CN109540447A - 航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机风扇转子技术领域，具体设计一种航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台。该试验平台由风扇转子试验器(1)、风扇叶片动应力测量单元(2)、试验防护单元(3)、外物发射装置(4)组成；所述的风扇转子试验器(1)采用“双支点+叶盘悬臂”转子结构形式，该试验平台具备更换试验叶片，能够发射各类材质、大小、速度的外物，能够模拟各种工况下发动机风扇/压气机叶片遭遇外物撞击过程，并具备测量获取外物撞击瞬间转子转速波动、叶片动应变、转子振动等关键参数。该试验平台为研究风扇叶片动力学响应、叶片损伤容限研究以及转子运转健康状态实时监测技术研究提供重要的试验平台。

Description

航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台

技术领域

本发明属于航空发动机风扇转子技术领域，具体设计一种航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台。

背景技术

当飞机起飞、降落或低空飞行时，沙石、石块、飞鸟等外来物有可能撞击在发动机前端的风扇叶片或其它部位，给发动机的性能和结构带来不利影响，甚至是十分严重的非包容性后果，甚至造成灾难性的空难事故。基于叶尖定时原理，通过在风扇机匣上布置叶尖振动传感器，可以识别出风扇叶片是否遭遇FOD事件。FOD监测识别技术对于提高飞行安全和战斗效率、提高发动机战备完整性和风扇叶片损伤容限设计具有重要的意义。

要将FOD监测识别技术应用于飞行中，首先需要在试验室阶段全面掌握该监测识别技术，建立FOD监测识别方法，并对该技术进行全面的验证评估。由于FOD监测识别技术涉及传感器的布置、外物撞击监测识别算法研究、监测报警参数及阈值的智能确定等关键技术。上述关键环节都与风扇叶片的结构及动力学特性密切关联，不同的风扇叶片、转子转速、撞击外物特征参数都会影响叶尖瞬态振动特性，如何布置传感器位置、建立最优的监测识别算法、确定高准确度的报警参数及阈值，都需要在风扇转子平台开展大量的外物撞击试验，分析其关联规律才能够攻克并确定。而目前国内尚未研制出风扇叶片外物撞击试验平台。

发明内容

本发明的目的是：设计一套航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台，获取真实发动机叶片遭遇外物撞击瞬间风扇叶片瞬态振动响应及规律、叶片振动响应与撞击外物速度、质量、材质之间的规律关系，为发动机叶片抗损伤容限设计及外物撞击识别监测提供数据。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一种航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台，所述的航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台由风扇转子试验器1、风扇叶片动应力测量单元2、试验防护单元3、外物发射装置4组成；所述的风扇转子试验器1、风扇叶片动应力测量单元2位于试验防护单元3内部，风扇叶片动应力测量单元2装配在风扇转子试验器1上；外物发射装置4位于风扇转子试验器1的正前方叶片旋转区域内；

所述的风扇转子试验器1采用“双支点+叶盘悬臂”转子结构形式，由风扇叶片11、整体叶盘-转轴单元12、滑环引电器安装轴13、风扇转轴14、前轴承支承-润滑单元15、后轴承支承-润滑单元16、电机驱动控制单元17、铸铁试验平台18组成；所述的风扇叶片11、整体叶盘-转轴单元12、滑环引电器安装轴13连接并固定连接在风扇转轴14上；所述的风扇转轴14支撑在前轴承支承-润滑单元15和后轴承支承-润滑单元16上；所述的前轴承支承-润滑单元15和后轴承支承-润滑单元16固定在铸铁试验平台18上；

所述的风扇叶片动应力测量单元2由布置于风扇叶片11上的三向应变计21、滑环引电器22、滑环引电器安装轴23、应变采集器24组成；所述的三向应变计21与滑环引电器22的转子端连接；所述的滑环引电器22装配在滑环引电器安装轴23上，滑环引电器22定子端线缆接入应变采集器24上；

所述的试验防护单元3对外物撞击试验起防护作用；

所述的外物发射装置4由伺服驱动电机41、弹簧42、发射管43、固定台架44、炮体位置调节装置45、弹体46组成；所述的伺服驱动电机41、弹簧42、发射管43依次相连在同一轴线上，伺服驱动电机41带动弹簧42产生发射动力；弹簧拉杆42采用螺纹形式与发射管43相连，并固定在固定台架44上；所述的弹体46固定在发射管43内部；炮体位置调节装置45安装在固定台架44下面，用于调整外物发射装置4的高度与角度。

所述的风扇叶片11、整体叶盘-转轴单元12、滑环引电器安装轴13采用整体叶盘加工一体成型，以“销钉周向定位+圆柱面径向定位”的配合方式，依靠托板螺栓固定连接在风扇转轴14上。采用整体加工成型的叶盘能够避免分体加工后组装时工艺和结构强度不足的问题。

