CN109506867B - 一种气流-热机耦合激励试验装置 - Google Patents

Abstract

一种气流‑热机耦合激励试验装置，包括驱动系统、旋转交变气流发生装置、气源系统、气流加热装置和被试件加热装置，具有气流加热装置，模拟高温气流激励；具有被试件加热装置，模拟被试件高温环境；采用前置储气箱对压缩气体进行存贮，增加进气量，避免进气量不足缺陷；采用转盘圆周表面布置方式，并结合篦齿密封，避免气体泄露，提高压缩气体使用效率；采用主轴和箱体主、辅进气孔以及主轴椭圆腰孔、箱体锥孔等结构形式，气体流动顺畅，保证气体具有足够的能量，实现高效、高强度、高温气流交变激励以及被试件温度环境的模拟。

Description

一种气流-热机耦合激励试验装置

技术领域

本发明涉及力学激振试验设备领域。

背景技术

燃气涡轮发动机内叶片等零部件用于压缩气流或者产生推力，如航空发动机的风扇压气机叶片用于将空气压缩，使压缩空气进入燃烧室，而涡轮叶片则是燃烧后的高温气体作用在叶片上产生推力，因此叶片处在一个复杂气流激励和温度环境外，如风扇叶片上为低温气流和低温环境，而压气机叶片为低温气流和递进变化的温度环境(约靠近燃烧室的叶片，环境温度越高)，涡轮叶片则为高温气流和高温环境，这些复杂气流激励和温度环境的差异对叶片等零件结构的固有特性和振动响应特性产生影响，而且气流激励-温度环境-叶片等零部件存在复杂耦合关系，如气流温度引起气流的粘滞性等力学特性发生变化，此外，气流温度变化引起叶片温度变化导致叶片的材料特性变化，进而引起振动的变化。传统的电动振动台或一般的气流激励试验台往往难以模拟叶片的复杂气流激励和温度工作环境，不能激发由于耦合影响产生的一些特殊振动特性，导致振动测试数据与实际工况存在很大误差，因此迫切需要一种能够模拟复杂气流激励和温度环境的气流-热机耦合激励试验装置。

目前，一些厂家或专家提出了一些气体激励装置，如专利一种气流激振试验设备(专利号ZL201320754575.3)和纤维增强复合薄壁构件的高频气激试验装置(专利号ZL201610091215.8)在一个自身轴线旋转的转盘端面设置呈环形分布的复数通孔，使压缩气流供给装置间歇透过转盘并以脉冲方式冲击被测试叶片。然而这种试验装备由于没有气流激励和被试件温度加热装置，不能实现气流高温以及被试件的温度模拟；另一方面压缩气流的供给前端没有气流存储装置，导致通过气管的气流不足，一方面由于转盘上通孔限制导致气流大部分被转盘其他区域阻挡，而且旋转转盘端面难以构建密封，这就导致气流大部分损失，通过转盘圆孔的气流较少，激励力不足，效率低，因此不能有效实现零部件的气流-热机耦合激励。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有气流和试件复杂温度环境模拟、前置气体存贮、转盘周向表面交变、高效密封的气流-热机耦合激励试验装置，实现高效、高强度、高温气流交变激励以及被试件温度环境的模拟。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种气流-热机耦合激励试验装置，包括驱动系统、旋转交变气流发生装置和气源系统，旋转交变气流发生装置包括交变气流发生主轴、发生装置上箱体、发生装置下箱体、支撑座、支撑轴承、前置储气箱和气嘴，两个支撑座固定安装于生装置上箱体和发生装置下箱体两侧，发生装置上箱体上部安装气源系统的前置储气箱，前置储气箱内设有气流加热装置，前置储气箱上部连接气管；发生装置上箱体中心处设有箱体进气孔；交变气流发生主轴中部为转盘，交变气流发生主轴两端分别贯穿两侧支撑座安装，交变气流发生主轴上位于转盘两侧对称安装支撑轴承，交变气流发生主轴通过两侧支撑轴承安装于两侧支撑座上，交变气流发生主轴一端连接驱动系统，交变气流发生主轴另一端安装气嘴；交变气流发生主轴的转盘内均匀分布主轴进气孔，主轴进气孔的中心线与交变气流发生主轴的中心线垂直，主轴进气孔和主轴中心孔贯通连接，主轴中心孔位于交变气流发生主轴中心线上，主轴中心孔深度至主轴进气孔；主轴进气孔与箱体进气孔位置对应安装。

