CN115446748A - 一种燃烧室火焰筒模态试验夹具装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试燃气轮机燃烧室火焰筒时所用的夹具，该夹具通过两个支撑结构分别支撑火焰筒的两个部分。其中第一支撑结构采用支撑组件、限位组件及固定组件将待测工件的第一端刚性固定，在固定的同时通过设计可拆装结构保证能够轻松更换零件。第二夹持结构包括支撑结构及弹性支撑结构，能够保证待测零件的另一端与测试台非刚性连接。通过两个夹持装置的夹持，能够模拟火焰筒实际装配环境，从而获得更准确的模态参数，以修正及指导有限元分析，得到更符合试验结果的有限元模型及分析方法，提高有限元方法的精度，从而节省试验成本、提高研发效率。

Description

一种燃烧室火焰筒模态试验夹具装置

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机燃烧室火焰筒模态试验测试时固定用工具，具体而言，涉及一种重型燃气轮机中的燃烧室火焰筒的测试时所需的夹具。

背景技术

燃烧室是燃气轮机燃料燃烧的腔室，其核心之一是火焰筒，当燃气轮机工作时燃烧室火焰筒受燃烧脉动及整机振动等多种激振力影响，可能会在燃烧室运行过程中由于振动而引发故障。除此之外，燃烧室火焰筒在时变载荷作用下，零部件若发生振动，产生交变应力，如果激振力所传递的能量不能转化为部件动能以及不能被阻尼吸收，则会使部件持续振动经过一定应力循环系数后，最终导致裂纹发生或断裂，导致部件振动失效。因此，了解燃烧室火焰筒结构振动特性及检验结构动力学设计合理性是十分必要的。

试验模态分析又称模态分析的试验过程，简称模态试验，是验证理论模态分析及有限元分析可靠性的方法之一，也是结构动力学分析的必要及有效的手段之一，目前被广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、核工业等国防工业领域和汽车、建筑等民用工业部门。模态试验装置主要包括夹具、激振器、力传感器及加速度传感器、数据采集系统、测量系统等，其中夹具装置是模态试验装置的重要组成部分，模态试验中针对试验件进行合理的夹具装置设计，是进行模态试验的基础。现有技术中，对重型燃气轮机燃烧室火焰筒的模态试验装置是提供的自由边界，模拟试验件与大地没有任何约束。常规的模拟自由边界的方法主要有：橡皮绳悬挂、海绵垫支承、气囊支承、橡胶垫支承、空气弹簧支承、软弹性支承或悬挂等。

现有技术CN112485015A公开了燃气轮机燃烧室的实验台，其主要技术有点在于采用前后两个法兰固定火焰筒，固定结构设计时支撑火焰筒前后两端，前端采用法兰和定位盘固定，后端采用支撑板固定。具体来说：该申请公开的内容为燃烧室的测试平台，其中包含固定火焰筒的结构。在该实验台中火焰筒整体呈筒状，前开口较小，后端开口较大。具体到固定方式，本申请中火焰筒前端固定的方式为带凸台的定位盘，将凸台伸入到火焰筒前部，之后在将定位固定到对应的支撑板上；火焰筒后端的采用支撑板固定，支撑板固定在测试管道内。该装置的主要缺点在于在火焰筒前端主要采用凸台伸入到筒的前缘进行固定，固定效果一般；同时后端固定采用法兰式，为刚性固定，与实际装配的情况并不相符。

现有技术CN207439679U公开了一种燃烧室试验设备及其测量管段，本申请中的燃烧筒的固定方式为前后两端固定，前后均采用外部的支撑结构固定。具体说：该申请中公开的内容中包括换热管道，保证在实验时实验装置的温度不会过高，从而延长法兰的使用寿命。对于火焰筒的固定结构，火焰筒的前后端均采用带有圆孔状的支撑板结构固定，支撑板被固定于测试装备的管道内壁上。该装置的固定方式前后均采用支撑的方式，被测零件的可能较容易变形，同时缺少拆卸模块等，拆卸便利度不高。