所述的三向应变计21粘贴在风扇叶片11背面中部，采用“1/4应变桥路”接入滑环引电器22的转子端。

所述的滑环引电器22采用“小间隙配合+螺钉”方式装配在滑环引电器安装轴23上。

所述的电机驱动控制单元17中的电机通过花键轴将扭矩与动力传给风扇转轴14。

所述的试验防护单元3包括：带喇叭口防护钢制框架、固定在框架内的硬纸橡胶块、测试线缆保护附件。避免风扇转子试验器1试验过程中异物飞出造成的严重意外情况。

本发明的优点是：

设计了一套航空发动机风扇叶片外物撞击监测识别演示验证试验平台，为开展风扇叶片外物撞击监测识别技术研究提供了关键的试验平台，以及重要的试验参数支持。该试验平台设计充分考虑了风扇叶片弯扭结构带来的气体激振力、转子转速高等特点，叶片遭遇外物撞击类型的多样性，使后续外物撞击试验更接近真实发动机外物撞击事件；接触式叶片应变测试系统能够为非接触式FOD监测识别技术研究提供准确参照基准，加快并提高了FOD监测识别技术的工程化、实用性。

附图说明

图1航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台结构示意图；

图2风扇转子试验器结构示意图图；

图3风扇叶片动应力测量单元示意图；

图4外物发射装置结构示意图；

图5风扇叶片三维示意图；

图6试验平台操作控制流程图；

其中，1为风扇转子试验器、2为风扇叶片动应力测量单元、3为试验防护单元、4为外物发射装置、11为风扇叶片、12为整体叶盘-转轴单元、13为滑环引电器安装轴、14为风扇转轴、15为前轴承支承-润滑单元、16为后轴承支承-润滑单元、17为电机驱动控制单元、18为铸铁试验平台、21为三向应变计、22为滑环引电器、23为滑环引电器安装轴、24为应变采集器、41为伺服驱动电机、42为弹簧、43为发射管、44为固定台架、45为炮体位置调节装置、46为弹体。

具体实施方式

下面结合附图描述本发明的航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台的结构，并描述设计思路与实施方法。

航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台结构示意图如图1所示，主要包含以下部分：风扇转子试验器1、风扇叶片动应力测量单元2、试验防护单元3、外物发射装置4。风扇转子试验器1、风扇叶片动应力测量单元2位于试验防护单元3内部，试验防护单元对外物撞击试验起防护作用；风扇叶片动应力测量单元2示意图如图3所示，装配在风扇转子试验器1上；外物发射装置4示意图如图4所示，位于风扇转子试验器1的正前方叶片旋转区域内。

风扇转子试验器1结构示意图如图2所示，包括：风扇叶片11、整体叶盘-转轴单元12、滑环引电器安装轴13、风扇转轴14、前轴承支承-润滑单元15、后轴承支承-润滑单元16、电机驱动控制单元17、铸铁试验平台18，其中风扇叶片11三维示意图如图5所示。

风扇转子试验其1采用“双支点+叶盘悬臂”结构形式，风扇叶片11、整体叶盘-转轴单元12、滑环引电器安装轴13整体加工成型，以“销钉周向定位+圆柱面径向定位”的配合方式，依靠托板螺栓固定连接在风扇转轴14上。

风扇转轴14支撑在前轴承支承-润滑单元15和后轴承支承-润滑单元16上，前轴承支承-润滑单元15和后轴承支承-润滑单元16固定在铸铁试验平台18上；电机驱动控制单元17中的电机通过花键轴将扭矩与动力传给风扇转轴14。

采用“双支点+叶盘悬臂”结构形式，一能够保证风扇转子试验器1的动力学稳定性，二具有可更换各种类型的叶盘，具有良好的通用性。

优选整体叶盘加工，相比分体加工方式可减少试验器的零件数、大幅度提高叶片与转盘联结的强度，提高转子系统的可靠性。

销钉周向定位+圆柱面径向定位”的配合方式，提高了整体叶盘单元12与风扇转轴14之间的配合精度，同时降低了装配工艺的难度。

风扇叶片动应力测量单元2包括：布置于风扇叶片11上的三向应变计21、滑环引电器22、滑环引电器安装轴23、应变采集器24；将三向应变计21粘贴在风扇叶片11背面中部，三向应变计21与滑环引电器22的转子端连接。

采用“1/4应变桥路”将三向应变计21接入滑环引电器22的转子端；三向应变计+1/4应变桥路的测量方式，能够获得外物撞击瞬间叶片动应力的主方向，为后续研究提供更精准的数据。

