CN113984317B - 一种双向旋转叶盘激振试验装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机的试验装置设计领域，特别涉及一种双向旋转叶盘激振试验装置，包括，传动轴、销钉、转接法兰，发动机轮盘；转接法兰包括法兰盘与连接于法兰盘圆心的连接杆，法兰盘有连接杆的一端为上端面，另一端为下端面；连接杆套在传动轴上，连接杆与传动轴均有销孔，销钉径向穿过连接杆与传动轴的所述销孔，限制连接杆与传动轴的相对运动；发动机轮盘与转接法兰的下端面螺纹连接，或发动机轮盘的中心穿过连接杆与上端面螺纹连接，本申请能够实现发动机叶片前缘与尾缘的激振试验，并且对动应力测试引线提供有效的保护。

Description

一种双向旋转叶盘激振试验装置及系统

技术领域

本申请属于航空发动机的试验装置设计领域，特别涉及一种双向旋转叶盘激振试验装置。

背景技术

随着高性能涡轮和压气机的出现，燃气涡轮叶片高周疲劳(HCF)断裂成为主要的故障模式。更高的转子速度，更近的各级间距离，更小的重量，变化多样的导流板和不断增加的单个叶片的气动功都造成了正常工作状态下更多叶片的共振模式被激励。

由于成本问题，试图借助发动机整机试验解决整个高周疲劳问题是不现实的。因此，带激励系统的动态旋转测试台为解决这个问题提供了方法。用可靠的HCF激励系统，动态旋转测试台可以模拟发动机流道中除了气动负载外的静态和动态环境。转速，温度场和激振因素均可以同时模拟，确定转子级叶片响应和潜在HCF故障并在发动机开发初期为改变设计提供评估参数，降低了发动机的研发成本，缩短了研发周期。

液体喷射激励方法是在试验转子外围布置一系列喷嘴，喷嘴尖端对着叶片。在试验中，从喷嘴中连续喷出的雾状液体，对旋转叶片的指定位置进行冲击。当液体接触到旋转叶片以后，其动能就会对叶片产生冲击力，周向均布固定的喷嘴相对于旋转轮盘的叶片形成了特定频率的激振力。通过控制喷嘴的数量和转子的转速，将会产生叶片特定模态的共振响应；通过控制喷嘴处液体的流量和压力，就可以调节激励力的幅值，进而控制共振响应的大小。

目前利用动态旋转测试台安装的叶盘激振试验装置主要由驱动轴组件、激振载荷施加装置、集油环腔、集油锥筒和回油腔组成。滑油从激振载荷施加装置喷出，撞击至旋转轮盘叶片后形成油雾，通过集油环腔和集油锥筒进入回油腔，循环利用。其中驱动轴组件由空心细长轴法兰和转接段法兰组成。转接段法兰另一端与激振试验件连接，如图2所示。激振载荷施加装置由内环、外环和喷油杆组件组成，该环形结构通过内外环长螺杆固定在试验舱平台上。内外环周向特定位置加工定位孔固定喷油杆组件，实现周向均布的喷油结构，施加特定发动机阶次的激振载荷。

1.技术方面

叶盘激振试验装置需要模拟旋转叶片的在发动机工作状态下的激振源，即发动机阶次，如前缘静子叶片数、尾缘静子叶片数、燃烧室喷嘴数和进气支板数等。因此发动机旋转部件特定叶片承受的激振载荷来源也随之不同，根据不同的试验需求，试验装置需要将激振载荷施加于叶片的前缘或者尾缘位置。

现有的叶盘激振试验装置，激振载荷仅能施加于叶片的前缘或者尾缘位置，如图2所示，无法模拟发动机状态下不同的试验需求。

现有的叶盘激振试验装置无法对动应力测试引线提供保护，当试验中从喷油嘴喷出的射流，与旋转叶片的指定位置进行碰撞后，飞溅的油雾会在轮盘辐板结构处聚集并形成涡动的滑油团。受发动机轮盘结构的限制，当测试引线需要沿着滑油团聚集侧布置时，如图2所示，测试引线将受到涡动滑油团的冲击，巨大的剪切力会将测试引线破坏，导致试验失败。同时聚集的涡动滑油团会改变转子的平衡状态，影响转子高速旋转的稳定性。