所述气流加热装置包括螺旋气流加热气管、气流加热装置加热丝和气流加热装置温度传感器，前置储气箱内中心处安装螺旋气流加热气管，螺旋气流加热气管上端设有用于与前置储气箱上部固定的加热气管螺纹，螺旋气流加热气管下端为加热气管出气孔，螺旋气流加热气管为锥形螺旋气管；前置储气箱内位于螺旋气流加热气管周边设有气流加热装置气流加热装置加热丝，气流加热装置温度传感器安装于箱体进气的内侧面。

还包括被试件加热装置，被试件加热装置包括被试件加热箱体、保温层、加热丝、加热箱进气孔以及温度传感器，分体式结构被试件加热箱体的两侧箱体分别安装于被试件及其夹具系统两侧，分体式结构被试件加热箱体两侧箱体的内侧面上设有的半圆形凹槽构成加热箱进气孔，被试件加热箱体内部设有保温层和加热丝，保温层为石棉或者阻热板；被试件加热箱体内设有温度传感器。

所述交变气流发生主轴的转盘外缘上位于主轴主进气孔两侧设有对称的篦齿，发生装置上箱体和发生装置下箱体内侧分别设有与篦齿相匹配的箱体篦齿凹槽，篦齿为转盘圆周表面的锥形凸起。

所述发生装置上箱体上部中心处设有主进气孔，发生装置上箱体内位于箱体主进气孔下部中心重合设有箱体辅进气孔；交变气流发生主轴的转盘外侧圆周上均匀分布主轴主进气孔，主轴主进气孔的中心线与交变气流发生主轴的中心线垂直，主轴主进气孔内部为主轴辅进气孔，主轴辅进气孔与主轴主进气孔和主轴中心孔贯通连接，主轴中心孔位于交变气流发生主轴中心线上，主轴中心孔深度至主轴辅进气孔；主轴主进气孔与箱体辅进气孔位置对应安装。

所述驱动系统、旋转交变气流发生装置、被试件加热装置安装于底台上，底台上设有T形槽，T形槽内安装被试件及夹具系统，被试件及其夹具系统与交变气流发生主轴的气嘴位置对应。

所述驱动系统由驱动电机和联轴器构成，驱动电机通过联轴器连接交变气流发生主轴的主轴驱动系统连接端，所述驱动电机为变频电机或伺服电机。

所述支撑轴承为滚动轴承或滑动轴承。

所述发生装置上箱体和发生装置下箱体两侧构成阶梯孔式结构的箱体支撑座安装孔，支撑座安装于箱体支撑座安装孔内。

所述箱体主进气孔为锥形结构，主轴主进气孔为长形腰孔结构。

本发明的气流-热机耦合激励试验装置，具有气流加热装置，模拟高温气流激励；具有被试件加热装置，模拟被试件高温环境；采用前置储气箱对压缩气体进行存贮，增加进气量，避免进气量不足缺陷；采用转盘圆周表面布置方式，并结合篦齿密封，避免气体泄露，提高压缩气体使用效率；采用主轴和箱体主、辅进气孔以及主轴椭圆腰孔、箱体锥孔等结构形式，气体流动顺畅，保证气体具有足够的能量，实现高效、高强度、高温气流交变激励以及被试件温度环境的模拟。

