CN112345229B - 一种可调静子叶片的流固热耦合试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调静子叶片的流固热耦合试验装置，由驱动组件、静子叶片组件、载荷施加组件、温度施加组件与传感器测试组件组成，使用本装置可进行不同载荷、温度，进行多场耦合试验，由此能够更加深入地研究在多场耦合作用下，可调静子叶片的加速度、应力应变、温度的变化情况，进而得出其失效机理。本发明的优点：第一、可在试验中随时修改气动载荷的方向与幅值、热载荷大小等物理量，实现流固、热固、流固热耦合的多种工况；第二、可单独考虑某一因素影响进行试验，如在不使用温度加载组件的情况下，可研究气动载荷对可调静子叶片的影响；第三、通过测试系统实现试验过程中加速度、应力应变、温度变化等数据的实时采集。

Description

一种可调静子叶片的流固热耦合试验装置
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域，涉及一种可调静子叶片的流固热耦合试验装置。
背景技术
航空发动机可调静叶可用于提高压气机稳定工作范围，根据不同工作状态的需求，通过改变气流通道的形状、尺寸等改变其热力循环特性，使发动机在各种工作状态下都具有良好的性能和工作稳定性。
可调静子叶片由于其运动关系复杂，服役条件恶劣，在工作过程中易出现运动精度低、卡滞与卡住失效、定位失效、断裂失效以及性能恶化失效等问题，严重影响整机的性能和安全。特别是航空发动机的运动调节机构，一旦失效极有可能引发机毁人亡的严重飞行事故。因此，基于复杂恶劣工况可调静子叶片的失效问题，需相应的试验装置进行针对性的设计。
发明内容
本发明针对已有试验仪器的不足，设计了一种可调静子叶片的流固热耦合试验装置，通过调整不同载荷、温度，进行多场耦合试验，由此能够更加深入地研究在多场耦合作用下，可调静子叶片的加速度、应力、应变、温度的变化情况，进而得出其失效机理。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种可调静子叶片的流固热耦合试验装置，包括驱动组件、静子叶片组件、载荷施加组件、温度施加组件与传感器测试组件；
所述静子叶片组件，包括联动环、摇臂、叶片、衬套、机匣，其中，联动环与摇臂相连，摇臂套在叶片转轴上，同时转轴放置衬套后固定在机匣上；
所述驱动组件，包括伺服电机、齿轮箱，两者相互配合用于输出运动；伺服电机提供动力，齿轮箱输出动力，联动环的尾部为齿条状插入齿轮箱做直线运动；
载荷施加组件，包括拉杆与力加载装置，其中拉杆套在叶片的转轴上，力加载装置与拉杆的尾部连接对其施加力；
温度施加组件，包括试验台与石英灯，试验台为六面体中空结构，用于支撑整个试验装置；静子叶片组件放置于试验台的中央，驱动组件和载荷施加组件分别位于试验台的前后，石英灯布置在试验台四周为静子叶片组件均匀加热；
传感器测试组件，用于收集、反馈信息的实验数据采集存储部件，各测试部件与测试系统连接，获得测试结果。
进一步地，上述力加载装置通过两个拉杆分别套在叶片两端的转轴上。
进一步地，上述传感器测试组件包括安装在叶片表面的高温加速度传感器、光纤光栅传感器及热电偶，还包括手持的红外测温仪；所述高温加速度传感器用于测试静子叶片组件的加速度，获取气动载荷与热载荷改变后的加速度变化情况；光纤光栅传感器用于测试静子叶片组件的应力应变；热电偶用于测试叶片的温度，手持的红外测温仪用于测试静子叶片组件各处的表面温度。
进一步地，上述拉杆套在叶片的转轴上，而非直接作用在叶片表面，通过作用拉力或压力，模拟实际的气动力。
