CN115014790A - 装配陶瓷基复合材料叶片的涡喷发动机试验装置及方法 - Google Patents

装配陶瓷基复合材料叶片的涡喷发动机试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种装配陶瓷基复合材料叶片的涡喷发动机试验装置，包含试车台架、微型涡喷发动机、涡轮盘和单片机控制系统。所述涡轮盘在组装陶瓷基复合材料叶片后，装配于微型涡喷发动机尾部，代替原有涡轮；所述改装涡轮盘的微型涡喷发动机安装至试车台架上进行试车试验；所述单片机控制系统对试车台架上的推力、温度等传感器进行采集，并记录试验数据；本发明还公开了上述装置的试验方法，根据试验设计陶瓷基复合材料叶片并安装在涡轮盘上，连接单片机控制系统，通过电脑开启读取各传感器数据；启动微型涡喷发动机开始试验，根据试验需要随时改变微型涡喷发动机的工作转速；停止微型涡喷发动机运行，进行下一步分析，完成试验。

Description

装配陶瓷基复合材料叶片的涡喷发动机试验装置及方法
技术领域
本发明属于陶瓷基复合材料试验技术领域，涉及一种陶瓷基复合材料涡轮叶片的真实环境强度疲劳试验装置及试验方法。
背景技术
随着航空发动机综合性能在不断向更高目标发展，对其中关键的一个参数涡轮温度也提出了更高的要求。纤维增强陶瓷复合材料(CMCs)是以陶瓷为基体使用各种纤维进行复合增强的一类先进复合材料，目前最新一代工作温度可以高达1900K，依靠材料自身可接近当前发动机所需要的最高工作温度，在持续高温环境中仍然有更好的强度。密度约是镍基高温合金的三分之一，目前在量产型发动机的尾喷管、涡轮外环、燃烧室等部件上得到了应用。
CMCs的应用前景非常广泛，目前最需要应用CMCs材料的部件是航空发动机涡轮转子叶片，但是要将其真实应用到实际发动机的部件当中，还必须对其进行深入研究和测试，尤其是对CMCs材料进行与实际航空发动机工作环境与状态下同等或近似条件的试验。这就需要使用真实的微型涡喷发动机，同时提供高温、燃气成分、气流冲击和离心力载荷等完全真实状态的试验条件。
目前针对CMCs材料部件开展的高温强度、疲劳试验，主要包括对CMCs的加热、气体环境施加与力载荷施加。
（1） 加热方法
目前主要的加热方法为高温箱式电阻炉加热，该设备可以在一个相对密封的空间内提供高温，但是只能提供一个均匀的高温环境，无法模拟真实涡轮叶片所受到的复杂温度分布条件。
（2） 气体环境施加
目前主要的气体环境施加方法为预先准备气体并通入半密封的试验环境，预留气体通道，通过准备好的各种气体成分气罐，经过混合后通入试验环境中，营造需要的气体环境，缺点是难以模拟需要的高速气流冲击条件，并且未充分加热的气流会影响温度环境的稳定。
（3） 力载荷施加
目前主要的力载荷施加方法，是在高温、气体环境搭建完成后，在试验装置上开孔，将液压装置的接头与试验件连接，施加所需要的载荷，缺点是仅能提供单一方向的拉压载荷，无法模拟航空发动机涡轮叶片真实的复杂载荷环境。
因此，亟需开发一种可以模拟航空发动机涡轮叶片真实工作环境，具备高温、高压、高速气体冲击、燃气环境和真实力载荷的试验系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种可以模拟航空发动机涡轮转子叶片真实工作环境，进行陶瓷基复合材料涡轮叶片试验的装置。该装置采用真实的微型涡喷发动机提供各类所需的试验条件，通过中心偏置的涡轮盘装夹所要试验的涡轮盘叶片，并安装在微型涡喷发动机上，代替原有涡轮，即可获得真实的试验环境。同时通过试车台架、单片机控制系统控制发动机运行状态，监测发动机性能参数，进行实际试验。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明为一种装配陶瓷基复合材料叶片的涡喷发动机试验装置，包含试车台架、微型涡喷发动机、涡轮盘和单片机控制系统，其中，
