CN110926745B - 一种航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机试验领域，并具体公开了一种航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架。该台架包括滑动系统、驱动系统、静子系统和转子系统，其中滑动系统的滑动平台安装在导轨的上方并且利用限位索进行固定；驱动系统的电机和可脱离联轴器为转子系统提供动力的同时实现转子系统的脱离；静子系统包括两个对称设置的静子叶片；转子系统中转轴固定在滑动平台上，其一端通过可脱离联轴器与电机连接，其另一端与转子叶片连接，转子叶片设置在静子叶片的中间。本发明不仅解决了现有航空发动机相关超转试验台架不能进行低压涡轮转静子叶片碰摩试验的问题，还能够避免试验台架功能单一的弊端，具有结构简单、安装使用及维护方便、成本低廉的优势。

Description

一种航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架

技术领域

本发明属于航空发动机试验领域，更具体地，涉及一种航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架。

背景技术

航空发动机转子系统一般由高压转子部分和低压转子部分组成，其中高压转子部分包括高压涡轮和高压压气机，高压涡轮通过高压涡轮轴驱动高压压气机转子高速旋转；低压转子部分主要包括低压涡轮、低压压气机和风扇，低压涡轮通过低压涡轮轴驱动低压压气机转子和风扇高速旋转。其中低压涡轮轴嵌套在高压涡轮轴中，从而形成典型的双转子结构。

在航空发动机工作过程中，高压涡轮轴断裂的概率非常小，即使发生断裂，由于低压压气机会发生喘振以及高压压气机转速难以维持等原因，从而会导致高压涡轮转速下降。相比高压涡轮轴，低压涡轮轴存在较大的断裂概率，国外已经发生过低压涡轮轴断裂故障。低压涡轮轴一旦断裂，相当于瞬间甩负荷，转速会急剧上升。当离心力超过材料的强度极限值时，就会出现叶片飞脱或轮盘破裂，此时若机匣结构无法包容，飞脱的叶片或破裂产生的高能碎片会给发动机外部的油管、机翼等其他结构件带来严重威胁。

目前采用了一种新型的低压涡轮转静子叶片碰摩刹车设计方法来防止低压涡轮轴转子系统超转，以避免转子系统断裂故障的发生，该方法将静子叶片设计为前弯的方式，当低压涡轮轴断裂时，通过转静子叶片之间的碰撞及摩擦卡滞吸收转子系统的能量，使转子系统减速并保护低压涡轮，从而对防止轮盘超转破裂以及转子叶片飞脱具有十分重要的意义。然而由于航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验属于破坏性试验，对试验人员和试验设备的保护显得尤为重要。而目前现有的航空发动机相关试验台架主要是进行转子系统的超转试验研究，无法开展转静子叶片的轴向和径向方向碰摩摩擦试验研究。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架，其中结合航空发动机低压涡轮自身的特征及其发生轴断裂的过程，相应设计了滑动系统、驱动系统、静子系统和转子系统，并对其关键组件如滑动平台、轴承的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决无法开展涡轮转静子碰摩试验的问题，同时还具备成本低廉、试验简单的优势，因而尤其适用于航空发动机转子系统超转试验的应用场合。

为实现上述目的，本发明提出了一种航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架，其包括滑动系统、驱动系统、静子系统和转子系统，其中：

所述滑动系统包括滑动平台、导轨和限位索，所述滑动平台安装在所述导轨的上方并且利用所述限位索进行固定；

所述驱动系统包括电机和可脱离联轴器，用于为所述转子系统提供动力的同时实现所述转子系统的脱离；

所述静子系统包括两个对称设置的静子叶片，所述静子叶片固定在所述导轨上；

所述转子系统包括转轴和转子叶片，所述转轴固定在所述滑动平台上，其一端通过所述可脱离联轴器与所述电机连接，其另一端与所述转子叶片连接，所述转子叶片设置在两个所述静子叶片的中间，进行碰摩试验时，切断所述限位索，所述滑动平台带动所述转子系统沿所述导轨进行水平移动，使得所述转子叶片与所述静子叶片发生碰摩。

