CN113063689A - 一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置 - Google Patents

一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置 Download PDF

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CN113063689A CN202110318443.5A CN202110318443A CN113063689A CN 113063689 A CN113063689 A CN 113063689A CN 202110318443 A CN202110318443 A CN 202110318443A CN 113063689 A CN113063689 A CN 113063689A
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张执南
邢璐
何可
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Abstract

本发明公开了一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置，包括：整体固定板；控制系统；工件装夹部件；转轴运动控制部件，与叶片转轴传动连接并驱使叶片转轴进行高频的往复式自转；受控制系统控制的气流加载部件，用于输出冲击叶片转轴的叶片的气流；受控制系统控制的温度控制系统，用于对受试部件施加温度载荷。该装置采用气流冲击加载，实现了对服役中叶片受到复杂载荷的模拟，可实现在高温、强气流载荷工况下的摩擦磨损测试，同时可以利用温度传感器、扭矩传感器分别在线检测温度、扭矩参数，以实现对叶片摩擦状态的检测，从而评价VSV调节机构间隙铰接副在复杂工况下的服役性能，并为明确间隙铰接副磨损机理提供依据。

Description

一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置
技术领域
本发明涉及试验装置技术领域，具体来说，是一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置。
背景技术
航空发动机高压压气机可调静叶(Variable Stator Vane，VSV)调节机构可以调节进口气流的方向，VSV工作中承受高温、强气流冲击等苛刻工况，其转轴-衬套所组成的间隙铰接副磨损形式复杂，影响VSV调节机构的动力学特性和调节精度。间隙磨损还会加剧高温高压气体泄漏，影响高压压气机性能，导致VSV轴向偏摆，引发转/静子叶片碰摩，影响转子系统动力学特性，严重时还会引发航空发动机喘振、失速、甚至空中停车。目前，间隙铰接副磨损机理以及工况因素对磨损的影响机制，间隙磨损对调节精度的影响规律仍未明确。
航空发动机VSV调节机构结构复杂，其零部件制造水平和装配精密程度对航空飞行器的工作平稳性和可靠性有直接影响。航空发动机VSV调节机构主要由转轴、衬套和叶片等零件组成，通过叶片的角度调节，控制航空发动机进口气流，保证进口气流平缓，避免发生喘振现象。在航空发飞行器服役期间，由于承受高温、强气流载荷等苛刻工况条件，导致VSV调节机构间隙铰接副发生磨损，影响叶片的精准调控，更甚导致VSV机构轴向偏摆，引发叶片之间的碰磨，影响航空发动机正常工作甚至造成航空事故。
因此，为保证航空飞行器工作的稳定性和安全性，必须对航空发动机VSV调节结构复杂的磨损机制进行研究，目前针对航空飞行器VSV调节机构的研究主要是对已有故障原因进行事后分析，鲜见报道在模拟工况条件下的摩擦磨损机理研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置，该装置采用气流冲击加载，实现了对服役中叶片受到复杂载荷的模拟，可实现在高温、强气流载荷工况下的摩擦磨损测试，同时可以利用温度传感器、扭矩传感器分别在线检测温度、扭矩参数，以实现对叶片摩擦状态的检测，从而评价VSV调节机构间隙铰接副在复杂工况下的服役性能，并为明确间隙铰接副磨损机理提供依据。