2.成本方面

叶盘激振试验从转接段的设计，加工到测试引线的布置均需要耗费大量的成本。测试引线在动应力测试中被破坏会导致试验无法采集到有效的数据，耗费巨大的经济成本。

轮盘盘腔积油易引起转子高速旋转失稳，振动突升，转子破坏的同时也会对试验器造成损伤，造成巨大的经济损失。

3.效率方面

现有的试验装置，易造成试验测试引线提前破坏，无法采集到或者仅能捕捉到少量的测试数据。中断试验后，试验件需要下台，分解，重新贴片，平衡，布置测试引线，再上台，周期长，影响试验效率。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种双向旋转叶盘激振试验装置，包括，传动轴、销钉、转接法兰，发动机轮盘；

转接法兰包括法兰盘与连接于法兰盘圆心的连接杆，法兰盘有连接杆的一端为上端面，另一端为下端面；

连接杆套在传动轴上，连接杆与传动轴均有销孔，销钉径向穿过连接杆与传动轴的所述销孔，限制连接杆与传动轴的相对运动；

发动机轮盘与转接法兰的下端面螺纹连接，或发动机轮盘的中心穿过连接杆与上端面螺纹连接。

优选的是，在连接杆与传动轴的销钉处套有箍套，限制销钉的轴向运动。

优选的是，箍套一端口为窄口，所述窄口限制箍套相对连接杆的轴向位移。

优选的是，法兰盘的上端面与下端面的边缘均设有止口定位台，所述止口定位台包括沿上端面边缘或下端面边缘周向形成的凸台。

优选的是，上端面的所述止口定位台与下端面的所述止口定位台的同轴度不大于0.02mm。

优选的是，发动机轮盘与转接法兰设有转接段，转接段两端为盘状，中间为空心柱状，转接段的一端与法兰盘的上端面或下端面连接，一端与发动机轮盘连接。

优选的是，转接法兰的连接杆在轴向上包括多个销孔，由连接杆的不同位置的所述销孔与传动轴的所述销孔配合，调整连接杆的长度。

优选的是，连接杆与传动轴的套合设有键槽，通过所述键槽限制连接杆与传动轴的相对转动。

优选的是，所述的双向旋转叶盘激振试验装置的油雾密封结构，包括封油鳞片、安装座、横向加强肋；

一种双向旋转叶盘激振试验装置及系统，包括双向旋转叶盘激振试验装置和油雾密封结构，所诉油雾密封结构包括封油鳞片(7)、安装座(8)、横向加强肋(9)；

封油鳞片为圆筒状结构，封油鳞片的内壁安装横向加强肋与安装座，横向加强肋呈带环状，横向加强肋的外缘与封油鳞片的内壁连接，安装座阵列周向连接于封油鳞片的内壁，安装座设有垂直于封油鳞片轴向的台座，所述台座设有螺纹孔。

优选的是，封油鳞片设有圆孔，所述圆孔位置与安装座为相同的周向阵列。

本申请的优点包括：解决了现有试验装置无法在同一装置实现对发动机轮盘进行前缘激振与尾缘激振的问题。

解决了现有试验装置无法对动应力测试引线提供保护的问题。

附图说明

图1是本申请转接法兰示意图；

图2是传统转接法兰示意图；

图3是传统激振载荷施加装置示意图；

图4是传统激振载荷施加装置横截面示意图；

图5是传统激振试验装置结构示意图；

图6是本申请前缘激振结构示意图；

图7是本申请尾缘激振结构示意图；

图8是油雾密封系统示意图；

图9是本申请封油鳞片组件示意图；

图10是本申请油雾密封系统横截面示意图；

其中，1-传动轴，2-箍套，3-销钉，4-转接法兰，41-法兰盘，42-连接杆，43-上端面，44-下端面，5-发动机轮盘，6-转接段，7-封油鳞片，8-安装座，9-横向加强肋。

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方式中的附图，对本申请实施方式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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，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方式，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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

