CN110030042A - 叶片切割装置及用于航空发动机风扇机匣的包容试验装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机风扇机匣包容试验领域，特别涉及叶片切割装置及用于航空发动机风扇机匣的包容试验装置。叶片切割装置包括：装药孔，开设在待切割叶片榫头上，两端端部开设有内螺纹；切割索，铺设在装药孔；塑钢泥，填充设置在切割索与装药孔之间的空隙中；雷管固定螺栓，螺纹安装在装药孔一端端部，且雷管固定螺栓中设置有雷管，雷管的两根雷管引线从过线孔伸出雷管固定螺栓头部；起爆开关，通过两根起爆电源线与雷管的引线连接，用于引爆雷管。本申请能够使叶片在指定转速下飞断，使得试验结果真实、有效，还能够避免较大的应力集中，并且雷管及切割索可最后安装，保证试验件装配及引线工作的操作安全，还能够保证起爆系统安全可靠工作。

Description

叶片切割装置及用于航空发动机风扇机匣的包容试验装置

技术领域

本申请属于航空发动机风扇机匣包容试验领域，特别涉及叶片切割装置及用于航空发动机风扇机匣的包容试验装置。

背景技术

对于燃气涡轮发动机，旋转件失效时产生的高能量碎片会使发动机本身、飞机、操作舵面、燃油箱以及飞行员处于危险之中。一旦发动机出现非包容现象就会使飞机受损，轻则飞行功能损失，重则机毁人亡。因此，世界范围内的军、民用燃气涡轮发动机规范都无一例外的有包容性的相关要求，内容基本相同，概括地说就是单个叶片在榫头以外截面断裂后应被包容，或者对整体叶盘必须至少单个叶片的80％破损并且被包容，由此引起的发动机损坏，不能对飞机产生任何危险性影响。一般来说，发动机规范要求在一台运转的发动机上验证风扇叶片的包容性，同时也提供结构极限强度的验证。然而这种试验的费用极高，所以，在提交进行这样的试验之前，要完成多项部件(或零件)级试验，以验证叶片、机匣及其他承力结构的强度设计。包容试验从简单到复杂分为机匣及机匣模拟件的打靶试验、单个叶片飞出后的完整性验证试验(不安装机匣)、试验器条件下的风扇单元体包容试验、试验器条件下安装主要发动机结构的包容试验以及整机包容试验。

在包容试验中，试验参数控制的最大挑战来自于叶片飞断转速的精确控制，飞断转速直接影响试验结果，因此必须被准确的控制。目前的控制方法主要有三种，采用预制缺口、预制缺口与局部快速加热结合以及爆破技术。预制缺口法是采用线切割在飞断截面预制缺口，缩小叶片飞断截面面积，使其在要求的离心载荷作用下率先被拉断。预制缺口与局部快速加热结合的方法是在叶片榫头处钻孔安装电加热棒，通过滑环给电加热棒供电，使榫头处局部温度快速升高，叶片拉伸强度随温度升高而下降，直至离心力将叶片拉断。在爆破技术方面，一是采用接触爆破，在榫头处钻孔放置雷管，通过雷管的爆轰力使叶片分离；另一种是使用线性聚能切割器，将线性聚能切割器布置于叶片根部，在达到试验转速后，通过聚能炸药的切割使叶片飞断。

现有技术方案的缺点主要从以下几个方面论述：

1.技术方面

预制缺口法由于受到材料分散性、加工误差及切口敏感性的影响，飞断转速控制精度较低，在实际应用中通常会保守的预制缺口，导致试验需多次上下台，试验的成功率难以保证。

预制缺口与局部快速加热结合的方法只适合拉伸强度对温升敏感的金属材料，另外在部件级及整机包容试验中应用也面临布线困难的问题。

采用接触爆破进行叶片飞断，由于爆轰压力没有方向性，会增加叶片向外飞出的额外动能，从而影响试验结果；聚能切割器为外置形，在实际发动机包容试验要求的榫头断裂位置没有足够的布置空间，尚不能直接应用于发动机部件级及整机包容试验。