现有技术CN103350357A公开了燃气轮机火焰筒的定位夹紧装置，采用前后两个支撑座支撑火焰筒，前端的支撑结构略高于后端，前端带有整体型的定位盘，定位盘上有凸台，凸台伸入火焰筒端面内部固定；后端采用带有横梁和定位块的结构进行固定。具体来说：该固定装置整体包含两个支撑立板，支撑立板固定于底座上。左侧支撑立板上固定有带凸台的定位盘，定位盘有凸起的台阶，台阶深入到火焰筒前缘内部；定位盘带有螺栓固定结构右侧支撑板上有横梁、定位块等一系列的结构，用以固定火焰筒的后端部。但该设备整体结构复杂，同时固定方式为刚性固定，且火焰筒在固定时呈倾斜状态。

上述夹持方式均为了稳定夹持而设计，并非模拟器火焰筒在具体应用场景下的夹持而设计，同时并未设计采用弹性结构支撑火焰筒的另外一端。此外，在现有技术中的测量火焰筒的振动参数的模态实验均针对自由边界状态下的零件模态参数，未模拟火焰筒在燃烧室的实际装配状态，即无法提供约束条件下的模态试验，则无法得到准确的模态参数，自由边界模态试验反而会给后续的结构修改带来巨大干扰。因此在现有技术中未发现在实际装配状态下测量火焰筒的方案，同时也未提供此种测试方案下的针对火焰筒测试时所用的夹具，在固定方式上，多采用卡扣等固定方式，并未采用环形缝隙加固定块的定位方式。

鉴于以上技术问题，特推出本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种在测量实际装配的情况下燃气轮机燃烧室火焰筒模态参数时固定火焰筒的夹具。

为了实现上述目的，本发明燃烧室火焰筒模态试验夹具装置，包括测试台台面，设置于所述测试台台面上的第一夹持单元和第二夹持单元，第一夹持单元和所述第二夹持单元沿平行于所述测试台台面的同一轴线布置。

采用上述结构，第一夹持单元用以固定火焰筒的第一端，第二夹持单元用以固定火焰筒的第二端，其中第一夹持单元上的固定结构的轴心与第二夹持单元上的固定结构的轴心相同。两夹持单元的夹持结构与实际装配状态下的具体结构相同，因此能够测量实际装配的情况下燃气轮机燃烧室火焰筒模态参数。

本发明对上述方案的进一步的改进在于：第一夹持单元包括第一支撑组件、限位组件，第一支撑组件固定于测试台台面上，第一支撑组件和限位组件之间形成环形缝隙，待测锥筒状工件的前缘沿环形缝隙固定。该固定方式能够对锥筒状结构充分的支撑，同时能够模拟锥筒状的火焰筒零件在实际使用时的固定方式。

本发明对上述方案的进一步的改进在于：限位组件包括法兰和套筒，法兰与套筒同轴固定配置，法兰可拆卸的配置在第一支撑组件上，套筒与第一支撑组件形成环形缝隙。在使用和测试时，可以将法兰用螺栓等连接方式固定在支撑组件上，方便拆卸被测试的零件。

本发明对上述方案的进一步的改进在于：第一夹持单元还包括多个固定组件，固定组件与第一支撑组件相连，待测锥筒状工件具有固定块，固定组件将固定块固定在第一支撑组件上。

本发明对上述方案的进一步的改进在于：多个固定组件均布地固定于第一支撑组件上。

本发明对上述方案的进一步的改进在于：固定组件上靠近待测锥筒状工件侧带有凹槽，凹槽与固定块的形状相匹配。

本发明对上述方案的进一步的改进在于：多个固定组件中的一个位于待测锥筒状工件前缘的最高点处。

本发明对上述方案的进一步的改进在于：第二夹持单元包括第二支撑组件、弹性支撑组件，第二支撑组件固定于测试台台面上，用于支撑待测锥筒状工件的后缘，弹性支撑组件位于第二支撑组件与待测锥筒状工件的后缘之间。

