CN115372010A - 一种基于惯性约束爆炸切断的叶片飞脱试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于惯性约束爆炸切断的发动机风扇叶片飞脱试验装置及方法。在叶片的预定断裂截面处沿叶身型面预埋柔性炸药索，并在炸药索外覆盖重金属背皮对爆炸能量进行惯性约束，使爆炸产生的爆轰波和爆炸气体压力垂直作用于叶片表面向里产生侵彻，发生局部侵彻损伤后，在旋转离心力作用下叶片在损伤区域发生断裂飞脱。本发明可在预定转速下精确控制叶片爆炸飞脱，不对飞脱叶片增加额外动能，有效提高航空发动机机匣包容及转子不平衡试验的试验精度，缩短试验周期。同时本发明中所采用的爆炸物药量较小，可使叶片爆炸飞脱过程清晰可拍摄；本发明中的柔性爆炸装置占用空间少，易于在实际发动机的复杂结构中安装。

Description

一种基于惯性约束爆炸切断的叶片飞脱试验装置及方法

技术领域

本发明属于航空发动机试验技术领域，尤其涉及一种基于惯性约束爆炸切断的叶片飞脱试验装置及方法。

背景技术

航空发动机中的叶片等转子结构由于在运行过程中受到外物撞击、疲劳、过热、材料缺陷等因素的影响不可避免的会出现破坏和失效，叶片断裂飞出后，外围机匣及转子支承等结构将承受突加高能载荷，此时若发生结构性失效导致高能碎片飞出击中飞机其他部位，易导致机毁人亡的灾难性后果。风扇叶片飞脱(FBO)已成为现代喷气式飞机最主要的安全威胁之一。因此各航空大国对发动机FBO问题都非常重视，在民用和军用航空发动机规范中都有专门条文对机匣结构包容安全性做出严格规定。任何军用或民用发动机，在取得适航证之前，都必需通过考核其包容能力的整机适航验证试验。在叶片飞断机匣包容试验中，准确地在预定转速下使试验叶片在特定位置断裂飞脱，对于准确判断试验结果有重要作用。

对于叶片的断裂飞脱控制，传统的做法是在叶片根部预制缺口，但此种方法由于受到加工误差、材料性能偏差等影响，难以精准控制叶片飞脱转速，试验失败风险大。授权公告号为CN105716962B的中国专利公开了一种采用在叶片榫根开孔预埋加热棒进行局部加热，从而实现叶片定速飞断的方法，但此种方法对于叶片材料有一定限制性(叶片材料强度需随温度上升显著下降)，且从开始加热至叶片飞断需经过一段时间，增加了转子运行和试验时间，增加了试验风险和不确定性。

叶片爆炸飞脱技术是国外发动机厂商最普遍使用的技术，在国外发动机整机FBO取证试验中已多次成功应用。授权公告号为CN110030042B的中国专利公开了一种在叶片榫根开孔安装爆炸切割索，使叶片在爆炸作用下断裂飞脱的方法。但此种方法并不适用于复合材料风扇叶片或整体叶片结构风扇转子上的叶片，复合材料风扇叶片优先考虑使叶片在接近叶根的叶身流道线区域断裂飞脱，整体叶片转子不存在叶片榫根部位，这两种类型的叶片均需在叶身部位实现断裂飞脱过程。授权公告号为CN103293002B的中国专利公开了一种基于线型聚能切割技术的叶片飞断方法，该方法将专用聚能切割器安装在叶片叶身根部，通过聚能爆轰产物切断叶片，但此种方法中，聚能切割器所需安装空间较大，在实际多叶片转子结构中较难安装，且爆炸药量大，易给叶片增加额外动能，爆炸亮光和浓烟过大，导致影响包容试验结果和效果。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，创造性地通过在叶片指定区域沿叶身型面预埋柔性炸药索的方式，实现叶片爆炸飞脱。炸药索沿预制槽埋入后，在炸药索外覆盖柔性重金属背皮进行惯性约束，在重金属背皮的覆盖约束作用下，炸药索爆炸能量仅在指向叶片以内的方向传播，爆炸产生的爆轰波和爆炸气体压力垂直直接作用于叶片表面并产生侵彻，在叶片叶背和叶盆侧均开槽埋入炸药索，使两侧表面产生的爆炸冲击波在厚度方向中心碰撞汇聚，以提高波阵面压力，进而提高能量利用率。叶片受爆炸作用发生局部侵彻损伤后，在旋转离心力作用下，叶片在损伤区域发生断裂，通过炸药索的爆炸侵彻和旋转离心力共同作用使叶片在指定转速下在指定区域断裂飞脱。

