CN113588272B - 双转子叶片复合故障模拟试验台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双转子叶片复合故障模拟试验台，包括试验台底座、电涡流制动器、导电滑环、转速转矩传感器、机匣转子系统、碰摩机匣系统、内转子电机、外转子电机、气动载荷系统以及信号采集系统；电涡流制动器依次通过制动器转接板、制动器位移滑台、制动器底座固定设置于试验台底座上；导电滑环嵌套在电涡流制动器的空心旋转轴上并与导电滑环支架固定连接，导电滑环支架固定设置于制动器转接板上。本发明通过将内转子叶盘的叶片更换为裂纹叶片，并利用气体经过空气压缩机、储气罐和压力阀，最终通过气动喷嘴喷射到内转子叶盘的叶片上形成压力可控的气动载荷，实现裂纹叶片气动激励的故障模拟。

Description

双转子叶片复合故障模拟试验台

技术领域

本发明涉及航空发动机试验设备的技术领域，具体地，涉及双转子叶片复合故障模拟试验台。

背景技术

叶片是航空发动机重要零部件之一，然而由于叶片本身结构复杂，在工作状态受到各种交变作用力容易产生裂纹；且随着航空发动机性能要求的提高，需要航空发动机叶片与机匣内壁之间的径向间隙尽可能小，这样容易使叶尖与机匣内壁发生碰摩。航空发动机裂纹叶片和叶片碰摩是非常复杂的动力学现象，搭建相应的试验台研究其振动特性，对航空发动机早期故障诊断和在线健康检测有重要的意义。

在公开号为CN103759934B的专利文献中公开了双转子故障模拟实验装置，本专利文献基于燃气轮机双转子试验台，利用带力传感器的动静碰摩支架和动静碰摩块、间隙可调节的动动碰摩调节螺栓等模拟转子碰摩故障，并测量水平方向碰撞力大小；通过在轴承润滑腔内注入细粒度金属屑模拟轴承磨损故障；利用不同厚度的不锈钢间隙片与轴承座组合，模拟转子不对中故障；通过轮盘的定位孔、质量块并配合键相盘，模拟质量大小和相位可调的转子质量不平衡故障；通过碟型弹簧与轴承座模拟松动度可调的轴承座松动故障。

目前，多数双转子试验台主要针对轴系的故障模拟，主要关注转子碰摩、转子不平衡、转子不对中、轴承座松动和轴承故障等试验，针对裂纹叶片和叶片碰摩故障模拟的双转子试验台较少。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双转子叶片复合故障模拟试验台。

根据本发明提供的一种双转子叶片复合故障模拟试验台，包括：试验台底座、电涡流制动器、导电滑环、转速转矩传感器、机匣转子系统、碰摩机匣系统、内转子电机、外转子电机、气动载荷系统以及信号采集系统；

所述电涡流制动器依次通过制动器转接板、制动器位移滑台、制动器底座固定设置于试验台底座上；所述电涡流制动器的旋转部件为一段空心的旋转轴，所述制动器位移滑台调节制动器转接板和机匣转子系统之间的距离；

所述导电滑环嵌套在电涡流制动器的空心旋转轴上并与导电滑环支架固定连接，所述导电滑环支架固定设置于制动器转接板上；

所述转速转矩传感器通过转速转矩传感器安装座固定设置于制动器转接板上，所述转速转矩传感器的旋转部件为一段空心的旋转轴，并通过联轴器与电涡流制动器的空心旋转轴连接。

优选地，所述机匣转子系统通过机匣转子系统安装座固定设置于试验台底座上，所述机匣转子系统的一端通过联轴器与转速转矩传感器的空心旋转轴连接，另一端嵌套在轴承座内并通过联轴器与内转子电机的主轴连接。

优选地，所述碰摩机匣系统通过碰摩机匣位移滑台固定设置于试验台底座上，将千分表放置于碰摩机匣位移滑台的一侧并测量其滑移位移获取碰摩机匣与转子系统的偏心位移进而控制叶片与机匣之间的侵入量。

优选地，所述内转子电机通过内转子电机底座固定设置于试验台底座上；

所述外转子电机通过外转子电机底座固定设置于试验台底座上，所述外转子电机的主轴与外转子主动同步带轮固定连接，并通过同步带驱动嵌套在机匣转子系统中外转子上的外转子从动同步带轮。