本发明对上述方案的进一步的改进在于：弹性支撑组件为环形，弹性支撑组件设置在第二支撑组件的圆形孔内，弹性支撑组件与待测锥筒状工件的后缘同轴设置。

本发明对上述方案的进一步的改进在于：第一夹持单元和第二夹持单元中至少一个可拆卸地设置在测试台台面上。

应用本发明的技术方案，至少实现了如下有益效果：

1、本发明的夹持装置夹持的方式与实际中火焰筒的夹持方式一致，分别采用两个夹持单元夹持火焰筒两端，同时第一端采用环状固定，第二段采用弹性支撑组件固定。该种方式能够模拟火焰筒在实际装配时的状态，进而通过该夹持装置能够测量模拟际装配的情况下燃气轮机燃烧室火焰筒模态参数。

2、本发明的第一夹持单元和第二夹持单元至少一个可拆卸的设置在测试平台上，能够方便待测火焰筒的拆装，易于操作。

3、本发明的第一夹持单元上的固定组件为可以拆卸的状态，该结构能够确保火焰筒在夹持单元上稳定的固定，同时能够方便更换和调整火焰筒。

4、本发明的第一夹持单元上第一支撑组件和限位组件之间形成环形缝隙对待测的火焰筒零件前缘能够充分支撑，保证在夹持时，待测火焰筒零件变形较小或者无变形，能够更加准确的测量相关参数。

5、本发明的第二夹持单元与工件之间设置弹性支撑件，能够完整的还原该零件在实际工况中的情形，能够获得更准确地测量火焰筒的模态参数，以修正及指导有限元分析，得到更符合试验结果的有限元模型及分析方法，从而节省试验成本、提高研发效率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的整体试验夹具装置示意图；以及

图2示出了将整体试验夹具装置在中间的剖视图；以及

图3示出了图2所示的A部放大图；以及

图4示出了图2所示的B部放大图；以及

图5示出了图1所示的A部放大图；以及

图6示出了本夹具尾部零件拆分后的视图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、第一夹持单元；2、第二夹持单元；3、测试台台面；4、限位组件；5、第一支撑组件；6、锥筒状工件；7、固定块；8、前缘；9、固定组件；

10、第二支撑组件；

11、弹性支撑组件；12、后缘；13、套筒；14、法兰。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。术语“包括”在使用时表明存在特征，但不排除存在或增加一个或多个其它特征；术语“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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，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发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

燃气轮机燃烧室火焰筒整体呈锥筒状，在附图中标示为锥筒状工件6，该工件在测试时需要夹持结构，以更加准确的测出锥筒状工件6在实际装配到具体工作的产品上的模态参数。本发明提供了一种燃烧室火焰筒模态试验夹具装置，通过该装置能够夹持燃烧室火焰筒，进而测试锥筒状零件的模态参数。

如图1-3所示，在测试台台面3上分别固定有第一夹持单元1和第二夹持单元2，其中第一夹持单元1用来夹持和固定锥筒状工件6的前缘8，第二夹持单元2用来固定和夹持锥筒状工件6的后缘12。第一夹持单元1和第二夹持单元2在测试台台面3上被同一轴线配置。通过第一夹持单元1和第二夹持单元2分别固定锥筒状工件6的前缘8和后缘12能够实现稳定固定的目的。同时，第一夹持单元1和第二夹持单元2采用同一轴线配置，能够使被测锥筒状工件6以水平方式固定，测量质量能够保证，排除倾斜等方式固定时，引入其他固定角度带来的变量，进而更好的实现测量目的。

如图2-图3所示，第一夹持单元1包括第一支撑组件5、限位组件4和固定组件9。第一支撑组件5固定于测试台台面3上，固定方式可以采用可拆卸式的方式固定，也可以采用机械领域常见的固定方式固定。在第一支撑组件5上有圆形通孔，该圆形通孔的直径与前缘8的外径相同，以保证外径8能被容纳进该圆孔内。