本发明的技术方案如下：

本发明首先提供了一种用于实现发动机风扇叶片飞脱过程的爆炸飞脱试验装置，其包括：

试验腔，作为叶片爆炸飞脱试验的腔体；

试验转子，位于试验腔内，包括叶片、配重块、轮盘和转轴；

驱动装置，用于驱动试验转子旋转；

爆炸切断分离组件，预设在叶片预定断裂截面处，通过爆炸使叶片沿预定断裂截面断裂，并在离心载荷作用下径向飞脱；

起爆控制组件，用于控制爆炸切断分离组件发生爆炸；

监测设备，用于记录叶片起爆和飞脱过程；

其中，所述爆炸切断分离组件包括：

柔性炸药索，预设在叶片预定断裂截面处，提供爆炸切断分离作用；

重金属约束背皮，沿叶身型面覆盖在炸药索外部，用于将柔性炸药索的爆炸能量惯性约束指向叶片内部传播。

作为本发明的优选方案，所述的重金属约束背皮为铜制、银制或铅制金属条，沿叶身型面覆盖在柔性炸药索外部，使用结构胶进行固定。铜、银或铅等材质具有大密度和高延展性的特性，将柔性炸药索的爆炸能量惯性约束指向叶片内部传播。

作为本发明的优选方案，所述的起爆控制组件通过无线射频实现起爆信号的传输，其包括电雷管、雷管引线、起爆信号无线接收器、起爆信号无线发射器、外部起爆控制箱、连接电缆；电雷管通过雷管引线与起爆信号无线接收器相连，起爆信号无线接收器与起爆信号无线发射器通过无线通信连接，起爆信号无线发射器与外部起爆控制箱通过连接电缆连接。

作为本发明的优选方案，所述的外部起爆控制箱，用于进行起爆过程控制和状态监测，包括电源旋钮、起爆按钮以及信号传输状态实时显示屏，电源旋钮用于给控制箱供电，使起爆系统进入预备状态，给起爆信号接收器高压电路模块供电；当按下起爆按钮，起爆信号发射器发送起爆信号，起爆信号接收器接收到该信号时，控制高压放电，起爆雷管引爆柔性炸药索，完成爆炸试验，信号传输状态实时显示屏用于显示各部分信号传输状态是否正常，返回错误信息。

本发明还提供了一种利用所述装置实现的叶片爆炸飞脱的试验方法，其包括以下步骤：

1)在叶片预定断裂截面处，沿叶身型面进行开槽或开孔，形成安装炸药索的空间，同时确保叶身开槽或开孔不会使叶身强度不足导致叶片在达到最高目标试验转速前断裂；

2)将叶片、配重块和轮盘进行装配后，在叶片拟安装爆炸物处用与柔性炸药索内层炸药密度相同的泥胶进行等质量替代配重，然后进行现场在线动平衡，使转子能够平稳升速至最高目标试验转速；

3)去掉泥胶配重，将柔性炸药索埋装在开槽或开孔处，使用重金属约束背皮整体覆盖，使用结构胶进行固定；爆炸物安装固定后，再次进行试转，确认转子可平稳升速至最高目标试验转速；

4)将起爆信号发射器安装于试验腔内壁处，起爆信号接收器安装于转轴端面中心区域，通过螺栓安装牢固；调试确认信号发射器和信号接收器之间能够有效传输起爆信号；设置监测设备的监测参数以完整清晰记录叶片起爆和飞脱过程；

5)起爆信号接收器上的通路开关保持关闭状态，安装雷管使其头部与柔性炸药索之间紧密相接，不存在间隙，使用结构胶将雷管安装固定，将雷管并联短路安全电路，连接雷管引线与起爆信号接收器，雷管引线紧贴叶片、轮盘和转轴结构表面铺设，并使用结构胶进行固定；

6)确认试验台周围环境符合试验安全条件后，开启起爆信号接收器通路开关，解除雷管引线短路安全电路，将试验转子整体从安装位置移入试验腔内；

7)满足开机试验条件后，启动驱动装置开始驱动试验转子旋转升速，试验过程中全程记录转子转速随时间变化的过程；

8)在试验转子转速达到最高目标试验转速并保持稳定运行时，打开电源按钮开始向起爆信号接收器充电，充电完成后，按下起爆按钮，引爆爆炸物，使叶片在爆炸作用下沿预定部位截面断裂，并在离心载荷作用下径向飞脱；叶片飞脱后试验台开始降速停机，监测设备保存记录叶片起爆飞脱过程。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果包括：