滑环引电器22装配在滑环引电器安装轴23上，采用“小间隙配合+螺钉”方式装配在滑环引电器安装轴23上，滑环引电器22定子端线缆接入应变采集器24上。

试验防护单元3包括：带喇叭口防护钢制框架、固定在框架内的硬纸橡胶块、测试线缆保护附件。

防护单元3可以起到避免风扇转子试验器1试验过程中异物飞出造成的严重意外情况；

外物发射装置4包括：伺服驱动电机41、弹簧42、发射管43、固定台架44、炮体位置调节装置45、弹体46。伺服驱动电机41与弹簧42连接在同一轴线上，弹簧42与发射管43连接，414243依次相连在同一轴线上，并固定在固定台架44上；弹体46固定在发射管43内部；炮体位置调节装置45安装在固定台架44下面，用于调整外物发射装置4的高度与角度。伺服驱动电机41带动弹簧42产生发射动力。

以某项目中需研制的风扇叶片外物撞击试验平台为例，给出其设计思路和具体操作如下。

步骤1：试验平台总体设计

根据外物撞击试验的技术要求，综合各因素确定试验平台主要组成部分和关键参数，规划试验平台各个子系统的空间位置布局，制定试验平台操作流程。

根据要求：外物撞击试验转速范围2000～5000rpm，叶盘直径约0.8m，外物撞击速度可调节范围为10～50m/s，试验平台需给出叶片是否遭遇撞击的参照标准。根据上述要求，综合转子结构设计、叶片气动设计、试验测量系统设计、试验安全系统设计等方面，试验平台由60kW伺服变频电机、带弯扭叶片的风扇转子试验器、外物发射装置、试验安全防护单元、风扇叶片动应变测量单元组成。从试验安全角度考虑，采用“试验现场与操作控制现场隔离”的空间布局，即撞击试验过程中所有人员、关键参数监控终端、测试系统工控机、发射控制终端位于一小安全系数足够高的封闭区域，而转子试验器、发射装置位于另一隔离区。

步骤2：风扇转子试验器设计

步骤2.1：输入风扇叶片关键设计参数，根据叶型气动设计原理反复迭代计算最终给出每一截面叶型速度三角形，再根据叶片厚度分布，确定每一叶片基元级叶型二维图，再将各个截面的叶型沿高度方向进行拉伸，完成叶片的三维设计。

步骤2.2：选择并确定叶片与风扇盘、转轴与风扇盘联结方式，并通过计算或仿真校核优化其结构强度。考虑到转子试验器的通用性，减少试验器的零件数、提高转子系统的可靠性，不采用榫槽形式的叶盘联结方式，采用强度更高的整体叶盘设计，风扇盘与转轴采用“螺栓联结+销钉周向定位+圆柱面径向定位”的联结配合方式。

步骤2.3：确定风扇转子试验器转子支撑方式，设计转轴结构、轴承支座结构，并利用有限元校核结构强度、轴承支座支撑刚度。

步骤2.4：根据轴承相关参数、转子运行负荷、转速、温度限制等数据，计算转子轴承发热量及所需的散热量，根据润滑油流体参数计算滑油系统润滑方式、压力、流量，并设计出滑油喷嘴结构。

步骤2.5：综合转子临界转速位移响应、封严结构封严原理，设计出封严结构，并确定封严结构与转子之间的间隙值、封严结构与支座联结配合方式。

步骤2.6：建立叶盘、转轴、支撑系统动力学模型，计算出风扇转子试验器临界转速，并对整个转子系统进行结构优化，确保转子试验器满足试验需求。

步骤3：风扇叶片动应力测量单元设计

该试验平台采用滑环引电器来传输叶片动应力信号，风扇叶片动应力测量单元由粘贴在叶片表面的应变片、引线涂层、滑环引电器、线路防护、滑环引电器支座、应变采集仪等组成。其中滑环通道数为72路，应变片线缆与滑环转子的线缆采用焊接连接的方式。结合滑环固定方式以及转子上可用空间，在风扇盘进气端轴心处设计一安装轴，采用间隙配合将滑环引电器装在转轴上。

步骤4：外物发射装置设计

该试验平台采用机械炮发射弹体，机械炮核心单元为可调节弹性势能的类弹簧、调节弹簧机构，其核心技术是弹簧调节量与外物发射速度之间的定量关系。根据不同外物与弹簧动能势能之间的计算公式，确定弹簧的刚度为22N/m，弹簧最大压缩量为350mm，弹簧卷筒直径选取80mm。采用伺服电机控制弹簧压缩量，电机所受最大扭矩为276.7N.m。最终电机输出转速设计为n＝2.5r/min,需用最大扭矩为500N.m。