本发明的目的是这样实现的：一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置，包括：
整体固定板，作为整体平台；
控制系统，具有交互显示器；
工件装夹部件，用于装夹受试部件并使叶片转轴水平布置，其具有两个分别装夹两个衬套的装夹端，且使叶片转轴的叶片处于两个装夹端之间；
受控制系统控制的转轴运动控制部件，与叶片转轴传动连接并驱使叶片转轴进行高频的往复式自转；
受控制系统控制的气流加载部件，用于输出冲击叶片转轴的叶片的气流，其具有向下正对叶片转轴的叶片的气流输出端口；
受控制系统控制的温度控制系统，用于对受试部件施加温度载荷。
进一步地，所述工件装夹部件配置有一个容纳受试部件的箱体，所述工件装夹部件处于箱体之内，所述工件装夹部件包括：
固定设置的、由隔热材料制成的固定底座；
隔热垫，贴装在固定底座之上；
一对由导热材料制成的夹具底座，左右分布且固定安装在隔热垫之上；
一对输出热能的加热棒，两个加热棒均受温度控制系统控制，两个加热棒分别穿接一对夹具底座；
其中，每个夹具底座上侧均转动连接有夹具限位件，每个夹具底座与其夹具限位件构成工件装夹部件的一个装夹端，在装夹状态下，所述夹具限位件的自由端锁定在夹具底座上，所述夹具限位件一同夹持、锁定受试部件的衬套；
所述箱体侧壁上安装有在试验后排出内部热气的散热风扇。
进一步地，所述夹具限位件上安装有传感器基座，所述传感器基座上安装有用于检测衬套的温度的温度传感器，所述温度传感器与温度控制系统相连以反馈温度检测信号。
进一步地，所述气流加载部件包括依次接通的空气压缩机、压缩进气管道、储气仓、压缩出气管道、喷气管道、万向喷头，还包括用于启动空气压缩机的、受控制系统控制的驱动电机，所述气流加载部件的气流输出端口设置于万向喷头的喷口，所述喷气管道竖直延伸，所述万向喷头安装在喷气管道下端，并穿过设于工件装夹部件的箱体上侧的开口后伸入箱体内腔；在压缩出气管道通往喷气管道的管路上依次设有气流调节阀门、气流表。
进一步地，所述固定底座上穿接有排气管道，所述排气管道的进气端连通箱体内腔，所述排气管道的出气端连通外界大气。
进一步地，所述转轴运动控制部件配置有一设置于整体固定板之上的安装板，所述安装板至少穿接有三个用于调整其水平度的调节高度螺栓，所述转轴运动控制部件包括按照传动顺序依次传动连接的伺服电机、传动连杆组、传送轴，所述传送轴与受试部件的叶片转轴同轴，所述伺服电机受控制系统控制。
进一步地，所述传送轴配套设有扭矩传感器和扭矩传感器支架，所述扭矩传感器安装在扭矩传感器支架上并用于监测传送轴的扭矩，所述扭矩传感器与控制系统相连并反馈扭矩检测信号，所述扭矩传感器支架安装在安装板上。
进一步地，所述传送轴由数根段节组成，所述传送轴还至少配套有两个轴系联轴器，所述传送轴通过轴系联轴器组合为一个轴系；所述传送轴的动力输出端设有传动联轴器，并通过传动联轴器与叶片转轴同轴传动连接。
进一步地，所述传动连杆组包括曲柄、连杆、摇杆，所述曲柄、连杆、摇杆按照动力传输方向依次转动连接，并形成一个在竖直方向上进行往复摆动的连杆组合，所述曲柄套装伺服电机的输出主轴，所述摇杆套装传送轴的动力输入端。
进一步地，所述传送轴配套设有一对轴承组，所述轴承组固定安装在安装板上，并作为传送轴的旋转支承。
本发明的有益效果在于：
1、模拟工况非常接近真实工况，且操作简单，该装置采用气流冲击加载，实现了对服役中叶片受到复杂载荷的模拟，可实现在高温、强气流载荷工况下的摩擦磨损测试，同时可以利用温度传感器、扭矩传感器分别在线检测温度、扭矩参数，以实现对叶片摩擦状态的检测，从而评价VSV调节机构间隙铰接副在复杂工况下的服役性能，并为明确间隙铰接副磨损机理提供依据；
2、可利用转轴运动控制部件来模拟叶片在一定角度内往复回转调节运动，利用伺服电机输出转矩，驱使曲柄、连杆、摇杆依次传动，使得传送轴带动叶片转轴进行往复式摆动旋转，传动过程平稳且效率很高，并且，由于设置了调节高度螺栓，可以调节安装板的水平度，从而保障传送轴与叶片转轴的同轴度，以提升安装精度，保证试验过程的顺利进行；
3、工件装夹部件对受试部件进行有效的装夹，提高更换受试部件的效率；
4、由于设置了温度控制系统，能够调控加热棒输出热量，从而进行温度载荷的加载操作，以模拟叶片工作时的高温环境。
附图说明
图1是本发明的整体布置图。
图2是工件装夹部件的示意图。