试车台架包括基座,基座上安装有两个光轴支座，光轴支座分别固定一根水平光轴，两根水平光轴平行设置，水平光轴上分别安装有直线轴承,直线轴承通过直线轴承安装座固定连接滑动架,滑动架通过直线轴承延两根水平光轴自由滑动，水平光轴的端部方向设置有推力传感器,推力传感器通过推力传感器连接件固定在基座上，滑动架上安装有进气道，进气道一端正对推力传感器，另一端与微型涡喷发动机进气口连接，进气道中设置有空速管,空速管连接压差传感器并固定在基座上；
微型涡喷发动机包括发动机主体、尾喷管延长管与尾喷管，发动机主体固定安装在滑动架上，发动机主体前端与进气道紧密连接，尾喷管延长管位于发动机主体尾部与尾喷管之间，尾喷管连接有热电偶；
涡轮盘通过发动机主轴固定连接发动机，涡轮盘外缘设置有榫槽，固定用于试验的陶瓷基复合材料叶片，涡轮盘中心部分呈突出状；
单片机控制系统与推力传感器、压差传感器和热电偶连接，对所测得数据进行转换计算。
进一步的，微型涡喷发动机、滑动架和推力传感器位于同一轴线高度，微型涡喷发动机产生推力时对整体试车台架不产生扭矩。
进一步的，涡轮盘分为涡轮前半盘和涡轮后半盘，涡轮前半盘和涡轮后半盘相应位置设置有开孔，可穿过螺栓，通过螺母对涡轮前半盘和涡轮后半盘进行固定夹紧，呈夹紧状态时固定用于试验的陶瓷基复合材料叶片。
进一步的，尾喷管延长管与尾喷管为同样直径尺寸的环管型结构，其轴向长度与涡轮盘中心突出部分相适应，尾喷管延长管发动机尾部连接处、尾喷管均设置有耐高温密封垫片。
进一步的，直线轴承安装座外设置有耐高温隔热材料，保护其内部直线轴承。
进一步的，微型涡喷发动机还包括油箱、油泵、发动机控制器、油滤、无线遥控信号接收器、无线遥控器，可以远程控制供油量改变运行转速与温度。
进一步的，单片机控制系统采用32位单片机芯片作为控制芯片，使用8通道24位精度数模转换芯片采集推力传感器、压差传感器和热电偶的模拟数据，自动计算出实际物理量。
本发明还提供了一种应用上述装配陶瓷基复合材料叶片的涡喷发动机试验装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤一、根据试验需要设计陶瓷基复合材料叶片，相应的设计尾喷管延长管的轴向尺寸；
步骤二、将陶瓷基复合材料叶片放置于涡轮前半盘和涡轮后半盘中间，锁紧螺母，将陶瓷基复合材料叶片固定在涡轮盘上，拆出微型涡喷发动机转子，将涡轮盘装配至发动机主轴尾端，代替原微型涡喷发动机转子，进行转子动平衡，再安装回微型涡喷发动机上；
步骤三、安装尾喷管延长管及尾喷管，进行微型涡喷发动机各传感器测试；
步骤四、连接发动机控制器，连接油箱、油泵、油滤、无线遥控信号接收器、无线遥控器，测试微型涡喷发动机供油；
步骤五、连接单片机控制系统，通过电脑开启读取各传感器数据；
步骤六、启动微型涡喷发动机开始试验，根据试验需要随时改变微型涡喷发动机的工作转速；