发射管采用尼龙加工成形，根据弹丸外径加工不同尺寸的发射管。发射管与拉杆采用螺纹形式进行固定连接。

步骤5：试验安全防护系统设计

转子试验器是该平台最大的危险源，为了避免试验过程中异物飞出造成的严重意外情况，整个转子试验器需要安装专用的保护罩包容起来。根据计算，保护罩的外形尺寸为：2000mm(长)×1100mm(宽)×1200mm(高)。保护罩的骨架由50×50×4的角铁组焊成形；在骨架的内表面固定t＝30mm的硬质橡胶，用于缓冲弹丸等高速弹射体的冲击力；在骨架的外表面铆接一层t＝3mm的钢板，对整个保护罩再次进行加固防护。

采用“试验现场与操作控制现场隔离”的空间布局，保证了试验人员的绝对安全，以及监控操作室内设备的安全。另外对于放置在转子试验器周围的试验设备，用铁盒子将测试设备封闭防护，并将众多的线缆固定在相应物体的壁面上。

6试验平台操作流程

整个试验平台操作流程如附图6所示。此外为保证试验的安全开展，对于关键的部件和参数需要进行实时监控。该试验平台关键监控参数包括轴承滑油温度、叶片动应变、支座振动。监控参数一旦出现异常需采取应急措施使转子尽快停下来。为此在试验平台操作操控制系统中需植入应急处置按钮。

Claims (6)

1.一种航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台，其特征在于：所述的航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台由风扇转子试验器(1)、风扇叶片动应力测量单元(2)、试验防护单元(3)、外物发射装置(4)组成；所述的风扇转子试验器(1)、风扇叶片动应力测量单元(2)位于试验防护单元(3)内部，风扇叶片动应力测量单元(2)装配在风扇转子试验器(1)上；外物发射装置(4)位于风扇转子试验器(1)的正前方叶片旋转区域内；

所述的风扇转子试验器(1)采用“双支点+叶盘悬臂”转子结构形式，由风扇叶片(11)、整体叶盘-转轴单元(12)、滑环引电器安装轴(13)、风扇转轴(14)、前轴承支承-润滑单元(15)、后轴承支承-润滑单元(16)、电机驱动控制单元(17)、铸铁试验平台(18)组成；所述的风扇叶片(11)、整体叶盘-转轴单元(12)、滑环引电器安装轴(13)连接并固定连接在风扇转轴(14)上；所述的风扇转轴(14)支撑在前轴承支承-润滑单元(15)和后轴承支承-润滑单元(16)上；所述的前轴承支承-润滑单元(15)和后轴承支承-润滑单元(16)固定在铸铁试验平台(18)上；

所述的风扇叶片动应力测量单元(2)由布置于风扇叶片(11)上的三向应变计(21)、滑环引电器(22)、滑环引电器安装轴(23)、应变采集器(24)组成；所述的三向应变计(21)与滑环引电器(22)的转子端连接；所述的滑环引电器(22)装配在滑环引电器安装轴(23)上，滑环引电器(22)定子端线缆接入应变采集器(24)上；

所述的试验防护单元(3)对外物撞击试验起防护作用；

所述的外物发射装置(4)由伺服驱动电机(41)、弹簧(42)、发射管(43)、固定台架(44)、炮体位置调节装置(45)、弹体(46)组成；所述的伺服驱动电机(41)、弹簧(42)、发射管(43)依次相连在同一轴线上，弹簧拉杆(42)采用螺纹形式与发射管(43)相连，并固定在固定台架(44)上；所述的弹体(46)固定在发射管(43)内部；炮体位置调节装置(45)安装在固定台架(44)下面，用于调整外物发射装置(4)的高度与角度。

2.根据权利要求1所述的航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台，其特征在于：所述的风扇叶片(11)、整体叶盘-转轴单元(12)、滑环引电器安装轴(13)采用整体叶盘加工一体成型，以“销钉周向定位+圆柱面径向定位”的配合方式，依靠托板螺栓固定连接在风扇转轴(14)上。

3.根据权利要求1所述的航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台，其特征在于：所述的三向应变计(21)粘贴在风扇叶片(11)背面中部，采用“1/4应变桥路”接入滑环引电器(22)的转子端。

4.根据权利要求1所述的航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台，其特征在于：所述的滑环引电器(22)采用“小间隙配合+螺钉”方式装配在滑环引电器安装轴(23)上。

5.根据权利要求1所述的航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台，其特征在于：所述的电机驱动控制单元(17)中的电机通过花键轴将扭矩与动力传给风扇转轴(14)。

6.根据权利要求1所述的航空发动机风扇叶片外物撞击试验平台，其特征在于：所述的试验防护单元(3)包括：带喇叭口防护钢制框架、固定在框架内的硬纸橡胶块、测试线缆保护附件。