附图说明

图1是本发明气流-热机耦合激励试验装置总体结构图。

图2是本发明旋转交变气流发生装置主剖视图。

图3是本发明旋转交变气流发生装置三维爆炸图。

图4是本发明交变气流发生主轴主剖视图。

图5是本发明交变气流发生主轴A-A剖视图。

图6是本发明交变气流发生主轴三维轴侧图。

图7是本发明旋转交变气流发生装置上下箱体剖视图。

图8是本发明图2中A部分在交变气流发生主轴与上箱体配合通气状态的局部放大图。

图9是本发明图2中A部分在交变气流发生主轴与上箱体配合闭气状态的局部放大图。

图10是本发明气流加热装置结构示意图。

图11是本发明气流加热装置螺旋气流加热气管结构图。

图12被试件加热装置分体状态结构示意图。

图13被试件加热装置合体状态结构示意图。

图中：图中：1、驱动系统，2、旋转交变气流发生装置，3、气源系统，4、被试件及其夹具系统，5、被试件加热装置，6、底台，7、T形槽，21、交变气流发生主轴，22、发生装置上箱体，23、发生装置下箱体，24、支撑座，25、支撑轴承，26、前置储气箱，27、气嘴，211、主轴驱动系统连接端，212、支撑轴承安装端，213、转盘，214、篦齿，215、主轴主进气孔，216、主轴辅进气孔，217、主轴中心孔，218、喷嘴安装孔，221、箱体篦齿凹槽，222、箱体主进气孔，223、箱体辅进气孔，224、箱体支撑座安装孔，31、螺旋气流加热气管，32、气流加热装置加热丝，33、气流加热装置温度传感器，311、加热气管螺纹，312、锥形螺旋气管，313、加热气管出气孔，51、被试件加热箱体，52、保温层，53、加热丝，54、加热箱进气孔，55、温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本专利不局限与图示中结构，均在本专利的保护范围之内。

如图1所示，本发明的气流-热机耦合激励试验装置由驱动系统1、旋转交变气流发生装置2、气流加热装置3、被试件及其夹具系统4、被试件加热装置5以及底台6组成，驱动系统1由驱动电机和联轴器组成，两者固定连接，其中驱动电机为变频电机或伺服电机，旋转交变气流发生装置2与驱动系统1连接，在一定转速范围内高速旋转，产生高频交变气流；气流加热装置3用于气流3加热模拟高温气流激励。气流加热装置5上部连接着压缩气源的气管，将压缩气体加热输入到旋转交变气流发生装置2上；被试件及其夹具系统4由被试件以及夹具组成，被试件固定安装于夹具上。被试件加热装置5用于被试件及其夹具系统3加热，模拟被试件高温温度环境。底台6用于支撑和安装驱动系统1、旋转交变气流发生装置2、被试件及其夹具系统3和被试件加热装置5；底台6设有长形T形槽，用于调整被试件及其夹具系统3与喷嘴的相对距离，此外，还可以调整被试件加热装置5位置。

如图2和图3所示，旋转交变气流发生装置2由交变气流发生主轴21、发生装置上箱体22、发生装置下箱体23、支撑座24、支撑轴承25、前置储气箱26和气嘴27等组成。发生装置箱体为分体式结构，分别为发生装置上箱体22和发生装置下箱体23；支撑座24为两个，采用螺栓固定连接分别安装于发生装置上箱体22和发生装置下箱体23的两侧面；左右两侧支撑座24内部各装有支撑轴承25，支撑轴承25为滚动轴承或滑动轴承，优先选用滚动轴承；交变气流发生主轴21置于发生装置上下箱体22、23内部，并安装在支撑轴承25上，同时交变气流发生主轴21一侧端部主轴驱动系统连接端211与驱动系统1中的联轴器相连接，驱动系统1驱动交变气流发生主轴21旋转；气嘴27采用螺栓连接方式安装于交变气流发生主轴21的另一侧端部气嘴安装孔218内，气嘴27方便更换，且为多种结构形式，用于不同气流形式的激励的产生；前置储气箱26固定安装于发生装置上箱体22上部端面，前置储气箱26上部有螺纹孔，用于连接气管，接入压缩气体，且前置储气箱26下部连接面与发生装置上箱体22的上部连接面之间内置密封圈用于保证密封。