优选地，所述机匣转子系统包括：机匣底座、机匣、机匣侧板、机匣支撑柱、气动喷嘴支架、气动喷嘴、内转子、外转子、内转子叶盘、内转子轮盘、外转子叶盘、外转子轮盘、内转子轴承、内转子轴承套、外转子轴承、外转子轴承套以及中介轴承；

所述机匣通过16个机匣支撑柱与2个机匣底座连接，并与2个机匣侧板固定连接；所述气动喷嘴通过气动喷嘴支架固定设置于机匣内侧；

所述外转子为空心轴并套在内转子上，所述内转子叶盘和内转子轮盘分别固定设置于内转子上，所述外转子叶盘和外转子轮盘分别固定设置于外转子上，所述内转子叶盘和外转子叶盘上周向均布若干叶片并可进行更换。

优选地，所述内转子通过2个内转子轴承支撑固定，其中一个内转子轴承通过内转子轴承套固定设置于其中一个机匣侧板上，另一个内转子轴承固定设置于轴承座上；所述外转子通过外转子轴承和中介轴承支撑固定，所述外转子轴承通过外转子轴承套固定设置于另一个机匣侧板上，所述中介轴承嵌套在内转子上。

优选地，所述碰摩机匣系统包括：碰摩机匣底座、碰摩机匣和碰摩机匣支撑柱；

所述碰摩机匣系统通过碰摩机匣位移滑台调节位置。

优选地，所述碰摩机匣通过16个碰摩机匣支撑柱与2个碰摩机匣底座连接，所述碰摩机匣为薄壁圆筒状结构。

优选地，所述气动载荷系统包括：气动喷嘴、分流器、气压阀、储气罐和空气压缩机；

所述空气压缩机将气体进行压缩后存储在储气罐中，在储气罐输出口连接气压阀控制流出气体的压力值，并通过分流器连接到若干气动喷嘴上，气体通过气动喷嘴喷射到内转子叶盘的叶片上形成气动载荷。

优选地，所述信号采集系统包括加速度传感器、电涡流传感器、应变传感器、力传感器和光栅传感器；

所述加速度传感器采集机匣底座和轴承座上的加速度信号，所述电涡流传感器采集外转子和内转子的弯曲位移，所述应变传感器采集内转子叶盘上叶片的动态应变值，所述力传感器采集相应方向碰摩机匣受到的动态载荷值，所述光栅传感器采集碰摩机匣各部位的应变进而获取碰摩机匣变形。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过将内转子叶盘的叶片更换为裂纹叶片，并利用气体经过空气压缩机、储气罐和压力阀，最终通过气动喷嘴喷射到内转子叶盘的叶片上形成压力可控的气动载荷，实现裂纹叶片气动激励的故障模拟；

2、本发明通过调节碰摩机匣位移滑台调节位置，精确控制碰摩机匣与外转子叶盘产生的偏心距离，进而控制叶片与碰摩机匣碰摩程度，实现叶片与柔性机匣的碰摩故障试验；

3、本发明可同时进行旋转裂纹叶片气动激励故障试验和叶片机匣碰摩故障试验，并与转子不平衡、转子系统轴承故障及转子系统不对中进行组合，可模拟多种叶片复合故障试验；

4、本发明通过加速度传感器、电涡流传感器、应变传感器、力传感器和光栅传感器采集试验台各部位的振动响应，为航空发动机多种故障特征分析提供数据支撑。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为双转子叶片复合故障模拟试验台视图A；

图2为双转子叶片复合故障模拟试验台视图B；

图3为机匣转子系统结构视图；

图4为机匣转子系统结构剖视图；

图5为内外转子结构视图；

图6为机匣转子系统支撑点及测试点结构视图；

图7为碰摩机匣结构视图。

其中：

试验台底座1 外转子主动同步带轮24

制动器底座2 外转子从动同步带轮25

制动器位移滑台3 同步带26

制动器转接板4 机匣底座27

电涡流制动器5 机匣28

导电滑环支架6 机匣侧板29

导电滑环7 机匣支撑柱30

第1联轴器8 气动喷嘴支架31

转速转矩传感器安装座9 气动喷嘴32

转速转矩传感器10 内转子33

第2联轴器11 外转子34

机匣转子系统安装座12 内转子叶盘35

机匣转子系统13 内转子轮盘36

碰摩机匣位移滑台14 外转子叶盘37

碰摩机匣系统15 外转子轮盘38

千分表支架16 内转子轴承A39

千分表17 内转子轴承套40

轴承座18 内转子轴承B41

第3联轴器19 外转子轴承42

内转子电机底座20 外转子轴承套43

内转子电机21 中介轴承44

外转子电机底座22 碰摩机匣底座45

外转子电机23 碰摩机匣46

碰摩机匣支撑柱47

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1和图2所示，双转子叶片复合故障模拟试验台，包括：试验台底座1、电涡流制动器5、导电滑环7、转速转矩传感器10、机匣转子系统13、碰摩机匣系统15、内转子电机21、外转子电机23、气动载荷系统和信号采集系统。