步骤七、停止微型涡喷发动机运行，按装配流程反向拆解出陶瓷基复合材料叶片，进行下一步分析，完成试验。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 本发明可以通过微型涡喷发动机在工作状态下，使用航空煤油作为燃料，提供真实的高温、高速气流冲击、燃气成分和离心载荷等试验条件，对CMCs涡轮转子叶片进行试验，最高试验温度可达700摄氏度，最高试验转速可达120000转每分钟；
2. 本发明可以远程控制燃油量供应，进而控制发动机运行转速，满足不同的试验条件需求，可根据实际发动机载荷谱进行循环试验；
3. 本发明可以通过32位单片机控制8通道24位精度的ADC芯片，对推力、压差、温度等传感器进行模拟量采集，并计算得到真实物理值，实时保存并上传至电脑，可监测本装置状态，显示参数变化；
4. 本发明可以通过中心偏置的涡轮盘，装夹与原发动机涡轮叶片轴向尺寸不一致的CMCs叶片进行试验，通过中心偏置尺寸补偿叶片轴向尺寸，使其仍可安装与原有发动机主轴上，便于进行多种型号叶片试验；
5.本发明可以通过尾喷管延长管，使超出原发动机涡轮叶片轴向尺寸的CMCs叶片可使用原有发动机的尾喷管部件，保证发动机涡轮压降的一致性。
附图说明
图1是本发明装置整体结构示意图；
图2是涡轮盘正面结构示意图；
图3是涡轮盘反面结构示意图；
图4是涡轮盘装夹叶片后，装入发动机时的结构示意图；
其中：1-基座、2-光轴支座、3-水平光轴、4-直线轴承、5-直线轴承安装座、6-滑动架、7-推力传感器、8-推力传感器、9-进气道、10-空速管、11-压差传感器、12-尾喷管延长管、13-发动机主轴、14-陶瓷基复合材料叶片、15-涡轮前半盘、16-涡轮后半盘、17-螺母。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本发明装置包含试车台架、微型涡喷发动机、涡轮盘和单片机控制系统。所述涡轮盘在组装陶瓷基复合材料叶片14后，装配于微型涡喷发动机尾部，代替原有涡轮；所述改装涡轮盘的微型涡喷发动机安装至试车台架上进行试车试验；所述单片机控制系统对试车台架上的推力、温度等传感器进行采集，并记录试验数据；
所述试车台架包括基座1、水平光轴3与光轴支座2、直线轴承4与直线轴承安装座5、推力传感器7与推力传感器连接件8、滑动架6、进气道9、空速管10；
所述基座1作为试车台架主体，提供结构支撑与其他零件安装位置；
所述水平光轴3由前后平行放置的光轴支座2水平装配在基座1上，在试车台架上平行放置的两根水平光轴3，用于架设滑动架6使其可沿前后方向滑动；
所述直线轴承4安装在水平光轴3上，外侧连接直线轴承安装座5，可在水平光轴3上自由滑动；其中所述直线轴承安装座5内部连接直线轴承4，外侧连接滑动架6；
所述推力传感器7安装在基座1前方，可以采集发动机试车时的推力大小，推力传感器7一侧通过推力传感器连接件8连接至基座，另一侧可通过推力传感器连接件8连接滑动架6；
所述滑动架6为长方形框架结构，通过直线轴承安装座5连接至水平光轴3，可以在水平光轴3上前后自由滑动，连接至推力传感器7后固定位置；所述进气道9安装至滑动架6上，与微型涡喷发动机进气入口紧密对接；所述空速管10与压差传感器11连接并固定在基座1上，空速管10位于进气道9中，用于测量进气道9内空气流速；
所述微型涡喷发动机、滑动架6与推力传感器7在同一轴线高度，微型涡喷发动机产生推力不对推力传感器7与试车台架产生扭矩。
所述压差传感器11与安装在进气道9内的空速管10连接，组成空气质量流量传感器，通过流速乘进气道9截面积乘空气密度的方式计算空气质量流量。