图3是气流加载部件的示意图。
图4是转轴运动控制部件的示意图。
图中，1整体固定板，2散热风扇，3调节高度螺栓，4温度控制系统，5交互显示器，6工件装夹部件，7气流加载部件，8转轴运动控制部件，9固定底座，10隔热垫，11夹具底座，12紧定螺栓，13夹具限位件，14传感器基座，15温度传感器，16加热棒，17传动联轴器，18衬套，19叶片转轴，20排气管道，21驱动电机，22空气压缩机，23压缩进气管道，24储气仓，25压缩出气管道，26气流调节阀门，27气流表，28喷气管道，29万向喷头，30安装板，31伺服电机，32电机支架，33曲柄，34连杆，35摇杆，36连接轴，37螺母，38防松垫片，39传送轴，40轴承组，41轴系联轴器，42扭矩传感器，43扭矩传感器支架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置，包括：
整体固定板1，作为整体平台；
控制系统，具有交互显示器5；
工件装夹部件6，用于装夹受试部件并使叶片转轴19水平布置，其具有两个分别装夹两个衬套18的装夹端，且使叶片转轴19的叶片处于两个装夹端之间；
受控制系统控制的转轴运动控制部件8，与叶片转轴19传动连接并驱使叶片转轴19进行高频的往复式自转；
受控制系统控制的气流加载部件7，用于输出冲击叶片转轴19的叶片的气流，其具有向下正对叶片转轴19的叶片的气流输出端口；
受控制系统控制的温度控制系统4，用于对受试部件施加温度载荷。
其中，上述工件装夹部件6、转轴运动控制部件8、气流加载部件7、温度控制系统4均设置在整体固定板1上。
其中，如图1、2所示，工件装夹部件6配置有一个容纳受试部件的箱体，工件装夹部件6处于箱体之内，工件装夹部件6包括：
固定设置的、由隔热材料制成的固定底座9；
隔热垫10，贴装在固定底座9之上；
一对由导热材料制成的夹具底座11，左右分布且固定安装在隔热垫10之上；
一对输出热能的加热棒16，两个加热棒16均受温度控制系统4控制，两个加热棒16分别穿接一对夹具底座11。
其中，每个夹具底座11上侧均转动连接有夹具限位件13，每个夹具底座11与其夹具限位件13构成工件装夹部件6的一个装夹端，在装夹状态下，夹具限位件13的自由端锁定在夹具底座11上，夹具限位件13一同夹持、锁定受试部件的衬套18。
如图1所示，上述箱体侧壁上安装有在试验后排出内部热气的散热风扇2。
如图2所示，上述夹具限位件13上安装有传感器基座14，传感器基座14上安装有用于检测衬套18的温度的温度传感器15，温度传感器15与温度控制系统4相连以反馈温度检测信号。
如图1、3所示，上述气流加载部件7包括依次接通的空气压缩机22、压缩进气管道23、储气仓24、压缩出气管道25、喷气管道28、万向喷头29，还包括用于启动空气压缩机22的、受控制系统控制的驱动电机21，气流加载部件7的气流输出端口设置于万向喷头29的喷口，喷气管道28竖直延伸，万向喷头29安装在喷气管道28下端，并穿过设于工件装夹部件6的箱体上侧的开口后伸入箱体内腔；在压缩出气管道25通往喷气管道28的管路上依次设有气流调节阀门26、气流表27。
如图2所示，上述固定底座9上穿接有排气管道20，排气管道20的进气端连通箱体内腔，排气管道20的出气端连通外界大气。
如图1、4所示，上述转轴运动控制部件8配置有一设置于整体固定板1之上的安装板30，安装板30至少穿接有三个用于调整其水平度的调节高度螺栓3，转轴运动控制部件8包括按照传动顺序依次传动连接的伺服电机31、传动连杆组、传送轴39，传送轴39与受试部件的叶片转轴19同轴，伺服电机31受控制系统控制，伺服电机31通过电机支架32固定安装在安装板30上。
上述传送轴39配套设有扭矩传感器42和扭矩传感器支架43，扭矩传感器42安装在扭矩传感器支架43上并用于监测传送轴39的扭矩，扭矩传感器42与控制系统相连并反馈扭矩检测信号，扭矩传感器支架43安装在安装板30上。
上述传送轴39由数根段节组成，传送轴39还至少配套有两个轴系联轴器41，传送轴39通过轴系联轴器41组合为一个轴系；传送轴39的动力输出端设有传动联轴器17，并通过传动联轴器17与叶片转轴19同轴传动连接，传动联轴器17可以是万向节联轴器，也可以是其他类型的联轴器。