电涡流制动器5通过螺栓固定设置于制动器转接板4上，制动器转接板4通过螺栓固定设置于制动器位移滑台3上，制动器位移滑台3通过螺栓固定设置于制动器底座2上，制动器底座2通过螺栓固定设置于试验台底座1上，其中，电涡流制动器5的旋转部件为一段空心的旋转轴。

制动器位移滑台3可调节制动器转接板4和机匣转子系统13之间的距离，便于试验台零部件的安装、拆卸和维修。

导电滑环7嵌套在电涡流制动器5的空心旋转轴上并通过螺栓与导电滑环支架6固定连接，导电滑环支架6通过螺栓固定设置于制动器转接板4上。

转速转矩传感器10通过螺栓固定设置于转速转矩传感器安装座9上，转速转矩传感器安装座9通过螺栓固定设置于制动器转接板4上，其中，转速转矩传感器10的旋转部件为一段空心的旋转轴，转速转矩传感器10的空心旋转轴通过第1联轴器8与电涡流制动器5的空心旋转轴连接。

机匣转子系统13通过螺栓固定设置于机匣转子系统安装座12上，机匣转子系统安装座12通过螺栓固定设置于试验台底座1上，机匣转子系统13的一端通过第2联轴器11与转速转矩传感器10的空心旋转轴连接，机匣转子系统13的另一端嵌套在轴承座18内并通过第3联轴器19与内转子电机21的主轴连接。

碰摩机匣系统15通过螺栓固定设置于碰摩机匣位移滑台14上，碰摩机匣位移滑台14通过螺栓固定设置于试验台底座1上，千分表17放置于碰摩机匣位移滑台14的一侧并测量其滑移位移，千分表17固定于千分表支架16上，千分表支架16固定于试验台底座1上。

内转子电机21通过螺栓固定设置于内转子电机底座20上，内转子电机底座20通过螺栓固定设置于试验台底座1上，其中，内转子电机21可通过变频控制器进行转速变换和正反转变换。

外转子电机23通过螺栓固定设置于外转子电机底座22上，外转子电机底座22通过螺栓固定设置于试验台底座1上，外转子电机23的主轴与外转子主动同步带轮24固定连接，外转子主动同步带轮24通过同步带26驱动外转子从动同步带轮25，外转子从动同步带轮25嵌套在机匣转子系统13的外转子34上，其中，外转子电机23可通过变频控制器进行转速变换和正反转变换。

参照图3和图4，所述机匣转子系统13，包括：机匣底座27、机匣28、机匣侧板29、机匣支撑柱30、气动喷嘴支架31、气动喷嘴32、内转子33、外转子34、内转子叶盘35、内转子轮盘36、外转子叶盘37、外转子轮盘38、内转子轴承A39、内转子轴承套40、内转子轴承B41、外转子轴承42、外转子轴承套43和中介轴承44。

机匣28通过16个机匣支撑柱30与2个机匣底座27连接，机匣底座27与机匣支撑柱30连接的表面为等8边形可为机匣28提供8个方向的支撑刚度；所述机匣侧板29通过螺栓固定设置于机匣28的两侧；所述气动喷嘴32固定设置于气动喷嘴支架31上，气动喷嘴支架31固定设置于机匣28内侧，气动喷嘴32的数量可由具体试验需求决定。

参照图5，外转子34为空心轴并套在内转子33上，内转子叶盘35和内转子轮盘36分别固定设置于内转子33上，外转子叶盘37和外转子轮盘38分别固定设置于外转子34上，其中，内转子叶盘35和外转子叶盘37上周向均布若干叶片并可进行更换。

参照图6，内转子33通过内转子轴承A39和内转子轴承B41支撑固定，内转子轴承A39嵌套在内转子轴承套40内，内转子轴承套40固定设置于其中一个机匣侧板29上，内转子轴承B41固定设置于轴承座18上；所述外转子34通过外转子轴承42和中介轴承44支撑固定，外转子轴承42嵌套在外转子轴承套43内，外转子轴承套43固定设置于另一个机匣侧板29上，中介轴承44嵌套在内转子33上。