1、通过本发明提供的试验技术方法和装置，可精确控制叶片飞断转速，有效提高发动机机匣包容及转子不平衡试验试验精度，缩短试验周期。

2、通过本发明提供的试验技术方法和装置，所使用的炸药药量小，爆炸过程中不会产生大量烟尘和强光亮，使得高速摄像机可清晰记录叶片爆炸飞脱过程。

3、通过本发明提供的试验技术方法和装置，所使用的爆炸切断装置及雷管结构简单，尺寸小，且沿叶身型面柔性布置，占用额外空间小，易于在具有整圈叶片、流道板等复杂构件的实际发动机结构中进行安装实施。

4、通过本发明提供的试验技术方法和装置，所使用的起爆系统基于无线射频实现信号传输，保证信号传输稳定安全基础上，使得起爆系统布置更为便捷。

附图说明

图1为叶片爆炸飞脱试验总体结构示意图；

图2为叶片安装爆炸物结构示意图(表面视图)；

图3为叶片安装爆炸物结构示意图(截面视图)；

图4为叶片爆炸飞脱试验过程中转子转速随时间变化的曲线图；

图中：1、配重块，2、转轴，3、轮盘，4、爆炸物，5、叶片，6、电雷管，7、雷管引线，8、起爆信号接收器，9、起爆信号发射器，10、外部起爆控制箱，11、连接电缆，12、试验腔，13、柔性炸药索，14、重金属约束背皮，15、监测设备(高速相机)，16、驱动装置。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于惯性约束爆炸切断的风扇叶片爆炸飞脱试验装置，其包括试验腔、试验转子、驱动装置、爆炸切断分离组件、起爆控制组件、监测设备。

其中，试验腔12，作为爆炸飞脱试验的腔体；试验转子，位于试验腔内，包括叶片5、配重块1、轮盘3和转轴2；驱动装置，用于驱动试验转子旋转；爆炸切断分离组件，预设在叶片预定断裂截面处，通过爆炸使叶片沿预定断裂截面断裂，并在离心载荷作用下径向飞脱；起爆控制组件，用于控制爆炸切断分离组件发生爆炸；监测设备，用于记录叶片起爆和飞脱过程。

其中监测设备可以为高速相机15，设置拍摄速率、分辨率、曝光时间等参数使高速相机可完整清晰记录叶片起爆和飞脱过程

如图2和3所示，所述爆炸切断分离组件包括柔性炸药索13和重金属约束背皮14，柔性炸药索13，预设在叶片预定断裂截面处，提供爆炸切断分离作用；重金属约束背皮14，沿叶身型面覆盖在炸药索13外部，用于将柔性炸药索13的爆炸能量惯性约束指向叶片内部传播。

在本发明的优选实施例中，轮盘3与转轴2连接固定，叶片5与配重块1相对于转轴对称安装在轮盘3上，配重块1用于进行转子的平衡配重。

在本发明的优选实施例中，柔性炸药索13为软索状结构，内层炸药为黑索金，外部保护层为聚乙烯挤塑层，柔性炸药索沿风扇叶片5的叶身型面埋入叶身预制槽中，使用树脂结构胶固定，柔性炸药索提供爆炸切断分离作用。铜制重金属约束背皮13沿叶身型面覆盖在炸药索外部，使用树脂结构胶进行定型固定，重金属约束背皮13用于惯性约束炸药索的爆炸能量在除指向叶片表面以内的方向进行传播。

在本发明的优选实施例中，所述的起爆控制组件通过无线射频实现起爆信号的传输，其包括电雷管6、雷管引线7、起爆信号无线接收器8、起爆信号无线发射器9、外部起爆控制箱10、连接电缆11；电雷管6通过雷管引线7与起爆信号无线接收器8相连，起爆信号无线接收器8与起爆信号无线发射器9通过无线通信连接，起爆信号无线发射器9与外部起爆控制箱10通过连接电缆11连接。

更进一步的，起爆信号接收器8和起爆信号发射器9之间通过ZigBee无线射频实现信号的传输，起爆信号接收器8用于接收起爆信号并控制高压放电起爆电雷管6，起爆信号发射器9用于向起爆信号接收器8发送起爆信号。电雷管6安装于叶身一端的预制槽中，与柔性炸药索13紧密接触，雷管引线7用树脂结构胶固定铺设于叶片5、轮盘3和转轴2表面，连接至起爆信号接收器8。外部起爆控制箱10通过连接电缆11与起爆信号发射器9相连，用于进行起爆过程控制和状态监测。