如图4-6所示，交变气流发生主轴21由主轴驱动系统连接端211、支撑轴承安装端212、转盘213、篦齿214、主轴主进气孔215、主轴辅进气孔216和主轴中心孔217以及螺纹孔218等结构特征组成。主轴驱动系统连接端211在交变气流发生主轴21一侧端部，用于安装驱动系统1中联轴器；支撑轴承安装端212为两侧对称式结构，用于安装左右两支撑轴承25；转盘213位于交变气流发生主轴21中部，为阶梯式结构，直径要大于其他结构特征；篦齿214为转盘213圆周表面的多个锥形凸起，用于交变气流发生主轴21与发生装置箱体间的气体轴向密封；主轴主进气孔215位于转盘213圆周表面及对称篦齿214中间周向布置多个孔，且孔的中心线与交变气流发生主轴21中心线垂直，采用长形腰孔结构，增加进气量；主轴辅进气孔216位于主轴主进气孔215内部，且贯通至交变气流发生主轴21中部中心线，个数与主轴主进气孔215个数相同；主轴中心孔217位于交变气流发生主轴21中心线上，深度至主轴辅进气孔216，使两气孔贯通；螺纹孔218位于交变气流发生主轴21的端部，中心与主轴中心孔217重合，用于安装气嘴27；为了减小气流流动过程中扰流影响，所述主轴中心孔217直径与气嘴27内孔直径相同。

如图7所示，发生装置上箱体22和发生装置下箱体23为分体式结构，方便交变气流发生主轴21安装与拆卸；所述发生装置上箱体22的上端面具有锤形箱体主进气孔222，箱体主进气孔222为锥形结构，用于增大进气量，使气体流动更加顺畅；所述箱体辅进气孔223与锤形箱体主进气孔222中心重合，且为通孔。发生装置上箱体22和发生装置下箱体23组装后形成几处周向封闭的篦齿凹槽221以及箱体支撑座安装孔224，其中篦齿凹槽221数量与交变气流发生主轴21的篦齿214相同；箱体支撑座安装孔224为阶梯孔式结构，固定安装支撑座24。

如图8和图9所示，交变气流发生主轴21的转盘213与发生装置上箱体22和发生装置下箱体23之间均存在小间隙，交变气流发生主轴21的篦齿214与发生装置箱体的篦齿凹槽221配合并存在小间隙，共同构成交变气流发生装置的气体轴向密封，防止气体的轴向泄露；箱体辅进气孔223与交变气流发生主轴21的主轴辅进气孔216轴线重合。当主轴主进气孔215旋转到与箱体辅进气孔223重合后，气流通过箱体辅进气孔223进入主轴主进气孔215，气流能够产生冲击激励作用；当主轴主进气孔215旋转到与箱体辅进气孔223错开后，气流不能通过箱体辅进气孔223进入主轴主进气孔215，气流不能产生冲击激励作用。

如图10所示，气流加热装置3位于前置储气箱26内部，主要由螺旋气流加热气管31、气流加热装置加热丝32和气流加热装置温度传感器33组成。所述螺旋气流加热气管31为主加热丝，压缩气体通过前置储气箱26的进气孔进入的螺旋气流加热气管31对压缩气体进行加热，气流螺旋流出到前置储气箱26周边布置的气流加热装置加热丝32，气流加热装置加热丝32再次对压缩气体进行加热；气流加热装置温度传感器33安装箱体锤形主进气孔222的侧面，测试进入箱体辅进气孔223的气流温度，并根据测试温度调整螺旋气流加热气管31和气流加热装置加热丝32的加热功率，实现气流温度的准确控制。

如图11所示，螺旋气流加热气管31上部具有螺纹311，用于安装在前置储气箱26上部；下部具有出气孔313用于压缩气体流出；螺旋气流加热气管31气管为锥形螺旋气管312，有利于气流均匀顺畅的流动气流加热装置加热丝32，对气流加热起到更良好的加热效果。

