩b；10测温传感器；11测距传感器；12喷火枪；13燃气罐；14隔热罩把手；15轴承座支座a；16隔热罩c；17底座；18轴承座支座b。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1、2所示，一种盘轴联接转子系统热分析试验台，主要由电气驱动及控制系统A、点火系统B、隔热系统C、非线性支撑-转子系统D、测试传感系统E和底座17组成；

所述的底座17安装有多颗地脚螺栓，用于固定电机支座4、轴承座支座a15和轴承座支座b18，并作为隔热罩的滑道。

如图4所示，所述的非线性支承-转子系统D包括盘结构7和转轴8，转轴8的两端通过两个轴承和轴承座6将转子固定于轴承座支座a15和轴承座支座b18上；盘轴联接结构如图5(a)和5(b)所示，轴承座6如图7所示，轴承座支座a15和轴承座支座b18如图8所示。

所述的隔热系统C，主要由隔热罩a3、隔热罩b9和隔热罩c16组成，分别如图6(a)、6(b)和6(c)所示，隔热罩安装在底座17的滑道上，可进行横向和纵向移动。三个隔热罩上共开有22个圆孔，其中隔热罩左右两侧的16个圆孔中有8个圆孔安装点火器，另8个圆孔用于安装测温传感器10，隔热罩上表面的6个圆孔用于安装测距传感器11，以实现对盘轴联接转子系统热环境的准确控制和对盘轴联接转子系统热变形的精确测量。

点火系统B和测试传感系统E如图3所示。

所述的点火系统B主要由喷火枪12和燃气罐13组成的点火器，整个试验台共配有8台点火器，以实现对盘轴联接转子系统热环境的准确控制。其中喷火枪12中的主要工作部件有气管、气阀、电子打火按钮、卡式安装接口及安全检测装置，燃气罐13内装有可更换的清洁能源，点火系统B配有高效灭火器，以保证点火系统的安全性和可使用性。点火器的结构图图9所示。

所述的测试传感系统E，主要由测温传感器10和测距传感器11组成。试验前将测温传感器10安装在隔热罩的圆孔处，准确测出盘轴联接转子系统所处的环境温度，测得的数据由配套的显示控制仪显示出来，并由信号采集卡和信号读取和存储系统记录。试验前将测距传感器11安装在隔热罩的圆孔处，按下测量按钮即可测出正常温度环境下转子系统转轴8所处的位置，试验过程中通过传感器显示仪的示数变化即可得到转子系统转轴8的热变形情况，相关数据由信号采集卡及信号读取和存储系统记录。

所述的电气驱动及控制系统A，主要由电气控制箱1、转子变频电机2和电机支座4组成。所述的电气控制箱1，主要由电机控制系统组成，电机控制系统包括控制面板、变频器、接触器和断路器，变频器用于调节转子变频电机2转速，接触器和断路器用于控制转子变频电机2的开启与关闭；所述的转子变频电机2固定在电机支座4上，电机支座4安装在底座17上，转子变频电机2将扭矩通过联轴器5传递给转轴。联轴器5的结构图图10所示。

做好前期准备后进行系统的热变形测量，一种盘轴联接转子系统热变形的测量方法，用于测量盘轴联接转子系统在温度均匀分布、温度不均匀分布及不同转速条件下的热变形，具体如下：

1)、温度均匀分布、不同转速条件下盘轴联接转子系统热变形的测量

将8台点火器安装在隔热罩上的圆孔处，可在隔热罩前后交错安装，也可全部安装在一侧，安装完毕后检查喷火枪12和燃气罐13的联接情况，确保安装无误。依次安装测温传感器10和测距传感器11，确保每个测温传感器10对应点火器的加热点，测距传感器11的安装位置对应盘轴联接转子系统转轴8上的6个点，分别进行水平方向和竖直方向两个方向热变形的测量。检查各装置安装完毕后，首先设定电气控制箱，设置转子变频电机2转速为低转速，记录下测距传感器的数据，打开点火器的开关，将8台点火器的气阀全部调为1挡，观察测温传感器10的示数及测距传感器11的示数，待数据平稳后记录数据，进行低转速条件下均布温度条件下盘轴联接转子系统热变形的分析。