所述温度施加组件，通过调整石英灯的功率来调整加热温度，并能够在载荷施加组件施加气动载荷的同时为静子叶片组件施加热载荷，实现流固热耦合作用，模拟实际中出现的复杂恶劣工况。
进一步地，上述温度施加组件与所述载荷施加组件，通过独立作用或同时作用，实现流固、热固、流固热耦合的多种工况。
本发明一种可调静子叶片的流固热耦合试验装置，在现有压气机静叶调节机构基础上，改进了现有试验台在流固热耦合试验方面的不足，采用伺服电机驱动运动，使用力加载装置对可调静子叶片加力，使用石英灯对可调静子叶片加热，通过测量可调静子叶片各处位置上的应力应变等物理量，反应复杂恶劣工况下调静子叶片的失效情况，能够为相关人员的设计改进提供一定的依据。
附图说明
图1为本发明的整体装配示意图。
图2为本发明的驱动组件和静子叶片组件示意图。
图3为本发明的载荷施加组件示意图。
图4为本发明的温度施加组件和传感器测试组件示意图。
图5为本发明的测试方法流程图。
图中：1驱动组件；2静子叶片组件；3载荷施加组件；4温度施加组件；5传感器测试组件；
101伺服电机；102齿轮箱；201联动环；202摇臂；203叶片；204衬套；205机匣；301拉杆；302力加载装置；401试验台；402石英灯；501高温加速度传感器；502光纤光栅传感器；503热电偶；504红外测温仪；505测试系统。
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所示，一种可调静子叶片的流固热耦合试验装置，主要包括驱动组件1，静子叶片组件2，载荷施加组件3，温度施加组件4与传感器测试组件5。驱动组件1对静子叶片组件2提供动力，用于调节叶片；载荷施加组件3，温度施加组件4为试验装置提供力载荷与热载荷；传感器测试组件5用于测试各种物理量。
如图2所示，所述的驱动组件1，包括伺服电机101、齿轮箱102，两者相互配合，由伺服电机101提供动力，齿轮箱102输出动力。所述的静子叶片组件2，包括联动环201、摇臂202、叶片203、衬套204、机匣205，联动环201与摇臂202通过销轴相连，摇臂202套在叶片203的转轴上，同时在转轴放置衬套204后固定在机匣205上，将联动环201的尾部做成齿条形状插入齿轮箱102，可使其直线运动，带动摇臂202运动，进而使叶片203的转角发生变化，实现静子叶片的可调性。此静子叶片组件2，可根据需要进行增加，实现多级联调，上述仅为一组叶片的实例。
如图3所示，所述载荷施加组件3，包括拉杆301与力加载装置302，其中拉杆301套在叶片203的转轴上，用于模拟实际的气动力。由于叶片203在操作时，常为运动状态，因此难以施加叶片表面的法向力，而对转轴施加则可以代替实际上叶片203的气动载荷。力加载装置302的力可以为拉力或压力，对拉力来说，可以使较大幅值，此处的力可根据实际情况调整力加载装置302的输出值，实现气动载荷的施加。此外，力加载装置302可改变输出力的方向与幅值，以模拟实际气动载荷的变化情况。
如图4所示，所述温度施加组件4，包括试验台401与石英灯402，试验台401为六面体中空结构，此试验台401用于支撑整个试验装置，将静子叶片组件2，放置于试验台401的中央，将驱动组件1和载荷施加组件3放置于试验台401的前后，还为加热器石英灯402提供安装位置，石英灯402放置在试验台上，为静子叶片组件2均匀加热，结合红外测温仪504得知实时温度，通过调整石英灯402的功率来调整加热温度，并能够在载荷施加组件3施加气动载荷的同时为静子叶片组件2施加热载荷，实现流固热耦合作用，模拟实际中出现的复杂恶劣工况。