如图12和图13所示，被试件加热装置5由被试件加热箱体51、保温层52、加热丝53、加热箱进气孔54以及温度传感器55组成。所述被试件加热箱体51为分体式结构方便被试件的安装；被试件加热箱体51内置保温层52和加热丝53，加热丝53加热被试件，保温层52为石棉或者阻热板；加热箱进气孔54位于被试件加热箱体51中部；温度传感器55测试被试件环境温度，根据测试温度调整加热丝53的加热功率，实现被试件的环境温度的准确控制。

具体工作过程：压缩气体通过气管进入到旋转交变气流发生装置2中的前置储气箱26，通过气流加热装置3中螺旋气流加热气管31；此外，气流加热装置加热丝32对前置储气箱26压缩气体加热，气流加热装置温度传感器33测试气流温度进行准确控制；同时被试件加热箱体51对被试件进行加热，并测试被试件环境温度，实现被试件温度的准确控制。

同时驱动系统1驱动交变气流发生装置2在一定转速范围内旋转；当交变气流发生主轴21的主轴主进气孔215旋转到与箱体辅进气孔223重合后，前置储气箱26内的压缩气体通过箱体辅进气孔223进入主轴主进气孔215，依次经过主轴辅进气孔216、主轴中心孔217，并通过气嘴27喷出作用在被试件表面，对被试件产生气动激励；同时气源系统5对前置储气箱26的流出的压缩气体进行补充，避免由于气管过长导致进气量不足。

当交变气流发生主轴21的主轴主进气孔215旋转到与箱体辅进气孔223错开后，压缩气体不能通过箱体辅进气孔223进入主轴主进气孔215，对前置储气箱26内压缩气体起到封闭作用，没有压缩气体作用到被试件表面。本发明通过控制主轴主进气孔215与箱体辅进气孔223相对开合角度，控制压缩气体流动，产生脉冲式气体冲击激励，而且两开孔位置相对角度不同，气体激励强度不同。通过控制主轴交变气流发生主轴21的转速控制气流激励频率，假设转速为n Hz，则气体的激励频率为n*z。此外，旋转过程中交变气流发生主轴21篦齿214与发生装置箱体的篦齿凹槽221形成气体密封避免压缩气体的泄露，保证足够多的压缩气体作用在被试件上。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气流-热机耦合激励试验装置，其特征在于：包括驱动系统(1)、旋转交变气流发生装置(2)和气源系统(3)，旋转交变气流发生装置(2)包括交变气流发生主轴(21)、发生装置上箱体(22)、发生装置下箱体(23)、支撑座(24)、支撑轴承(25)、前置储气箱(26)和气嘴(27)，两个支撑座(24)固定安装于发生装置上箱体(22)和发生装置下箱体(23)两侧，发生装置上箱体(22)上部安装气源系统(3)的前置储气箱(26)，前置储气箱(26)内设有气流加热装置，前置储气箱(26)上部连接气管；发生装置上箱体(22)中心处设有箱体进气孔；交变气流发生主轴(21)中部为转盘(213)，交变气流发生主轴(21)两端分别贯穿两侧支撑座(24)安装，交变气流发生主轴(21)上位于转盘(213)两侧对称安装支撑轴承(25)，交变气流发生主轴(21)通过两侧支撑轴承(25)安装于两侧支撑座(24)上，交变气流发生主轴(21)一端连接驱动系统(1)，交变气流发生主轴(21)另一端安装气嘴(27)；交变气流发生主轴(21)的转盘(213)内均匀分布主轴进气孔，主轴进气孔的中心线与交变气流发生主轴(21)的中心线垂直，主轴进气孔和主轴中心孔(217)贯通连接，主轴中心孔(217)位于交变气流发生主轴(21)中心线上，主轴中心孔(217)深度至主轴进气孔，主轴中心孔(217)连接气嘴(27)；主轴进气孔与箱体进气孔位置对应安装；交变气流发生主轴(21)的转盘(213)外缘上位于主轴主进气孔(215)两侧设有对称的篦齿(214)，发生装置上箱体(22)和发生装置下箱体(23)内侧分别设有与篦齿(214)相匹配的箱体篦齿凹槽(221)。