重复以上的实验步骤，可进行中转速、高转速及点火器2、3、4挡条件下盘轴联接转子系统热变形的测量。

2)、温度不均匀分布、不同转速条件下盘轴联接转子系统热变形的测量

将8台点火器安装在隔热罩上的圆孔处，可在隔热罩前后交错安装，也可全部安装在一侧，安装完毕后检查喷火枪12和燃气罐13的联接情况，确保安装无误。依次安装测温传感器10和测距传感器11，确保每个测温传感器10对应点火器的加热点，测距传感器11的安装位置对应盘轴联接转子系统转轴8上的6个点，分别进行水平方向和竖直方向两个方向热变形的测量。检查各装置安装完毕后，首先设定电气控制箱，设置转子变频电机2转速为低转速，此时记录下测距传感器的数据，接下来打开点火器的开关，将8台点火器的气阀由左至右分别调为1、1、2、2、3、3、4、4挡，观察测温传感器10的示数及测距传感器11的示数，待数据平稳后记录数据，进行低转速条件下均布温度条件下盘轴联接转子系统热变形的分析。

重复以上的实验步骤，将转子变频电机2转速分别调为中转速和高转速，进行数据记录。然后将8台点火器的气阀由左至右分别调为4、4、3、3、2、2、1、1挡，重复以上步骤进行数据记录。

基于以上测试方法本发明主要在于研究盘轴联接转子系统在温度均匀分布、温度不均匀分布及不同转速条件下的热变形情况，以下阐述本发明所能实现的多种工况：

主要试验工况变化在于：(1)控制点火器气阀的档位可使盘轴联接转子系统的热环境温度保持不变，通过改变转子变频电机的转速可分析温度均匀分布条件下，不同转速对盘轴联接转子系统热变形的影响；(2)控制点火器的气阀处于均匀分布的不同档位，可使盘轴联接转子系统的热环境温度分布不均，档位差越大，温度分布不均匀性越明显，由此可分析温度分布不均条件下对盘轴联接转子系统热变形的影响。

本试验台能够通过改变点火器的气阀档位和电机转速，实现多种不同工况的分析，能够全面的研究盘轴联接转子系统的热变形并得到准确的结论。

Claims (2)

1.一种盘轴联接转子系统热分析试验台，其特征在于，所述的盘轴联接转子系统热分析试验台主要由电气驱动及控制系统(A)、点火系统(B)、隔热系统(C)、非线性支撑-转子系统(D)、测试传感系统(E)和底座(17)组成；

所述的底座(17)上设有多个安装孔，用于固定安装电机支座(4)、轴承座支座a(15)和轴承座支座b(18)，底座(17)的上表面设有横向和纵向的滑道，隔热系统(C)在底座(17)上实现横向和纵向移动；

所述的非线性支撑-转子系统(D)，主要由盘结构(7)、转轴(8)、轴承座支座a(15)、轴承座支座b(18)和轴承座(6)组成；所述的轴承座支座a(15)与轴承座支座b(18)固定安装在底座(17)上，轴承座支座a(15)与轴承座支座b(18)的上表面固定有轴承座(6)；所述的盘结构(7)固定在转轴(8)上，转轴(8)的两端安装在轴承座(6)上；

所述的电气驱动及控制系统(A)，主要由电气控制箱(1)、转子变频电机(2)和电机支座(4)组成；所述的电气控制箱(1)，主要由电机控制系统组成，电机控制系统包括控制面板、变频器、接触器和断路器，变频器用于调节转子变频电机(2)的转速，接触器和断路器用于控制转子变频电机(2)的开启与关闭；所述的电机支座(4)安装在底座(17)上，位于轴承座支座b(18)的外侧；所述的转子变频电机(2)固定在电机支座(4)上，转子变频电机(2)通过联轴器(5)将扭矩传递给转轴(8)；

所述的隔热系统(C)，主要由隔热罩a(3)、隔热罩b(9)和隔热罩c(16)组成；所述的隔热罩b(9)安装在底座(17)的横向滑道上，实现横向移动；隔热罩b(9)的顶部对称开有5个圆孔，两侧各对称开有6个圆孔，每个侧面的6个圆孔中，其中5个连续的圆孔与顶部的5个圆孔相对应，位于同一纵切面上，另外1个圆孔靠近隔热罩a(3)和隔热罩c(16)侧面的圆孔；隔热罩b(9)的顶部设有隔热罩把手(14)；所述的隔热罩a(3)与隔热罩c(16)的结构相同，对称安装在底座(17)的纵向滑道的两端，实现纵向移动，且隔热罩a(3)与隔热罩c(16)分别位于盘结构(7)的两侧；隔热罩a(3)与隔热罩c(16)的侧面各设有2个圆孔和1个隔热罩把手(14)；隔热罩a(3)与隔热罩c(16)的顶部设有半圆孔，二者对合后形成一个完整的圆孔；通过拉动隔热罩把手(14)，使隔热罩a(3)、隔热罩b(9)和隔热罩c(16)分别沿各自的滑道向内滑动，最终对合形成封闭的空间，使非线性支撑-转子系统(D)位于密闭空间内；