一种双向旋转叶盘激振试验装置，其安装部位如图5所示，其结构如图1～2所示，包括，传动轴1、销钉3、转接法兰4，发动机轮盘5；

转接法兰4包括法兰盘41与连接于法兰盘41圆心的连接杆42，法兰盘41有连接杆42的一端为上端面43，另一端为下端面44；

连接杆42套在传动轴1上，连接杆42与传动轴1均有销孔，销钉3径向穿过连接杆42与传动轴1的所述销孔，限制连接杆42与传动轴1的相对运动；

发动机轮盘5与转接法兰4的下端面44螺纹连接，或发动机轮盘5的中心穿过连接杆42与上端面43螺纹连接。

综上所述，具体实施为：

传动轴1、销钉3、箍套2、转接法兰4组成前缘尾缘可变激振系统，转接法兰4选用多功能立式转接法兰。前缘尾缘可变激振系统的关键作用是对同一轮盘在试验器中实现前缘激振与尾缘激振，具体为发动机涡轮叶片两个不通端面的激振，模拟真实发动机结构激振状态。其中传动轴1与多功能立式转接法兰通过热装组合在一起，配合销钉3径向定位，提高连接强度，同时箍套2结构保证了销钉3不会在高速旋转状态下飞出。在一些可实施方案中，法兰盘41的上端面43与下端面44的边缘均设有止口定位台，所述止口定位台包括沿上端面43边缘或下端面44边缘周向形成的凸台，上端面43的所述止口定位台与下端面44的所述止口定位台的同轴度不大于0.02mm，可以满足转子高速旋转的稳定性要求。

其工作原理是：发动机轮盘通过一套转接段即可以连接到多功能立式转接法兰的上端面或下端面，实现了轮盘在试验舱中的装配状态翻转，根据不同的装配状态选择，自上而下喷射的滑油将对叶片的前缘或者尾缘进行激振。如图6，图7所示。

在一些可实施方案中，在连接杆42与传动轴1的销钉3处套有箍套2，限制销钉的轴向运动，销钉3在连接杆42的工作过程中会因为传动轴1的产生的向心力而被甩出销孔，为保证安全性使用箍套2更加可靠。其中，箍套2一端口处设有向圆心延伸的凸台，凸台限制箍套2套在连接杆42上的轴向位移，便于安装和拆卸。

在一些可实施方案中，发动机轮盘5与转接法兰4设有转接段6，转接段6两端为盘状，中间为空心柱状，转接段6的一端与法兰盘41的上端面43或下端面44连接，一端与发动机轮盘5连接，转接段能够更加容易调整安装调配发动机轮盘5和转接法兰4的装配关系。

在一些可实施方案中，转接法兰4的连接杆42在轴向上包括多个销孔，由连接杆42的不同位置的所述销孔与传动轴1的所述销孔配合，调整连接杆42的长度。

在一些可实施方案中，连接杆42与传动轴1的套合设有键槽，通过所述键槽限制连接杆42与传动轴1的相对转动。

一种双向旋转叶盘激振试验装置及系统，包括双向旋转叶盘激振试验装置和油雾密封结构，所诉油雾密封结构包括封油鳞片7、安装座8、横向加强肋9；其结构示意图如图8所示，未安装油雾密封结构的传统结构如图3，图4所示。油雾密封系统的关键作用是隔绝叶片激振后形成的滑油油雾，分离轮缘外围油雾区与轮盘中心辐板区，对测试引线提供保护，同时保证转子的高速旋转稳定性。

封油鳞片7为圆筒状结构，封油鳞片7的内壁安装横向加强肋9与安装座8，横向加强肋9呈带环状，横向加强肋9的外缘与封油鳞片7的内壁连接，安装座8阵列周向连接于封油鳞片7的内壁，安装座8设有垂直于封油鳞片7轴向的台座，所述台座设有螺纹孔。