所述单片机控制系统用于采集包括推力传感器7、压差传感器11的测量数据，及其额外的如热电偶、重量压力传感器数据，通过A/D转换将传感器数据计算得到真实物理量，并进行保存用于后续分析；
如图2和3所示，所述涡轮盘分为涡轮前半盘15和涡轮后半盘16，在涡轮盘外缘设置榫槽，用于夹装需要进行试验的陶瓷基复合材料叶片14；所述涡轮前半盘15和涡轮后半盘16均有均布的六个开孔，可穿过螺栓，用于夹紧固定涡轮前半盘15和涡轮后半盘16；所述涡轮盘在中心部分向前方突出，适配多种尺寸的陶瓷基复合材料叶片14和微型涡喷发动机尾部安装尺寸；
所述微型涡喷发动机包括发动机主体、尾喷管与尾喷管延长管12；其中所述微型涡喷发动机安装在试车台架的滑动架6上，前方与进气道9紧密连接；
如图4所示，微型涡喷发动机尾部的涡轮部件为所述的安装陶瓷基复合材料叶片14的涡轮盘；所述的尾喷管延长管12位于发动机主体尾端的尾喷管与发动机主体之间，与尾喷管同样直径尺寸与连接尺寸的环管型结构，用于加长尾喷管尺寸，容纳轴向尺寸更长的陶瓷基复合材料叶片14。
所述直线轴承安装座5外设置有耐高温隔热材料包裹，保护内部直线轴承4。
所述尾喷管延长管12与发动机外壳和尾喷管连接处均设置有耐高温垫片保证密封；
所述微型涡喷发动机包含油箱、油泵、发动机控制器、油滤、无线遥控信号接收器、无线遥控器，可以远程控制供油量改变运行转速与温度。
所述试车台架使用32位单片机芯片作为控制芯片，使用8通道24位精度数模转换芯片采集包括推力传感器、压差传感器、热电偶等模拟量数据，并自动计算出实际物理量。
下面通过具体的试验流程进一步说明本发明，具体包括如下步骤：
（1）根据试验需要设计陶瓷基复合材料叶片16，相应的设计尾喷管延长管12的轴向尺寸；
（2）将陶瓷基复合材料叶片14放置于涡轮前半盘15和涡轮后半盘16中间，锁紧螺母17，将陶瓷基复合材料叶片14固定在涡轮盘上，拆出微型涡喷发动机转子，将涡轮盘装配至发动机主轴13尾端，代替原微型涡喷发动机转子，进行转子动平衡，再安装回微型涡喷发动机上；
（3）安装尾喷管延长管12及尾喷管，进行微型涡喷发动机各传感器测试；
（4）连接发动机控制器，连接油箱、油泵、油滤、无线遥控信号接收器、无线遥控器，测试微型涡喷发动机供油；
（5）连接单片机控制系统，通过电脑开启读取各传感器数据；
（6）启动微型涡喷发动机开始试验，根据试验需要随时改变微型涡喷发动机的工作转速；
（7）停止微型涡喷发动机运行，按装配流程反向拆解出陶瓷基复合材料叶片14，进行下一步分析，完成试验。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.装配陶瓷基复合材料叶片的涡喷发动机试验装置，包含试车台架、微型涡喷发动机、涡轮盘和单片机控制系统，其特征在于，
所述的试车台架包括基座(1),所述的基座(1)上安装有两个光轴支座(2)，所述的光轴支座(2)分别固定一根水平光轴(3)，两根水平光轴(3)平行设置，所述的水平光轴(3)上分别安装有直线轴承(4),所述的直线轴承(4)通过直线轴承安装座(5)固定连接滑动架(6),所述的滑动架(6)通过直线轴承(4)延两根水平光轴(3)自由滑动，所述的水平光轴(3)的端部方向设置有推力传感器(7),所述的推力传感器(7)通过推力传感器连接件(8)固定在基座(1)上，所述的滑动架(6)上安装有进气道(9)，所述的进气道(9)一端正对推力传感器(7)，进气道(9)另一端与微型涡喷发动机进气口连接，所述的进气道(9)中设置有空速管(10),所述的空速管(10)连接压差传感器(11)并固定在基座(1)上；