所述的点火系统(B)，主要是由喷火枪(12)和燃气罐(13)组成的点火器，共8组点火器，安装在三个隔热罩的侧面圆孔上，以实现对盘轴联接转子系统热环境的控制；喷火枪(12)的枪头对应的位置即为加热点；其中喷火枪(12)主要由气管、气阀、电子打火按钮、卡式安装接口和安全检测装置组成，燃气罐(13)内部装有可更换的清洁能源，点火系统(B)配有灭火器，以保证点火系统(B)的安全性和可使用性；

所述的测试传感系统(E)，主要由8个测温传感器(10)和6个测距传感器(11)组成，以实现对盘轴联接转子系统热环境的温度控制和对盘轴联接转子系统热变形的测量；进行水平方向的热变形测量时，测温传感器(10)安装在三个隔热罩侧面的圆孔上，测距传感器(11)安装在三个隔热罩顶部的圆孔上；进行竖直方向的热变形测量时，隔热罩b(9)上的测温传感器(10)与测距传感器(11)进行位置互换，即2个测温传感器(10)安装在隔热罩a(3)和隔热罩c(16)侧面的圆孔上，另6个测温传感器(10)安装在三个隔热罩顶部的圆孔上，6个测距传感器(11)安装在隔热罩b(9)侧面的圆孔上；由测温传感器(10)测出盘轴联接转子系统所处的环境温度，由测距传感器(11)测出正常温度环境下盘轴联接转子系统的转轴(8)所处的位置，测得的数据由显示控制仪显示，并由信号采集卡和信号读取和存储系统记录，最终得到盘轴联接转子系统转轴(8)的热变形情况。

2.采用权利要求1所述的盘轴联接转子系统热分析试验台进行盘轴联接转子系统热变形的测量方法，用于测量盘轴联接转子系统在温度均匀分布、温度不均匀分布及不同转速条件下的热变形，其特征在于，具体如下：

安装点火系统(B)：点火器在三个隔热罩的两侧交错安装或安装在同一侧，并检查喷火枪(12)和燃气罐(13)的联接情况；依次安装测温传感器(10)和测距传感器(11)，测温传感器(10)安装三个隔热罩侧面的圆孔上，与点火器的位置相对应，测距传感器(11)安装在隔热罩b(9)顶部的5个圆孔及隔热罩a(3)和隔热罩c(16)顶部的1个圆孔上，其中，隔热罩b(9)上的测温传感器(10)与测距传感器(11)可进行位置互换，以实现水平方向和竖直方向的热变形测量；

1)温度均匀分布、不同转速条件下盘轴联接转子系统热变形的测量

首先设定电气控制箱，设置转子变频电机(2)转速为低转速，记录测距传感器(11)的数据；打开点火器的开关，将8台点火器的气阀全部调为1挡，观察测温传感器(10)和测距传感器(11)的示数，待数据平稳后进行低转速条件下均布温度条件下盘轴联接转子系统热变形的分析；

将转子变频电机(2)转速分别调为中转速和高转速，将8台点火器的气阀调为2、3、4挡，重复步骤1)，进行温度均匀分布、不同转速条件下盘轴联接转子系统热变形的测量；

2)温度不均匀分布、不同转速条件下盘轴联接转子系统热变形的测量

首先设定电气控制箱，设置转子变频电机(2)转速为低转速，记录测距传感器(11)的数据，打开点火器的开关，将8台点火器的气阀由左至右分别调为1、1、2、2、3、3、4、4挡，观察测温传感器(10)和测距传感器(11)的示数，待数据平稳后进行低转速条件下均布温度条件下盘轴联接转子系统热变形的分析；

将转子变频电机(2)转速分别调为中转速和高转速，将8台点火器的气阀由左至右分别调为4、4、3、3、2、2、1、1挡，重复步骤2)，进行温度不均匀分布、不同转速条件下盘轴联接转子系统热变形的测量。

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