通过上述原理和装置实现的一种基于惯性约束爆炸切断的风扇叶片飞脱试验方法，具体试验步骤如下：

1)在叶片5预定断裂截面处，沿叶片叶身型面进行开槽，形成柔性炸药索13安装空间，同时应通过理论计算证明叶身开槽开孔不会使叶身强度不足导致叶片5在达到最高目标试验转速前断裂。

2)将叶片5、配重块1与轮盘3装配后，在叶片拟安装爆炸物4处(即预定断裂截面处)用与柔性炸药索13内部炸药密度相近的泥胶进行等质量替代配重，然后进行现场在线动平衡，使转子可平稳升速至最高目标试验转速。

3)去掉泥胶等配重，将柔性炸药索13在开槽处埋装，外部使用铜制的重金属约束背皮14整体覆盖，使用树脂结构胶进行固定。爆炸物安装固定完成后，再次进行试转确认转子可平稳升速至最高目标转速。

4)将起爆信号无线发射器9安装于试验腔内壁处，起爆信号无线接收器8安装于转轴2非驱动端端面中心区域，通过螺栓安装牢固。调试确认起爆信号无线发射器9和起爆信号无线接收器8之间可有效传输起爆信号。设置拍摄速率、分辨率、曝光时间等参数使高速相机15可完整清晰记录叶片起爆和飞脱过程。

5)起爆信号无线接收器8上的通路开关保持关闭状态，安装雷管6使其头部与柔性炸药索13之间紧密相接，不存在间隙，使用树脂结构胶将雷管6安装固定，将雷管并联短路安全电路，连接雷管引线7与起爆信号无线接收器8，雷管引线7应紧贴叶片5、轮盘3和转轴2结构表面铺设，并使用结构胶进行固定。

6)确认试验台周围环境符合试验安全条件后，由爆炸专员开启起爆信号无线接收器8通路开关，解除雷管引线7短路安全电路，然后将试验转子整体从安装位置移入试验腔内，试验腔开始抽真空。

7)确认试验台和试验测试仪器状态满足开机试验条件后，设置试验参数并检查确认后，点击试验台控制系统开始试验按钮，启动试验台动力电机开始驱动试验转子旋转升速，试验过程中全程记录转子转速随时间变化的过程。

8)在试验转子转速达到最高目标试验转速并保持稳定运行时，爆炸专员打开起爆控制箱10电源按钮开始向起爆信号无线接收器8充电，充电完成后，指挥人员倒数三声后发出起爆口令，爆炸专员按下起爆控制箱10上的起爆按钮，引爆爆炸物，使叶片5在爆炸作用下沿预定部位截面断裂并在离心载荷作用下径向飞脱。叶片5飞脱后试验台开始降速停机，高速相机15保存记录叶片起爆飞脱过程。本实施例中叶片爆炸飞脱试验过程转子转速随时间变化曲线如图4所示。本发明提供的试验技术方法和装置，所使用的起爆系统基于无线射频实现信号传输，保证信号传输稳定安全基础上，使得起爆系统布置更为便捷。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于实现发动机风扇叶片飞脱过程的爆炸飞脱试验装置，其特征在于包括：

试验腔(12)，作为叶片爆炸飞脱试验的腔体；

试验转子，位于试验腔内，包括叶片(5)、配重块(1)、轮盘(3)和转轴(2)；

驱动装置(16)，用于驱动试验转子旋转；

爆炸切断分离组件，预设在叶片预定断裂截面处，通过爆炸使叶片沿预定断裂截面断裂，并在离心载荷作用下径向飞脱；

起爆控制组件，用于控制爆炸切断分离组件发生爆炸；

监测设备(15)，用于记录叶片起爆和飞脱过程；

其中，所述爆炸切断分离组件包括：

柔性炸药索(13)，预设在叶片预定断裂截面处，提供爆炸切断分离作用；

重金属约束背皮(14)，沿叶身型面覆盖在炸药索(13)外部，用于将柔性炸药索(13)的爆炸能量惯性约束指向叶片内部传播。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述的柔性炸药索(13)为软索状结构，由内层炸药和外部包裹的保护层组成，柔性炸药索(13)沿叶片叶身型面埋入叶身预制槽或预制孔中，使用结构胶进行固定。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于所述的重金属约束背皮(14)为铜制、银制或铅制金属条，沿叶身型面覆盖在柔性炸药索(13)外部，使用结构胶进行固定。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述的轮盘(3)与转轴(2)连接固定，叶片(5)与配重块(1)相对于转轴对称安装在轮盘(3)上，配重块(1)用于进行转子的平衡配重。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于所述的起爆控制组件通过无线射频实现起爆信号的传输，其包括电雷管(6)、雷管引线(7)、起爆信号无线接收器(8)、起爆信号无线发射器(9)、外部起爆控制箱(10)、连接电缆(11)；电雷管(6)通过雷管引线(7)与起爆信号无线接收器(8)相连，起爆信号无线接收器(8)与起爆信号无线发射器(9)通过无线通信连接，起爆信号无线发射器(9)与外部起爆控制箱(10)通过连接电缆(11)连接。