作为进一步优选地，所述滑动系统还包括与所述滑动平台连接的弹性储能器，进行碰摩试验时，利用所述弹性储能器推动所述滑动平台进行水平移动，并通过调整所述弹性储能器的储能实现对所述转子叶片碰摩速度的调节。

作为进一步优选地，所述转子系统还包括安装在所述转轴上的惯量调节盘，进行碰摩实验时，利用所述惯量调节盘调节所述转子叶片的转动惯量。

作为进一步优选地，所述转子叶片和静子叶片为单叶片、多叶片或全环叶片。

作为进一步优选地，所述航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架还包括防护系统，用于确保碰摩试验的安全性，所述防护系统包括设置在所述滑动系统、转子系统和静子系统外侧的防护罩，以及安装在所述滑动平台和静子叶片之间的隔离板。

作为进一步优选地，所述航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架还包括真空系统，所述真空系统包括安装在所述防护罩外部的真空舱以及抽真空设备，用于对所述防护罩内的试验区域进行真空处理。

作为进一步优选地，所述航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架还包括视频监控系统，用于进行碰摩实验时实现动态视频监控。

作为进一步优选地，所述静子系统还包括涡轮机匣和固定块，所述静子叶片安装在所述涡轮机匣上，并利用所述固定块将所述涡轮机匣固定在所述导轨上，避免进行碰摩实验时所述静子叶片发生移动。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明将转子系统中的转轴固定在能够沿导轨水平移动的滑动平台上，并通过可脱离联轴器将转轴与电机连接，从而能够模拟航空发动机低压涡轮轴断裂时转子叶片的运动情况，同时通过在转子叶片的两侧设置静子叶片，能够获得转静子叶片发生碰摩时的运动情况，以此进行航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验，从而对试验过程中的关键参数进行准确测量，不仅解决了现有的航空发动机相关超转试验台架不能进行低压涡轮转静子叶片碰摩试验的问题，还能够避免试验台架功能单一的弊端，具有结构简单、安装使用及维护方便、成本低廉、安全性高以及加工制造简单的优势；

2.尤其是，本发明通过设置于滑动平台连接的弹性储能器以及与转轴连接的惯量调节盘，能够准确调节进行碰摩实验时转子叶片的碰摩速度和转动惯量，模拟低压涡轮内部轴向气动力对转子叶片的作用力，获得不同因素对静转子叶片碰摩过程的影响；

3.同时，本发明通过设置防护系统、真空系统和监控系统，能够有效保护试验人员和试验设备的安全，降低试验成本，并对碰摩的过程进行动态视频监控。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例构建的航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-电机，2-可脱离联轴器，3-限位索，4-弹性蓄能器，5-滑动平台，6-轴承座，7-限位轴承，8-惯量调节盘，9-涡轮机匣，10-静子叶片，11-转子叶片，12-固定块，13-导轨，14-防护罩，15-隔离板，16-真空舱，17-抽真空设备，18-转轴，19-转子轮盘。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供一种航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架，其包括驱动系统、滑动系统、转子系统、静子系统，其中：

滑动系统包括滑动平台5、导轨13和限位索3，滑动平台5安装在导轨13的上方并且利用限位索3进行固定，滑动平台5可沿导轨13低摩擦滑动；

驱动系统包括电机1和可脱离联轴器2，电机1优选为直流电机并且位置固定不动，驱动系统用于为转子系统提供动力的同时实现转子系统的脱离；

静子系统包括两个对称设置的静子叶片10、涡轮机匣9和固定块12，利用涡轮机匣9将静子叶片10安装在导轨13上，并利用固定块进行固定，避免进行碰摩实验时静子叶片10发生移动，通过设置两级静子叶片10，能够模拟转子叶片11在剧烈弹性碰摩下可能发生的前后静子叶片内往复弹性碰摩现象；