2.成本方面

飞断转速控制精度差，会导致试验件重复上下台或叶片提前飞断，在叶片飞断时增加额外动能，会导致试验过考核，重复试验以及过考核或一旦叶片提前飞断所引起的试验失败，都会消耗巨大的经济成本。

3.效率方面

现有的飞断转速控制技术误差较大，需重复试验，从而影响效率。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种叶片切割装置及用于航空发动机风扇机匣的包容试验装置。

第一方面，本申请公开了一种叶片切割装置，包括：

装药孔，所述装药孔沿待切割叶片转动时的轴线方向贯穿开设在所述待切割叶片榫头上的预飞断部位处，所述装药孔长度方向上的两端端部开设有内螺纹；

切割索，所述切割索沿所述装药孔的长度方向铺设在所述装药孔中，所述切割索的内部填充有炸药，且一侧设置有金属壳体，所述金属壳体朝向所述预飞断部位；

塑钢泥，所述塑钢泥填充设置在所述切割索与所述装药孔之间的空隙中，且背离所述切割索的设置有金属壳体的一侧；

雷管固定螺栓，所述雷管固定螺栓具有与所述装药孔两端相适配的外螺纹，螺纹安装在所述装药孔一端端部，且所述雷管固定螺栓的杆部中沿轴向开设有雷管安装孔，所述雷管固定螺栓的头部沿轴向开设有过线孔，所述过线孔贯穿所述雷管固定螺栓的头部并与所述雷管安装孔连通；

雷管，所述雷管固定设置在所述雷管安装孔内，且与所述切割索接触，所述雷管的两根雷管引线从所述过线孔伸出所述雷管固定螺栓头部；

起爆开关，所述起爆开关通过两根起爆电源线与伸出所述雷管固定螺栓头部的雷管的两根雷管引线连接，用于引爆所述雷管。

根据本申请的至少一个实施方式，所述装药孔内的切割索为两根，两根所述切割索的金属壳体背向设置。

根据本申请的至少一个实施方式，位于所述装药孔两端端部的雷管固定螺栓中的雷管，通过一个所述起爆开关进行引爆。

根据本申请的至少一个实施方式，所述雷管固定螺栓头部端面上开设有两个接线凹槽，所述接线凹槽底部设置有绝缘垫片，所述雷管的其中一根引线与其中一根所述起爆电源线的连接头部设置在其中一个所述接线凹槽内，所述雷管的另一根引线与另一根所述起爆电源线的连接头部设置在另一个所述接线凹槽内。

根据本申请的至少一个实施方式，所述切割索的金属外壳材料为铅。

根据本申请的至少一个实施方式，所述雷管固定螺栓与所述装药孔连接处设置有弹簧垫片。

第二方面，本申请还公开了一种用于航空发动机风扇机匣的包容试验装置，包括由真空舱盖覆盖的试验腔，驱动装置的驱动轴的一端从外侧贯穿所述真空舱盖后进入所述试验腔，并通过转接段连接试验转子，所述接试验转子底部设置有下支撑防护组件，所述试验转子包括风扇盘及与风扇盘连接的待切割叶片；其中

所述包容试验装置还包括上述任一项所述的叶片切割装置，其中，所述叶片切割装置的起爆开关位于所述试验腔外。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的包容试验装置还包括：

轴颈，所述轴颈固定设置在所述试验腔内，且套设在所述转接段顶部是所述驱动轴外侧；

导电滑环，所述导电滑环同轴套设在所述轴颈外侧，并通过贯穿所述真空舱盖的导线与所述起爆开关连接；其中

所述叶片切割装置的起爆电源线沿着所述待切割叶片的榫头以及所述转接段表面固定铺设，并在所述转接段顶部与所述轴颈连接。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的包容试验装置还包括：