参照图7，碰摩机匣系统15，包括：碰摩机匣底座45、碰摩机匣46和碰摩机匣支撑柱47，碰摩机匣46通过16个碰摩机匣支撑柱47与2个碰摩机匣底座45连接，碰摩机匣46与碰摩机匣支撑柱47连接的表面为等8边形可为碰摩机匣46提供8个方向的支撑刚度。

气动载荷系统可在内转子叶盘35的叶片施加气动载荷，具体步骤为：打开空气压缩机将气体进行压缩后存储在储气罐中，储气罐可保证足够的气体流出，在储气罐输出口连接气压阀控制流出气体的压力值，并通过分流器连接到若干气动喷嘴32上，气体通过气动喷嘴32喷射到内转子叶盘35的叶片上形成气动载荷。

信号采集系统可在多个测点固定设置传感器进行提取试验台的振动信号，具体步骤为：在测点1和测点2位置可将加速度传感器固定设置在机匣底座27上采集相应位置的加速度信号，在测点5位置可将加速度传感器固定设置在轴承座18上采集相应位置的加速度信号；在测点3和测点4可放置电涡流传感器分别采集外转子34和内转子33的弯曲位移；在测点6位置可将应变传感器固定设置于内转子叶盘35的叶片上，并依次通过内转子33的引线槽、转速转矩传感器10的空心旋转轴和电涡流制动器5的空心旋转轴将应变传感器的信号输出线与滑环连接并输出进而采集内转子叶盘35上叶片的动态应变值；可将部分碰摩机匣支撑柱47替换为力传感器可采集相应方向碰摩机匣46受到的动态载荷值，在碰摩机匣46外表面固定设置光栅传感器可采集碰摩机匣46各部位的位移进而获取碰摩机匣46的变形。

将内转子叶盘35的叶片更换为含有裂纹的故障叶片，在气动喷嘴32中气流的作用下，进行旋转裂纹叶片气动激励故障试验；在内转子叶盘35或内转子轮盘36或外转子叶盘37或外转子轮盘38上设置不平衡质量，进行转子不平衡故障试验。

将内转子轴承A39或内转子轴承B41或外转子轴承42或中介轴承44更换为含有故障的轴承，进行转子系统轴承故障试验。

将第3联轴器19进行位置调整，使得机匣转子系统13与内转子电机产生不对中，进行转子系统不对中故障试验。

将碰摩机匣系统15通过碰摩机匣位移滑台14调制位置，使得碰摩机匣46与外转子叶盘37产生偏心，进而导致外转子叶盘37与碰摩机匣46发生碰摩，进行叶片机匣碰摩故障试验。

将旋转裂纹叶片气动激励故障试验和叶片机匣碰摩故障试验与转子不平衡故障试验、转子系统轴承故障试验、转子系统不对中故障试验进行任意组合，进行多种叶片复合故障试验。

本发明通过将内转子叶盘的叶片更换为裂纹叶片，并利用气体经过空气压缩机、储气罐和压力阀，最终通过气动喷嘴喷射到内转子叶盘的叶片上形成压力可控的气动载荷，实现裂纹叶片气动激励的故障模拟；通过调节碰摩机匣位移滑台调节位置，精确控制碰摩机匣与外转子叶盘产生的偏心距离，进而控制叶片与碰摩机匣碰摩程度，实现叶片与柔性机匣的碰摩故障试验；可同时进行旋转裂纹叶片气动激励故障试验和叶片机匣碰摩故障试验，并与转子不平衡、转子系统轴承故障及转子系统不对中进行组合，可模拟多种叶片复合故障试验；通过加速度传感器、电涡流传感器、应变传感器、力传感器和光栅传感器采集试验台各部位的振动响应，为航空发动机多种故障特征分析提供数据支撑。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种双转子叶片复合故障模拟试验台，其特征在于，包括：试验台底座（1）、电涡流制动器（5）、导电滑环（7）、转速转矩传感器（10）、机匣转子系统（13）、碰摩机匣系统（15）、内转子电机（21）、外转子电机（23）、气动载荷系统以及信号采集系统；

所述机匣转子系统（13）包括：机匣底座（27）、机匣（28）、机匣侧板（29）、机匣支撑柱（30）、气动喷嘴支架（31）、气动喷嘴（32）、内转子（33）、外转子（34）、内转子叶盘（35）、内转子轮盘（36）、外转子叶盘（37）、外转子轮盘（38）、内转子轴承、内转子轴承套（40）、外转子轴承（42）、外转子轴承套以及中介轴承（44）；