转子系统包括转轴18、轴承座6、限位轴承7、转子叶片11和转子轮盘19，转轴18通过轴承座6和限位轴承7固定在滑动平台5上，轴承座6采用等刚度支承设计，并可根据试验要求调整轴承座6的支承刚度，限位轴承7用于限制柔性轴过大的危险扰动，从而确保转子系统的安全，转轴18的一端通过可脱离联轴器2与电机1连接，其另一端与转子轮盘19连接，转子叶片11安装在转子轮盘19上并且设置在两个静子叶片10的中间，为确保试验过程中转静子叶片的相对碰摩位置，静子系统和转子系统的中心线位于同一轴心线上，并且转子叶片11和静子叶片10为单叶片、多叶片或全环叶片，进行碰摩试验时，切断限位索，可脱离联轴器2将电机1与转轴18分离，滑动平台5带动转子系统沿导轨13进行水平移动，使得转子叶片11与静子叶片10发生碰摩。

进一步，滑动系统还包括与滑动平台5连接的弹性储能器4，进行碰摩试验时，利用弹性储能器4推动滑动平台5进行水平移动，使得转子系统具备一定的轴向速度和能量，并在碰摩发生时使转子叶片11以一定的碰摩力作用在静子叶片10上，通过调节弹性储能器的储能可以实现对转子叶片11碰摩速度的调节，以此模拟涡轮内部轴向气动力对转子叶片11的作用力。

进一步，转子系统还包括安装在转轴18上的惯量调节盘8，进行碰摩实验时，利用惯量调节盘8调节转子叶片11的转动惯量，以保证转子系统的转动能量和轴向撞击能量均满足试验要求，通过惯量调节盘8的调节可以研究不同碰摩能量水平对转静子叶片碰摩摩擦结果的影响。

进一步，航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架还包括防护系统、真空系统和视频监控系统，其中：

防护系统用于确保碰摩试验的安全性，其包括设置在滑动系统、转子系统和静子系统外侧的防护罩14，以及安装在滑动平台6和静子叶片10之间的隔离板15，防护罩14为钢制半圆形结构，壁厚为5mm～10mm，隔离板15位于防护罩14的内部，将碰摩区域与其他区域隔离，碰摩试验在半圆形防护罩14的内部隔离区域内进行，以防止转静子叶片碰摩时产生的高能碎片威胁试验人员安全或损坏其他试验设备；

真空系统包括安装在防护罩14外部的真空舱16以及抽真空设备17，进行碰摩试验时，通过抽真空设备17使得真空腔16内保持真空状态，可以大幅减小电机1的驱动功率，同时可以有效防止试验时由于滑油泄露的微量油雾在转静子叶片碰摩时而导致的闪燃；

视频监控系统用于进行碰摩实验时实现动态视频监控。

下面对利用本发明提供的航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架进行实验的过程作具体描述。

在碰摩试验前，将滑动平台5通过限位索固定在导轨13上静止不动，使得静子叶片10与转子叶片11保持要求的距离，弹性蓄能器4有足够的弹性势能，能够推动转子叶片11向前运动与静子叶片10发生碰摩，通过抽真空设备17将真空腔16内的空气吸出，使得防护罩14内的试验区域保持真空状态；

进行碰摩试验时，电机1作为驱动装置，通过可脱离联轴器2拖动转轴18、惯量调节盘8和转子叶片11高速旋转，待转子系统的转速达到要求后，切开限位索3，可脱离联轴器2脱开，同时弹性蓄能器4以给定的加速度推动滑动平台5沿导轨13水平移动，从而使得转子叶片11与静子叶片10发生碰摩；

碰摩试验结束后，首先关闭电机1，待转子系统的转速降低到10％后，关闭真空系统，待真空舱16的气压恢复到大气压时，打开真空腔16和防护罩14，逐步拆卸转子系统和静子系统，整理试验台结束试验。