滑环引电器，所述滑环引电器通过引电器安装座套设在所述试验腔外的所述驱动轴上，并通过导线与所述起爆开关连接；其中

所述驱动轴中心开始有内孔，所述叶片切割装置的起爆电源线沿着所述待切割叶片的榫头、所述风扇盘以及所述转接段表面固定铺设，并从所述驱动轴底部的内孔伸入至与所述滑环引电器连接。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的包容试验装置，其特征在于，还包括：

电源盒，所述电源盒固定设置在所述转接段内壁上，其中，所述电源盒内部包括：

电源；

无线控制开关，所述无线控制开关用于控制所述电源的通断；

无线信号接收装置，所述无线信号接收装置用于接收无线控制信号，并根据所述无线控制信号对无线控制开关进行控制；其中

所述叶片切割装置的起爆电源线沿着所述待切割叶片的榫头、所述风扇盘以及所述转接段表面固定铺设，并与所述电源盒中的电源连接；

所述包容试验装置还包括：

无线信号发射装置，所述无线信号发射装置用于向所述无线信号接收装置发射无线控制信号。

本申请至少存在以下有益技术效果：

1、本申请解决了飞断转速控制精度差的问题，使叶片能够在指定转速下飞断；

2、本申请解决了叶片飞断时产生向外的额外动能问题，使试验结果真实、有效；

3、本申请解决了飞断装置安装问题，使飞断装置安装可靠，且避免了较大的应力集中，并且雷管及切割索可最后安装，保证试验件装配及引线工作的操作安全；

4、本申请解决了引线及转、静件间电源信号传输问题，保证起爆系统安全可靠工作。

附图说明

图1是本申请装药孔结构主视图；

图2是本申请装药孔结构侧视剖视图；

图3是本申请切割索截面结构示意图；

图4是本申请放置于装药孔内的切割索主视图；

图5是本申请放置于装药孔内的切割索俯视剖视图；

图6是本申请雷管的安装主视图；

图7是本申请雷管的安装俯视剖视图；

图8是本申请风扇盘处的引线设计示意图；

图9是本申请包容试验装置结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图9对本申请的叶片切割装置及用于航空发动机风扇机匣的包容试验装置进一步详细说明。

第一方面，本申请公开了一种叶片切割装置，可以包括装药孔1、切割索2、塑钢泥3、雷管固定螺栓4、雷管5以及起爆开关。

如图1和图2所示，装药孔1是沿待切割叶片10转动时的轴线方向贯穿开设在待切割叶片10榫头101上的预飞断部位处，装药孔1长度方向上的两端端部开设有内螺纹；其中，预飞断部位可以根据具体试验需求进行适合的选择，此处不再举例赘述。另外，本实施例中，优选装药孔1设计为圆柱形通孔，开孔后截面的拉断力不小于2倍飞断转速下的叶片离心载荷。

切割索2是沿装药孔1的长度方向铺设在装药孔1中，切割索2的内部填充有炸药，且一侧设置有金属壳体21，金属壳体21朝向预飞断部位；进一步地，切割索通过拉拔式工艺加工制作，金属外壳材料为铅，所用炸药为钛氨。如图3-图5所示，本实施例中，优选装药孔1内的切割索2为两根，两根切割索2的金属壳体21背向设置(即如图4所示，金属壳体21分别朝向左右两侧)。另外，需要说明的是，切割索2的金属壳体21的材料以及截面形状可以采用目前已知的多种适合切割索上金属壳体的形，本实施例中，采用如图3所示的开口形状，金属外壳21材料为铅。

塑钢泥3填充设置在切割索2与装药孔1之间的空隙中，且背离切割索2的设置有金属壳体21的一侧；如图4-图5所示，本实施例中，装药孔1内的切割索2为两根时，除了金属壳体21开口朝向位置，其他位置均填充塑钢泥3，以保证旋转条件下切割索在装药孔内固定可靠。