如图4所示，上述传动连杆组包括曲柄33、连杆34、摇杆35，曲柄33、连杆34、摇杆35按照动力传输方向依次转动连接，并形成一个在竖直方向上进行往复摆动的连杆组合，使得传送轴39能够进行90°往复式摆动旋转，频率为2hz-10hz，曲柄33套装伺服电机31的输出主轴，摇杆35套装传送轴39的动力输入端。曲柄33和连杆34通过连接组件形成转动连接关系，连杆34和摇杆35通过连接组件形成转动连接关系，连接组件包括连接轴36、螺母37、防松垫片38，连接轴36作为转动连接的中枢，并在连接轴36上套装螺母37和防松垫片38。
为了使传送轴39转动更为顺畅，传送轴39配套设有一对轴承组40，轴承组40固定安装在安装板30上，并作为传送轴39的旋转支承。
本实施例的试验过程如下：
S1、利用工件装夹部件6对受试部件进行装夹：夹具底座11通过隔热垫10安装在固定底座9上，将两个衬套18分别放在两个夹具底座11上，然后将夹具限位件13合上，拧紧紧定螺栓12后，将夹具限位件13与夹具底座11锁定在一起，从而夹持、锁定两个衬套18，此时叶片转轴19上活动套装衬套18，叶片处于两个夹具底座11之间，拧动调节高度螺栓3来调整安装板30的水平度，使叶片转轴19与传动联轴器17保持同轴，保证叶片转轴19能够顺畅地相对于衬套18进行转动，装夹完成后启动温度控制系统4，使叶片转轴19与衬套18接触区域的温度达到设定要求；
S2、模拟气流冲击叶片的过程：由驱动电机21驱动空气压缩机22产生高压空气，高压空气经压缩进气管道23进入储气仓24，然后通过储气仓24向压缩出气管道25输出高压气流，可以通过控制气流调节阀门26的开度来调节高压气流的流量，用气流表27随时监测高压气流的参数，最后通过万向喷头29喷出，万向喷头29可以调节加载位置、方向，从而模拟叶片受到气流载荷的工况，高压气体通过与固定底座9相连的排气管道20排出；
S3、模拟叶片摆动旋转时叶片转轴19与衬套18相互摩擦的工况：在气流载荷稳定后开始工作，伺服电机31带动曲柄33做圆周运动，通过连杆34带动摇杆35在特定角度内往复摆动，使得传送轴39进行往复摆动式旋转，扭矩传感器42实时采集摩擦力矩信号；
S4、在设定的时间范围内结束试验后，转轴运动控制部件8与气流加载部件7停止工作，温度控制系统4自动断电，将所有散热风扇2开启进行降温，排出工件装夹部件6对应的箱体内的热气，同时，散热风扇2的散热气流带走或吹走转轴运动控制部件8的热量(可以在安装板30上固定设置三个散热风扇2，分别带走或吹走伺服电机31、传动联轴器17、传送轴39轴身、扭矩传感器42产生的热量)。
上述试验过程中，温度、扭矩、气流等相关试验参数(可以增加其他参数)均可在交互显示器5上显示出来，可以直接通过交互显示器5来控制驱动电机21、伺服电机31、散热风扇2等部件的运行状态。
以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置，其特征在于，包括：
控制系统，具有交互显示器(5)；
工件装夹部件(6)，用于装夹受试部件并使叶片转轴(19)水平布置，其具有两个分别装夹两个衬套(18)的装夹端，且使叶片转轴(19)的叶片处于两个装夹端之间；
受控制系统控制的转轴运动控制部件(8)，与叶片转轴(19)传动连接并驱使叶片转轴(19)进行高频的往复式自转；
受控制系统控制的气流加载部件(7)，用于输出冲击叶片转轴(19)的叶片的气流，其具有向下正对叶片转轴(19)的叶片的气流输出端口；
受控制系统控制的温度控制系统(4)，用于对受试部件施加温度载荷；
整体固定板(1)，作为整体平台；
其中，上述工件装夹部件(6)、转轴运动控制部件(8)、气流加载部件(7)、温度控制系统(4)均设置在整体固定板(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置，其特征在于：所述工件装夹部件(6)配置有一个容纳受试部件的箱体，所述工件装夹部件(6)处于箱体之内，所述工件装夹部件(6)包括：
固定设置的、由隔热材料制成的固定底座(9)；
隔热垫(10)，贴装在固定底座(9)之上；
一对由导热材料制成的夹具底座(11)，左右分布且固定安装在隔热垫(10)之上；
一对输出热能的加热棒(16)，两个加热棒(16)均受温度控制系统(4)控制，两个加热棒(16)分别穿接一对夹具底座(11)；