所述的微型涡喷发动机包括发动机主体、尾喷管延长管(12)与尾喷管，所述的发动机主体固定安装在滑动架(6)上，发动机主体前端与进气道(9)紧密连接，所述的尾喷管延长管(12)位于发动机主体尾部与尾喷管之间，所述的尾喷管连接有热电偶；
所述的涡轮盘通过发动机主轴(13)固定连接发动机，所述的涡轮盘外缘设置有榫槽，固定用于试验的陶瓷基复合材料叶片(14)，所述的涡轮盘中心部分呈突出状；
所述的单片机控制系统与推力传感器(7)、压差传感器(11)和热电偶连接，对所测得数据进行转换计算。
2.根据权利要求1所述的装配陶瓷基复合材料叶片的涡喷发动机试验装置，其特征在于，所述的微型涡喷发动机、滑动架(6)和推力传感器(7)位于同一轴线高度，所述的微型涡喷发动机产生推力时对整体试车台架不产生扭矩。
3.根据权利要求1所述的装配陶瓷基复合材料叶片的涡喷发动机试验装置，其特征在于，所述的涡轮盘分为涡轮前半盘(15)和涡轮后半盘(16)，所述的涡轮前半盘(15)和涡轮后半盘(16)相应位置设置有开孔，可穿过螺栓，通过螺母(17)对涡轮前半盘(15)和涡轮后半盘(16)进行固定夹紧，呈夹紧状态时固定用于试验的陶瓷基复合材料叶片(14)。
4.根据权利要求1所述的装配陶瓷基复合材料叶片的涡喷发动机试验装置，其特征在于，所述的尾喷管延长管(12)与尾喷管为同样直径尺寸的环管型结构，其轴向长度与涡轮盘中心突出部分相适应，所述的尾喷管延长管(12)与发动机尾部连接处、尾喷管均设置有耐高温密封垫片。
5.根据权利要求1所述的装配陶瓷基复合材料叶片的涡喷发动机试验装置，其特征在于，所述的直线轴承安装座(5)外设置有耐高温隔热材料。
6.根据权利要求1所述的装配陶瓷基复合材料叶片的涡喷发动机试验装置，其特征在于，所述的微型涡喷发动机还包括油箱、油泵、发动机控制器、油滤、无线遥控信号接收器、无线遥控器，可以远程控制供油量改变运行转速与温度。
7.根据权利要求1所述的装配陶瓷基复合材料叶片的涡喷发动机试验装置，其特征在于，所述的单片机控制系统采用32位单片机芯片作为控制芯片，使用8通道24位精度数模转换芯片采集推力传感器(7)、压差传感器(11)和热电偶的模拟数据，自动计算出实际物理量。
8.应用如权利要求1所述的装配陶瓷基复合材料叶片的涡喷发动机试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据试验需要设计陶瓷基复合材料叶片(16)，相应的设计尾喷管延长管(12)的轴向尺寸；
步骤二、将陶瓷基复合材料叶片(14)放置于涡轮前半盘(15)和涡轮后半盘(16)中间，锁紧螺母(17)，将陶瓷基复合材料叶片(14)固定在涡轮盘上，拆出微型涡喷发动机转子，将涡轮盘装配至发动机主轴(13)尾端，代替原微型涡喷发动机转子，进行转子动平衡，再安装回微型涡喷发动机上；
步骤三、安装尾喷管延长管(12)及尾喷管，进行微型涡喷发动机各传感器测试；
步骤四、连接发动机控制器，连接油箱、油泵、油滤、无线遥控信号接收器、无线遥控器，测试微型涡喷发动机供油；
步骤五、连接单片机控制系统，通过电脑开启读取各传感器数据；
步骤六、启动微型涡喷发动机开始试验，根据试验需要随时改变微型涡喷发动机的工作转速；
步骤七、停止微型涡喷发动机运行，按装配流程反向拆解出陶瓷基复合材料叶片(14)，进行下一步分析，完成试验。
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