如图6-图7所示，雷管固定螺栓4具有与装药孔1两端相适配的外螺纹，螺纹安装在装药孔1一端端部，即一个装药孔1两端分别安装一个雷管固定螺栓4；且雷管固定螺栓4的杆部中沿轴向开设有雷管安装孔41，雷管固定螺栓4的头部沿轴向开设有过线孔42，过线孔42贯穿雷管固定螺栓4的头部并与雷管安装孔41连通。

雷管5固定设置在雷管安装孔41内，通过雷管固定螺栓4在装药孔1两端压紧固定，且雷管5与对应端的切割索2接触，另外，雷管5的两根雷管引线从过线孔42伸出雷管固定螺栓4头部。进一步地，优选在雷管固定螺栓4与装药孔1连接处设置有弹簧垫片45。

进一步地，如图7所示，本实施例中，优选在雷管固定螺栓4头部端面上开设有两个接线凹槽43，接线凹槽43底部设置有绝缘垫片44；雷管5具有两根引线，其中一根的引线与其中一根起爆电源线6的连接头部设置在其中一个接线凹槽43内，另一根引线与另一根起爆电源线6的连接头部设置在另一个接线凹槽43内，从而能够在试验件完成装配后再安装切割索1及雷管5，以实现试验件装配及引线等相关工作在不带炸药的情况下进行操作。

起爆开关通过上述两根起爆电源线6与伸出雷管固定螺栓4头部的雷管5的两根雷管引线连接，用于引爆雷管5。进一步地，优选位于装药孔1两端端部的雷管固定螺栓4中的雷管5，是通过一个起爆开关进行引爆。

本申请的叶片切割装置能够解决飞断转速控制精度差的问题，使叶片能够在指定转速下飞断；还能够解决叶片飞断时产生向外的额外动能问题，使试验结果真实、有效；还能够解决飞断装置安装问题，使飞断装置安装可靠，且避免了较大的应力集中，并且雷管及切割索可最后安装，保证试验件装配及引线工作的操作安全。

第二方面，本申请提供了一种用于航空发动机风扇机匣的包容试验装置，包括由真空舱盖71覆盖的试验腔72，驱动装置的驱动轴73的一端从外侧贯穿所述真空舱盖71后进入所述试验腔72，并通过转接段74连接试验转子75，接试验转子75底部设置有下支撑防护组件76，试验转子75包括风扇盘77及与风扇盘77连接的待切割叶片10。

进一步地，本申请的包容试验装置还包括上述第一方面中描述的叶片切割装置，其中，该叶片切割装置的起爆开关位于试验腔72外。

进一步地，本申请的包容试验装置中，针对叶片切割装置中转、静件间信号传输问题，本申请提供至少三种实施例。

第一实施例：

如图8所示，该实施例中，本申请的包容试验装置还可以包括轴颈78以及导电滑环79。轴颈78固定设置在试验腔72内，且套设在转接段74顶部是驱动轴73外侧，不会随驱动轴73转动；导电滑环79同轴套设在轴颈78外侧，并通过贯穿真空舱盖71的导线与起爆开关连接。

进一步地，叶片切割装置的起爆电源线6沿着待切割叶片10的榫头101、风扇盘77以及转接段74表面固定铺设；更具体地，与装药孔1上端的雷管5连接的起爆电源线6是由榫头101上表面、风扇盘77后端面(图8中上表面)、安装臂(属于风扇盘77的一部分，是风扇盘77用于与转接段74连接的部分)外壁向外引出至转接段74，并在转接段74顶部与轴颈78连接；而与装药孔(1下端的雷管5连接的起爆电源线6是由榫头101下表面、风扇盘77前端面(图8中下表面)、盘心内壁、安装臂内壁、安装臂连接螺栓(可以在安装臂连接螺栓中间设置有轴向通孔，起爆电源线6穿过通孔)向外引出至转接段74，并在转接段74顶部与轴颈78连接。