所述机匣（28）通过16个机匣支撑柱（30）与2个机匣底座（27）连接，并与2个机匣侧板（29）固定连接；所述气动喷嘴（32）通过气动喷嘴支架（31）固定设置于机匣（28）内侧；

所述外转子（34）为空心轴并套在内转子（33）上，所述内转子叶盘（35）和内转子轮盘（36）分别固定设置于内转子（33）上，所述外转子叶盘（37）和外转子轮盘（38）分别固定设置于外转子（34）上，所述内转子叶盘（35）和外转子叶盘（37）上周向均布若干叶片并能进行更换；

所述碰摩机匣系统（15）包括：碰摩机匣底座（45）、碰摩机匣（46）和碰摩机匣支撑柱（47）；

所述碰摩机匣系统（15）通过碰摩机匣位移滑台（14）调节位置；

所述气动载荷系统包括：分流器、气压阀、储气罐和空气压缩机；

所述空气压缩机将气体进行压缩后存储在储气罐中，在储气罐输出口连接气压阀控制流出气体的压力值，并通过分流器连接到若干气动喷嘴（32）上，气体通过气动喷嘴（32）喷射到内转子叶盘（35）的叶片上形成气动载荷；

所述电涡流制动器（5）依次通过制动器转接板（4）、制动器位移滑台（3）、制动器底座（2）固定设置于试验台底座（1）上；所述电涡流制动器（5）的旋转部件为一段空心的旋转轴，所述制动器位移滑台（3）调节制动器转接板（4）和机匣转子系统（13）之间的距离；

所述导电滑环（7）嵌套在电涡流制动器（5）的空心旋转轴上并与导电滑环支架（6）固定连接，所述导电滑环支架（6）固定设置于制动器转接板（4）上；

所述转速转矩传感器（10）通过转速转矩传感器安装座（9）固定设置于制动器转接板（4）上，所述转速转矩传感器（10）的旋转部件为一段空心的旋转轴，并通过联轴器与电涡流制动器（5）的空心旋转轴连接；

所述机匣转子系统（13）通过机匣转子系统安装座（12）固定设置于试验台底座（1）上，所述机匣转子系统（13）的一端通过联轴器与转速转矩传感器（10）的空心旋转轴连接，另一端嵌套在轴承座（18）内并通过联轴器与内转子电机（21）的主轴连接；

所述碰摩机匣系统（15）通过碰摩机匣位移滑台（14）固定设置于试验台底座（1）上，将千分表（17）放置于碰摩机匣位移滑台（14）的一侧并测量其滑移位移获取碰摩机匣（46）与转子系统的偏心位移进而控制叶片与机匣（28）之间的侵入量；

所述内转子（33）通过2个内转子轴承支撑固定，其中一个内转子轴承通过内转子轴承套（40）固定设置于其中一个机匣侧板（29）上，另一个内转子轴承固定设置于轴承座（18）上；所述外转子（34）通过外转子轴承（42）和中介轴承（44）支撑固定，所述外转子轴承（42）通过外转子轴承套固定设置于另一个机匣侧板（29）上，所述中介轴承（44）嵌套在内转子（33）上；

所述内转子电机（21）通过内转子电机底座（20）固定设置于试验台底座（1）上；

所述外转子电机（23）通过外转子电机底座（22）固定设置于试验台底座（1）上，所述外转子电机（23）的主轴与外转子主动同步带轮（24）固定连接，并通过同步带（26）驱动嵌套在机匣转子系统（13）中外转子（34）上的外转子从动同步带轮（25）。

2.根据权利要求1所述的双转子叶片复合故障模拟试验台，其特征在于，所述碰摩机匣（46）通过16个碰摩机匣支撑柱（47）与2个碰摩机匣底座（45）连接，所述碰摩机匣（46）为薄壁圆筒状结构。

3.根据权利要求1所述的双转子叶片复合故障模拟试验台，其特征在于，所述信号采集系统包括加速度传感器、电涡流传感器、应变传感器、力传感器和光栅传感器；

所述加速度传感器采集机匣底座（27）和轴承座（18）上的加速度信号，所述电涡流传感器采集外转子（34）和内转子（33）的弯曲位移，所述应变传感器采集内转子叶盘（35）上叶片的动态应变值，所述力传感器采集相应方向碰摩机匣（46）受到的动态载荷值，所述光栅传感器采集碰摩机匣（46）各部位的应变进而获取碰摩机匣（46）变形。

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