如图4所示，所述传感器测试组件5，包括：安装在静子叶片组件2上的高温加速度传感器501、光纤光栅传感器502、热电偶503，此外还有手持的红外测温仪504。上述传感器均与测试系统505相连。高温加速度传感器501用于测试静子叶片组件2的加速度，允许使用者获取气动载荷与热载荷改变后的加速度变化情况。光纤光栅传感器502用于测试静子叶片组件2的应力应变，可以克服普通应变片难以耐受的高温环境，图中所示仅为一组的情况，可根据实际需要，布置更多的光纤光栅传感器502。热电偶503用于测试静子叶片组件2的温度，手持的红外测温仪504，可以测试静子叶片组件2各处的表面温度，二者结合可以更清楚的了解静子叶片组件2的传热情况，包括热导率、热膨胀率等。测试系统505具有数显功能，允许使用者随时读取数据。
本发明可有效地用于可调静子叶片的流固热耦合试验，可以获取加速度、应力应变、温度等物理量，具有操作简单、拆装与维护方便等特点。

Claims (6)

1.一种可调静子叶片的流固热耦合试验装置，其特征在于，包括驱动组件、静子叶片组件、载荷施加组件、温度施加组件与传感器测试组件；
所述静子叶片组件(2)，包括联动环(201)、摇臂(202)、叶片(203)、衬套(204)、机匣(205)，其中，联动环(201)与摇臂(202)相连，摇臂(202)套在叶片转轴上，同时转轴放置衬套(204)后固定在机匣上(205)；
所述驱动组件(1)，包括伺服电机(101)、齿轮箱(102)，两者相互配合用于输出运动；伺服电机(101)提供动力，齿轮箱(102)输出动力，联动环(201)的尾部为齿条状插入齿轮箱(102)做直线运动；
载荷施加组件(3)，包括拉杆(301)与力加载装置(302)，其中拉杆(301)套在叶片(203)的转轴上，力加载装置(302)与拉杆(301)的尾部连接对其施加力；
温度施加组件(4)，包括试验台(401)与石英灯(402)，试验台(401)为六面体中空结构，用于支撑整个试验装置；静子叶片组件(2)放置于试验台(401)的中央，驱动组件(1)和载荷施加组件(3)分别位于试验台(401)的前后，石英灯(402)布置在试验台四周为静子叶片组件(2)均匀加热；
传感器测试组件(5)，用于收集、反馈信息的实验数据采集存储部件，各测试部件与测试系统连接，获得测试结果。
2.根据权利要求1所述的可调静子叶片的流固热耦合试验装置，其特征在于，力加载装置(302)通过两个拉杆(301)分别套在叶片(203)两端的转轴上。
3.根据权利要求1所述的可调静子叶片的流固热耦合试验装置，其特征在于，所述传感器测试组件(5)包括安装在叶片表面的高温加速度传感器(501)、光纤光栅传感器(502)及热电偶(503)，还包括手持的红外测温仪(504)；所述高温加速度传感器(501)用于测试静子叶片组件的加速度，获取气动载荷与热载荷改变后的加速度变化情况；光纤光栅传感器(502)用于测试静子叶片组件的应力应变；热电偶(503)用于测试叶片的温度，手持的红外测温仪(504)用于测试静子叶片组件各处的表面温度。
4.根据权利要求1所述的可调静子叶片的流固热耦合试验装置，其特征在于，拉杆(301)套在叶片(203)的转轴上，而非直接作用在叶片(203)表面，通过作用拉力或压力，模拟实际的气动力。
5.根据权利要求1所述的可调静子叶片的流固热耦合试验装置，其特征在于，所述温度施加组件(4)，通过调整石英灯(402)的功率来调整加热温度，并能够在载荷施加组件(3)施加气动载荷的同时为静子叶片组件(2)施加热载荷，实现流固热耦合作用，模拟实际中出现的复杂恶劣工况。
6.根据权利要求1所述的可调静子叶片的流固热耦合试验装置，其特征在于，所述温度施加组件(4)与所述载荷施加组件(3)，通过独立作用或同时作用，实现流固、热固、流固热耦合的多种工况。
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