限位组件4为带法兰的筒状结构，包括套筒13和法兰14。套筒13的外径不大于前缘8的内径，以确保套筒13能够塞进前缘8内。当限位组件4被安装到第一支撑组件5上的时候，法兰14被固定到第一支撑组件5的侧面上，固定方式可以采用螺栓固定，也可以采用焊接、胶粘等方式，该种固定方式能够实现轻松拆卸限位组件4，利于测试过程中拆卸和调整，提高测量效率。套筒13的长度长于第一支撑组件5的厚度，能够更好的对前缘8的支撑，保证待测锥筒状工件6的变形较小或无变形。套筒13与第一支撑组件5形成的圆环能够从内外两面同时固定前缘8，从而使锥筒状工件6被测量室更好的被固定，固定效果更好。

固定组件9固定于第一支撑组件5圆孔的边缘上，固定组件9至少有两个，且至少圆孔的最顶端有一个固定组件9，该配置方式能够在顶部固定住待测火焰筒，从而有效的防止待测火焰筒因为重力导致筒体发生较大的形变。当固定组件9在顶端时，能够方式锥筒状工件6的中间部位因重力下沉，进而发生变形，影响最终测量效果。当固定组件9有多个时，至少有一个在顶端，能够保证固定组件9的排布方式的相对确定，降低多组参数或测量不同锥筒状工件6时的可变量，从而方便多组测量数据对照。

此外，多个固定组件9可以均匀的分布在第一支撑组件5圆孔的边缘上，该种方式能够更加稳定的夹持待测火焰筒，防止产生多余的振动。同时，多个固定组件9的均匀分布在第一支撑组件5圆孔的边缘上的情形与火焰筒在实际工况下的固定方式相同，从而更精确的测量实际工况下工件的模态参数。

如图2、图3及图5所示，在固定组件9与工件接触的面带有空腔，该空腔的形状，与待测工件火焰筒的固定块7的形状相匹配，即，固定块7凸起的形状与固定组件9上内凹的形状相同。该结构能够保证固定组件9更好的固定固定块7，从而能够更好的固定待测火焰筒的前缘8，使火焰筒与第一支撑组件5的固定的更稳固。

如图1、图2及图4所示，第二夹持单元2包括第二支撑组件10和弹性支撑组件11，第二夹持单元固定在测试台台面3上。

第二支撑组件10固定在测试台台面3上，在第二支撑组件10上带有圆孔，该圆孔的直径与弹性支撑组件11的外径相同，待测锥筒状工件6的后缘12被固定于弹性支撑组件11的内部。该种装配方式能够比较稳固的支撑锥筒状工件6的后缘12，同时弹性支撑组件11带有弹性，在安装工件时方便安装，防止后缘12和第二支撑组件10上的圆孔出现误差，从而采用刚性连接时，容易引起后缘12的变形。该种支撑方式能够与实际的固定方式相符，更能准确的测量锥筒状工件6在实际装配状态的模态参数。

弹性支撑组件11呈扁平状的环形，其最大的外径与第二支撑组件10上的圆孔相同，弹性支撑组件11的最小处的内径与后缘12的直径相同。同时弹性支撑组件11的轴线、第二支撑组件10上圆孔的轴线及待测锥筒状工件6的轴线三者重合。弹性支撑组件11能够以弹性的方式支撑待测锥筒状工件6，该种支持方式与锥筒状工件6在实际装的装配方式相同，因此能够测量锥筒状工件6在实际装配工况中的模拟参数。弹性支撑组件11采用该领域内常用的弹性密封呼啦圈，或者采用其他弹性系数及结构与弹性密封呼啦圈类似的弹性组件。同时当采用弹性的结构与实际的弹性组件相差比较大的时候，需要在后期数据处理时，考虑到该结构的变动对测量结构的影响。