通过上述结构，使得起爆电源线6安装在轴颈78处的导电滑环79完成转、静件间的电流传输，从而使得起爆开关能够顺利对雷管5进行引爆。

第二实施例：

与上述第一实施例不同之处在于，本实施例中包括滑环引电器81是设置在试验腔72外侧；滑环引电器81通过引电器安装座82套设在试验腔72外的驱动轴73上，并通过导线与起爆开关连接；进一步地，在驱动轴73中心开始有内孔。

与装药孔1上、下端的雷管5连接的起爆电源线6引出至转接段74后，在转接段74顶部贯穿伸入转接段74内部，并从驱动轴73底部的内孔伸入至与滑环引电器81连接，从而使得起爆开关能够顺利对雷管5进行引爆。

第三实施例：

本实施例中，包容试验装置还可以包括电源盒91以及无线信号发射装置92。

其中，电源盒91固定设置在转接段74内壁上，电源盒91内部可以包括电源、无线控制开关以及无线信号接收装置。无线控制开关用于控制电源的通断；无线信号接收装置用于接收无线控制信号，并根据无线控制信号对无线控制开关进行控制。

其中，与装药孔1上、下端的雷管5连接的起爆电源线6引出至转接段74的引线方式与上述两个实施例相同，当引出至转接段74后，起爆电源线6贯穿伸入转接段74内部与电源盒91的电源连接。

进一步地，无线信号发射装置92用于受控地向无线信号接收装置发射无线控制信号，使得转、静子间通过遥控方式完成电源开关的操作。其中，无线信号发射装置92可以根据需要设置在适合的位置，例如可以在下支撑防护组件76顶部开设凹槽，从而将无线信号发射装置92设置在凹槽内，且控制无线信号发射装置92的引线可以参考上述第二实施例，直接从驱动轴73中心内孔引出，以方便控制且不对试验造成影响；另外，当无线控制信号足够强时，也可以直接将无线信号发射装置92设置在试验腔72外部。

综上所述，本申请的叶片切割装置能够解决飞断转速控制精度差的问题，使叶片能够在指定转速下飞断；还能够解决叶片飞断时产生向外的额外动能问题，使试验结果真实、有效；还能够解决飞断装置安装问题，使飞断装置安装可靠，且避免了较大的应力集中，并且雷管及切割索可最后安装，保证试验件装配及引线工作的操作安全。还能解决引线及转、静件间电源信号传输问题，保证起爆系统安全可靠工作。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种叶片切割装置，其特征在于，包括：

装药孔(1)，所述装药孔(1)沿待切割叶片(10)转动时的轴线方向贯穿开设在所述待切割叶片(10)榫头(101)上的预飞断部位处，所述装药孔(1)长度方向上的两端端部开设有内螺纹；

切割索(2)，所述切割索(2)沿所述装药孔(1)的长度方向铺设在所述装药孔(1)中，所述切割索(2)的内部填充有炸药，且一侧设置有金属壳体(21)，所述金属壳体(21)朝向所述预飞断部位；

塑钢泥(3)，所述塑钢泥(3)填充设置在所述切割索(2)与所述装药孔(1)之间的空隙中，且背离所述切割索(2)的设置有金属壳体(21)的一侧；

雷管固定螺栓(4)，所述雷管固定螺栓(4)具有与所述装药孔(1)两端相适配的外螺纹，螺纹安装在所述装药孔(1)一端端部，且所述雷管固定螺栓(4)的杆部中沿轴向开设有雷管安装孔(41)，所述雷管固定螺栓(4)的头部沿轴向开设有过线孔(42)，所述过线孔(42)贯穿所述雷管固定螺栓(4)的头部并与所述雷管安装孔(41)连通；

雷管(5)，所述雷管(5)固定设置在所述雷管安装孔(41)内，且与所述切割索(2)接触，所述雷管(5)的两根雷管引线从所述过线孔(42)伸出所述雷管固定螺栓(4)头部；