其中，每个夹具底座(11)上侧均转动连接有夹具限位件(13)，每个夹具底座(11)与其夹具限位件(13)构成工件装夹部件(6)的一个装夹端，在装夹状态下，所述夹具限位件(13)的自由端锁定在夹具底座(11)上，所述夹具限位件(13)一同夹持、锁定受试部件的衬套(18)；
所述箱体侧壁上安装有在试验后排出内部热气的散热风扇(2)。
3.根据权利要求2所述的一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置，其特征在于：所述夹具限位件(13)上安装有传感器基座(14)，所述传感器基座(14)上安装有用于检测衬套(18)的温度的温度传感器(15)，所述温度传感器(15)与温度控制系统(4)相连以反馈温度检测信号。
4.根据权利要求1所述的一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置，其特征在于：所述气流加载部件(7)包括依次接通的空气压缩机(22)、压缩进气管道(23)、储气仓(24)、压缩出气管道(25)、喷气管道(28)、万向喷头(29)，还包括用于启动空气压缩机(22)的、受控制系统控制的驱动电机(21)，所述气流加载部件(7)的气流输出端口设置于万向喷头(29)的喷口，所述喷气管道(28)竖直延伸，所述万向喷头(29)安装在喷气管道(28)下端，并穿过设于工件装夹部件(6)的箱体上侧的开口后伸入箱体内腔；在压缩出气管道(25)通往喷气管道(28)的管路上依次设有气流调节阀门(26)、气流表(27)。
5.根据权利要求2所述的一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置，其特征在于：所述固定底座(9)上穿接有排气管道(20)，所述排气管道(20)的进气端连通箱体内腔，所述排气管道(20)的出气端连通外界大气。
6.根据权利要求1所述的一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置，其特征在于：所述转轴运动控制部件(8)配置有一设置于整体固定板(1)之上的安装板(30)，所述安装板(30)至少穿接有三个用于调整其水平度的调节高度螺栓(3)，所述转轴运动控制部件(8)包括按照传动顺序依次传动连接的伺服电机(31)、传动连杆组、传送轴(39)，所述传送轴(39)与受试部件的叶片转轴(19)同轴，所述伺服电机(31)受控制系统控制。
7.根据权利要求6所述的一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置，其特征在于：所述传送轴(39)配套设有扭矩传感器(42)和扭矩传感器支架(43)，所述扭矩传感器(42)安装在扭矩传感器支架(43)上并用于监测传送轴(39)的扭矩，所述扭矩传感器(42)与控制系统相连并反馈扭矩检测信号，所述扭矩传感器支架(43)安装在安装板(30)上。
8.根据权利要求7所述的一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置，其特征在于：所述传送轴(39)由数根段节组成，所述传送轴(39)还至少配套有两个轴系联轴器(41)，所述传送轴(39)通过轴系联轴器(41)组合为一个轴系；所述传送轴(39)的动力输出端设有传动联轴器(17)，并通过传动联轴器(17)与叶片转轴(19)同轴传动连接。
9.根据权利要求6所述的一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置，其特征在于：所述传动连杆组包括曲柄(33)、连杆(34)、摇杆(35)，所述曲柄(33)、连杆(34)、摇杆(35)按照动力传输方向依次转动连接，并形成一个在竖直方向上进行往复摆动的连杆组合，所述曲柄(33)套装伺服电机(31)的输出主轴，所述摇杆(35)套装传送轴(39)的动力输入端。
10.根据权利要求8所述的一种航空发动机可调静叶模拟工况间隙铰接副试验装置，其特征在于：所述传送轴(39)配套设有一对轴承组(40)，所述轴承组(40)固定安装在安装板(30)上，并作为传送轴(39)的旋转支承。
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