6.根据权利要求5所述的试验装置，其特征在于所述的电雷管(6)，用于引爆柔性炸药索(13)，其安装于设置在叶片叶身一端的雷管盒中，与柔性炸药索(13)紧密接触，雷管引线(7)用结构胶固定于试验转子表面。

7.根据权利要求5所述的试验装置，其特征在于所述的起爆信号接收器(8)，用于接收起爆信号并控制高压放电起爆电雷管(6)，安装于试验转子转轴(2)的非驱动端的轴心区域，试验时随试验转子同步旋转。

8.根据权利要求5所述的试验装置，其特征在于所述的起爆信号发射器(9)，用于向起爆信号接收器(8)无线发送起爆信号，安装于试验腔内部，通过电缆(11)引出试验腔(12)外与外部起爆控制箱(10)相连。

9.根据权利要求5所述的试验装置，其特征在于所述的外部起爆控制箱(10)，用于进行起爆过程控制和状态监测，包括电源旋钮、起爆按钮以及信号传输状态实时显示屏，电源旋钮用于给控制箱(10)供电，使起爆系统进入预备状态，给起爆信号接收器(8)高压电路模块供电；当按下起爆按钮，起爆信号发射器(9)发送起爆信号，起爆信号接收器(8)接收到该信号时，控制高压放电，起爆雷管(6)引爆柔性炸药索(13)，完成爆炸试验，信号传输状态实时显示屏用于显示各部分信号传输状态是否正常，返回错误信息。

10.一种利用权利要求5-9中任一项所述装置实现的叶片爆炸飞脱的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在叶片(5)预定断裂截面处，沿叶身型面进行开槽或开孔，形成安装炸药索(13)的空间，同时确保叶身开槽或开孔不会使叶身强度不足导致叶片(5)在达到最高目标试验转速前断裂；

2)将叶片(5)、配重块(1)和轮盘(3)进行装配后，在叶片(5)拟安装爆炸物(4)处用与柔性炸药索内层炸药密度相同的泥胶进行等质量替代配重，然后进行现场在线动平衡，使转子能够平稳升速至最高目标试验转速；

3)去掉泥胶配重，将柔性炸药索(13)埋装在开槽或开孔处，使用重金属约束背皮(14)整体覆盖，使用结构胶进行固定；爆炸物安装固定后，再次进行试转，确认转子可平稳升速至最高目标试验转速；

4)将起爆信号发射器(9)安装于试验腔内壁处，起爆信号接收器(8)安装于转轴(2)端面中心区域，通过螺栓安装牢固；调试确认信号发射器(9)和信号接收器(8)之间能够有效传输起爆信号；设置监测设备的监测参数以完整清晰记录叶片起爆和飞脱过程；

5)起爆信号接收器(8)上的通路开关保持关闭状态，安装雷管(6)使其头部与柔性炸药索(13)之间紧密相接，不存在间隙，使用结构胶将雷管(6)安装固定，将雷管(6)并联短路安全电路，连接雷管引线(7)与起爆信号接收器(8)，雷管引线(7)紧贴叶片(5)、轮盘(3)和转轴(2)结构表面铺设，并使用结构胶进行固定；

6)确认试验台周围环境符合试验安全条件后，开启起爆信号接收器(8)通路开关，解除雷管引线(7)短路安全电路，将试验转子整体从安装位置移入试验腔内；

7)满足开机试验条件后，启动驱动装置开始驱动试验转子旋转升速，试验过程中全程记录转子转速随时间变化的过程；

8)在试验转子转速达到最高目标试验转速并保持稳定运行时，打开电源按钮开始向起爆信号接收器(8)充电，充电完成后，按下起爆按钮，引爆爆炸物，使叶片(5)在爆炸作用下沿预定部位截面断裂，并在离心载荷作用下径向飞脱；叶片(5)飞脱后试验台开始降速停机，监测设备保存记录叶片起爆飞脱过程。

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