进行碰摩试验时，可以通过调节弹性蓄能器4的参数改变滑动平台5的轴向速度，从而实现转子叶片11碰摩速度的调节；也可以通过惯量调节盘8改变转子系统的转动惯量和质量，从而改变转子系统在轴向和径向方向上的能量水平；同时转子叶片11可以根据试验要求调整转速，从而实现不同工况下的碰摩试验，并探究不同因素影响下转静子叶片碰摩的剧烈程度以及碰摩的不同效果。

本发明针对航空发动机提供了低压涡轮转静子叶片进行碰摩试验的一种试验台架，解决了现有航空发动机超转试验台架无法开展转静子叶片碰摩试验的问题，同时该台架仍可进行转子系统的超转试验，因此在解决问题的同时即节省了成本也避免了试验台架功能单一性的弊端，具有结构简单、安装使用及维护方便、成本低廉、安全性高以及加工制造简单等优势。

本领域的技术人员容易理解，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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架，其特征在于，该试验台架包括滑动系统、驱动系统、静子系统和转子系统，其中：

所述滑动系统包括滑动平台(5)、导轨(13)和限位索(3)，所述滑动平台(5)安装在所述导轨(13)的上方并且利用所述限位索(3)进行固定；

所述驱动系统包括电机(1)和可脱离联轴器(2)，用于为所述转子系统提供动力的同时实现所述转子系统的脱离；

所述静子系统包括两个对称设置的静子叶片(10)，所述静子叶片(10)固定在所述导轨(13)上并保持静止；

所述转子系统包括转轴(18)和转子叶片(11)，所述转轴(18)固定在所述滑动平台(5)上，其一端通过所述可脱离联轴器(2)与所述电机(1)连接，其另一端与所述转子叶片(11)连接，所述转子叶片(11)设置在两个所述静子叶片(10)的中间，进行碰摩试验时，切断所述限位索(3)，所述滑动平台(5)带动所述转子系统沿所述导轨(13)进行水平移动，使得所述转子叶片(11)与所述静子叶片(10)发生碰摩。

2.如权利要求1所述的航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架，其特征在于，所述滑动系统还包括与所述滑动平台(5)连接的弹性储能器(4)，进行碰摩试验时，利用所述弹性储能器(4)推动所述滑动平台(5)进行水平移动，并通过调整所述弹性储能器(4)的储能实现对所述转子叶片(11)碰摩速度的调节。

3.如权利要求1所述的航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架，其特征在于，所述转子系统还包括安装在所述转轴(18)上的惯量调节盘(8)，进行碰摩试验时，利用所述惯量调节盘(8)调节所述转子叶片(11)的转动惯量。

4.如权利要求1所述的航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架，其特征在于，所述转子叶片(11)和静子叶片(10)为单叶片、多叶片或全环叶片。

5.如权利要求1所述的航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架，其特征在于，所述航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架还包括防护系统，用于确保碰摩试验的安全性，所述防护系统包括设置在所述滑动系统、转子系统和静子系统外侧的防护罩(14)，以及安装在所述滑动平台(5)和静子叶片(10)之间的隔离板(15)。

6.如权利要求5所述的航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架，其特征在于，所述航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架还包括真空系统，所述真空系统包括安装在所述防护罩(14)外部的真空舱(16)以及抽真空设备(17)，用于对所述防护罩(14)内的试验区域进行真空处理。

7.如权利要求1所述的航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架，其特征在于，所述航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架还包括视频监控系统，用于进行碰摩试验时实现动态视频监控。

8.如权利要求1～7任一项所述的航空发动机低压涡轮转静子叶片碰摩试验台架，其特征在于，所述静子系统还包括涡轮机匣(9)和固定块(12)，所述静子叶片(10)安装在所述涡轮机匣(9)上，并利用所述固定块(12)将所述涡轮机匣(9)固定在所述导轨(13)上，避免进行碰摩试验时所述静子叶片(10)发生移动。

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