起爆开关，所述起爆开关通过两根起爆电源线(6)与伸出所述雷管固定螺栓(4)头部的雷管(5)的两根雷管引线连接，用于引爆所述雷管(5)。

2.根据权利要求1所述的叶片切割装置，其特征在于，所述装药孔(1)内的切割索(2)为两根，两根所述切割索(2)的金属壳体(21)背向设置。

3.根据权利要求1所述的叶片切割装置，其特征在于，位于所述装药孔(1)两端端部的雷管固定螺栓(4)中的雷管(5)，通过一个所述起爆开关进行引爆。

4.根据权利要求1所述的叶片切割装置，其特征在于，所述雷管固定螺栓(4)头部端面上开设有两个接线凹槽(43)，所述接线凹槽(43)底部设置有绝缘垫片(44)，所述雷管(5)的其中一根引线与其中一根所述起爆电源线(6)的连接头部设置在其中一个所述接线凹槽(43)内，所述雷管(5)的另一根引线与另一根所述起爆电源线(6)的连接头部设置在另一个所述接线凹槽(43)内。

5.根据权利要求1所述的叶片切割装置，其特征在于，所述切割索(2)的金属外壳(21)材料为铅。

6.根据权利要求1所述的叶片切割装置，其特征在于，所述雷管固定螺栓(4)与所述装药孔(1)连接处设置有弹簧垫片(45)。

7.一种用于航空发动机风扇机匣的包容试验装置，其特征在于，包括由真空舱盖(71)覆盖的试验腔(72)，驱动装置的驱动轴(73)的一端从外侧贯穿所述真空舱盖(71)后进入所述试验腔(72)，并通过转接段(74)连接试验转子(75)，所述接试验转子(75)底部设置有下支撑防护组件(76)，所述试验转子(75)包括风扇盘(77)及与风扇盘(77)连接的待切割叶片(10)；其中

所述包容试验装置还包括如权利要求1至6任一项所述的叶片切割装置，其中，所述叶片切割装置的起爆开关位于所述试验腔(72)外。

8.根据权利要求7所述的包容试验装置，其特征在于，还包括：

轴颈(78)，所述轴颈固定设置在所述试验腔(72)内，且套设在所述转接段(74)顶部是所述驱动轴(73)外侧；

导电滑环(79)，所述导电滑环(79)同轴套设在所述轴颈(78)外侧，并通过贯穿所述真空舱盖(71)的导线与所述起爆开关连接；其中

所述叶片切割装置的起爆电源线(6)沿着所述待切割叶片(10)的榫头(101)、所述风扇盘(77)以及所述转接段(74)表面固定铺设，并在所述转接段(74)顶部与所述轴颈(78)连接。

9.根据权利要求7所述的包容试验装置，其特征在于，还包括：

滑环引电器(81)，所述滑环引电器(81)通过引电器安装座(82)套设在所述试验腔(72)外的所述驱动轴(73)上，并通过导线与所述起爆开关连接；其中

所述驱动轴(73)中心开始有内孔，所述叶片切割装置的起爆电源线(6)沿着所述待切割叶片(10)的榫头(101)、所述风扇盘(77)以及所述转接段(74)表面固定铺设，并从所述驱动轴(73)底部的内孔伸入至与所述滑环引电器(81)连接。

10.根据权利要求7所述的包容试验装置，其特征在于，还包括：

电源盒(91)，所述电源盒(91)固定设置在所述转接段(74)内壁上，其中，所述电源盒(91)内部包括：

电源；

无线控制开关，所述无线控制开关用于控制所述电源的通断；

无线信号接收装置，所述无线信号接收装置用于接收无线控制信号，并根据所述无线控制信号对无线控制开关进行控制；其中

所述叶片切割装置的起爆电源线(6)沿着所述待切割叶片(10)的榫头(101)、所述风扇盘(77)以及所述转接段(74)表面固定铺设，并与所述电源盒(91)中的电源连接；

所述包容试验装置还包括：

无线信号发射装置(92)，所述无线信号发射装置(92)用于向所述无线信号接收装置发射无线控制信号。