2.根据权利要求1所述的一种气流-热机耦合激励试验装置，其特征在于：所述气流加热装置包括螺旋气流加热气管(31)、气流加热装置加热丝(32)和气流加热装置温度传感器(33)，前置储气箱(26)内中心处安装螺旋气流加热气管(31)，螺旋气流加热气管(31)上端设有用于与前置储气箱(26)上部固定的加热气管螺纹(311)，螺旋气流加热气管(31)下端为加热气管出气孔(313)，螺旋气流加热气管(31)气管为锥形螺旋气管(312)；前置储气箱(26)内位于螺旋气流加热气管(31)周边设有气流加热装置加热丝(32)，气流加热装置温度传感器(33)安装于箱体进气的内侧面。

3.根据权利要求2所述的一种气流-热机耦合激励试验装置，其特征在于：还包括被试件加热装置(5)，被试件加热装置(5)包括被试件加热箱体(52)、保温层(52)、加热丝(53)、加热箱进气孔(54)以及温度传感器(55)，分体式结构被试件加热箱体(51)的两侧箱体分别安装于被试件及其夹具系统(4)两侧，分体式结构被试件加热箱体(51)两侧箱体的内侧面上设有的半圆形凹槽构成加热箱进气孔(54)，被试件加热箱体(51)内部设有保温层(52)和加热丝(53)，保温层(52)为石棉或者阻热板；被试件加热箱体(52)内设有温度传感器(55)。

4.根据权利要求1所述的一种气流-热机耦合激励试验装置，其特征在于：所述篦齿(214)为转盘(213)圆周表面的锥形凸起。

5.根据权利要求1所述的一种气流-热机耦合激励试验装置，其特征在于：所述发生装置上箱体(22)上部中心处设有主进气孔(22)，发生装置上箱体(22)内位于箱体主进气孔(222)下部中心重合设有箱体辅进气孔(223)；交变气流发生主轴(21)的转盘(213)外侧圆周上均匀分布主轴主进气孔(215)，主轴主进气孔(215)的中心线与交变气流发生主轴(21)的中心线垂直，主轴主进气孔(215)内部为主轴辅进气孔(216)，主轴辅进气孔(216)与主轴主进气孔(215)和主轴中心孔(217)贯通连接，主轴中心孔(217)位于交变气流发生主轴(21)中心线上，主轴中心孔(217)深度至主轴辅进气孔(216)；主轴主进气孔(215)与箱体辅进气孔(223)位置对应安装。

6.根据权利要求1所述的一种气流-热机耦合激励试验装置，其特征在于：所述驱动系统(1)、旋转交变气流发生装置(2)、被试件加热装置(5)安装于底台(6)上，底台(6)上设有T形槽(7)，T形槽(7)内安装被试件及夹具系统(4)，被试件及其夹具系统(4)与交变气流发生主轴(21)的气嘴(27)位置对应。

7.根据权利要求6所述的一种气流-热机耦合激励试验装置，其特征在于：所述驱动系统(1)由驱动电机和联轴器构成，驱动电机通过联轴器连接交变气流发生主轴(21)的主轴驱动系统连接端(211)，所述驱动电机为变频电机或伺服电机。

8.根据权利要求1的一种气流-热机耦合激励试验装置，其特征在于：所述支撑轴承(25)为滚动轴承或滑动轴承。

9.根据权利要求1的一种气流-热机耦合激励试验装置，其特征在于：所述发生装置上箱体(22)和发生装置下箱体(23)两侧构成阶梯孔式结构的箱体支撑座安装孔(224)，支撑座(24)安装于箱体支撑座安装孔(224)内。

10.根据权利要求5的一种气流-热机耦合激励试验装置，其特征在于：所述箱体主进气孔(222)为锥形结构，主轴主进气孔(215)为长形腰孔结构。

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