封油鳞片7设有圆孔，所述圆孔位置与安装座8为相同的周向阵列。

油雾密封结构工作原理是：封油鳞片7内侧与横向加强肋9通过焊接固定，横向加强肋9可以提升封油鳞片7结构强度与抗油雾冲击性能，周向搭接的封油鳞片7结构通过各自的安装座8固定在内环，形成周向封闭的油雾密封结构。封油鳞片7的结构设计为喷油杆组件提供了通过孔，可以使喷油杆组件穿过通过孔固定在内环上，如图9所示。

当叶片激振后形成滑油油雾时，油雾在发动机轮盘径向会被封油鳞片隔离，同时封油鳞片的下端面、横向加强肋与发动机轮盘自身的封严结构形成迷宫密封，可以进一步对试验中产生的油雾进行隔离。如图10所示。

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 (9)

1.一种双向旋转叶盘激振试验装置，其特征在于，包括，传动轴（1）、销钉（3）、转接法兰（4），发动机轮盘（5）；

转接法兰（4）包括法兰盘（41）与连接于法兰盘（41）圆心的连接杆（42），法兰盘（41）有连接杆（42）的一端为上端面（43），另一端为下端面（44）；

连接杆（42）套在传动轴（1）上，连接杆（42）与传动轴（1）均有销孔，销钉（3）径向穿过连接杆（42）与传动轴（1）的所述销孔，限制连接杆（42）与传动轴（1）的相对运动；

发动机轮盘（5）与转接法兰（4）的下端面（44）螺纹连接，或发动机轮盘（5）的中心穿过连接杆（42）与上端面（43）螺纹连接；

发动机轮盘（5）与转接法兰（4）设有转接段（6），转接段（6）两端为盘状，中间为空心柱状，转接段（6）的一端与法兰盘（41）的上端面（43）或下端面（44）连接，一端与发动机轮盘（5）连接；

发动机轮盘（5）通过转接段（6）连接到转接法兰（4）的上端面（43）或下端面（44），实现了轮盘在试验舱中的装配状态翻转，根据不同的装配状态选择，自上而下喷射的滑油将对叶片的前缘或者尾缘进行激振。

2.如权利要求1所述的双向旋转叶盘激振试验装置，其特征在于，在连接杆（42）与传动轴（1）的销钉（3）处套有箍套（2），箍套（2）限制销钉的轴向运动。

3.如权利要求2所述的双向旋转叶盘激振试验装置，其特征在于，箍套（2）一端口为窄口，所述窄口限制箍套（2）相对连接杆（42）的轴向位移。

4.如权利要求1所述的双向旋转叶盘激振试验装置，其特征在于，法兰盘（41）的上端面（43）与下端面（44）的边缘均设有止口定位台，所述止口定位台包括沿上端面（43）边缘或下端面（44）边缘周向形成的凸台。

5.如权利要求4所述的双向旋转叶盘激振试验装置，其特征在于，上端面（43）的所述止口定位台与下端面（44）的所述止口定位台的同轴度不大于0.02mm。

6.如权利要求1所述的双向旋转叶盘激振试验装置，其特征在于，转接法兰（4）的连接杆（42）在轴向上包括多个销孔，由连接杆（42）的不同位置的所述销孔与传动轴（1）的所述销孔配合，调整连接杆（42）的长度。

7.如权利要求1所述的双向旋转叶盘激振试验装置，其特征在于，连接杆（42）与传动轴（1）的套合设有键槽，通过所述键槽限制连接杆（42）与传动轴（1）的相对转动。

8.一种双向旋转叶盘激振试验系统，其特征在于，包括权利要求1所述的双向旋转叶盘激振试验装置和油雾密封结构，所述油雾密封结构包括封油鳞片（7）、安装座（8）、横向加强肋（9）；

封油鳞片（7）为圆筒状结构，封油鳞片（7）的内壁安装横向加强肋（9）与安装座（8），横向加强肋（9）呈带环状，横向加强肋（9）的外缘与封油鳞片（7）的内壁连接，安装座（8）阵列周向连接于封油鳞片（7）的内壁，安装座（8）设有垂直于封油鳞片（7）轴向的台座，所述台座设有螺纹孔。

9.如权利要求8所述的双向旋转叶盘激振试验系统，其特征在于，封油鳞片（7）设有圆孔，所述圆孔位置与安装座（8）为相同的周向阵列。