如图1所示，第一夹持单元1和第二夹持单元2中至少一个夹持单元能够可拆卸的固定在测试台台面3上，因此能够方便的对待测火焰筒拆装。拆卸方式可以采用螺栓、卡具、胶粘等方式。若采用螺栓固定，则在测试台台面3上有对应的螺纹孔。

总之，从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现如下技术效果：

1、本发明的夹持装置夹持的方式与实际中火焰筒的夹持方式一致，分别采用两个夹持单元夹持火焰筒两端，同时第一端采用环状固定，第二段采用弹性支撑组件固定。该种方式能够模拟火焰筒在实际装配时的状态，进而通过该夹持装置能够测量模拟际装配的情况下燃气轮机燃烧室火焰筒模态参数。

2、本发明的第一夹持单元和第二夹持单元至少一个可拆卸的设置在测试平台上，能够方便待测火焰筒的拆装，易于操作。

3、本发明的第一夹持单元上的固定组件为可以拆卸的状态，该结构能够确保火焰筒在夹持单元上稳定的固定，同时能够方便更换和调整火焰筒。

4、本发明的第一夹持单元上第一支撑组件和限位组件之间形成环形缝隙对待测的火焰筒零件前缘能够充分支撑，保证在夹持时，待测火焰筒零件变形较小或者无变形，能够更加准确的测量相关参数。

5、本发明的第二夹持单元与工件之间设置弹性支撑件，能够完整的还原该零件在实际工况中的情形，能够获得更准确地测量火焰筒的模态参数，以修正及指导有限元分析，得到更符合试验结果的有限元模型及分析方法，从而节省试验成本、提高研发效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃烧室火焰筒模态试验夹具装置，其特征在于：包括测试台台面(3)，设置于所述测试台台面(3)上的第一夹持单元(1)和第二夹持单元(2)，所述第一夹持单元(1)和所述第二夹持单元(2)沿平行于所述测试台台面(3)的同一轴线布置。

2.根据权利要求1所述的燃烧室火焰筒模态试验夹具装置，其特征在于：所述第一夹持单元(1)包括第一支撑组件(5)、限位组件(4)，所述第一支撑组件(5)固定于所述测试台台面(3)上，所述第一支撑组件(5)和所述限位组件之间形成环形缝隙，待测锥筒状工件(6)的前缘(8)沿所述环形缝隙固定。

3.根据权利要求2所述的燃烧室火焰筒模态试验夹具装置，其特征在于：所述限位组件包括法兰(14)和套筒(13)，所述法兰(14)与所述套筒(13)同轴固定配置，所述法兰(14)可拆卸的配置在所述第一支撑组件(5)上，所述套筒(13)与所述第一支撑组件(5)形成所述环形缝隙。

4.根据权利要求2-3所述的燃烧室火焰筒模态试验夹具装置，其特征在于：

所述第一夹持单元(1)还包括多个固定组件(9)，所述固定组件(9)与所述第一支撑组件(5)相连，所述待测锥筒状工件(6)具有固定块(7)，所述固定组件(9)将所述固定块(7)固定在所述第一支撑组件(5)上。

5.根据权利要求4所述的燃烧室火焰筒模态试验夹具装置，其特征在于：多个所述固定组件(9)均布地固定于所述第一支撑组件(5)上。

6.根据权利要求4所述的燃烧室火焰筒模态试验夹具装置，其特征在于：

所述固定组件(9)上靠近所述待测锥筒状工件(6)侧带有凹槽，所述凹槽与所述固定块(7)的形状相匹配。

7.根据权利要求4所述的燃烧室火焰筒模态试验夹具装置，其特征在于：

多个所述固定组件(9)中的一个位于所述待测锥筒状工件(6)前缘的最高点处。

8.根据权利要求2-3所述的燃烧室火焰筒模态试验夹具装置，其特征在于：

所述第二夹持单元(2)包括第二支撑组件(10)、弹性支撑组件(11)，所述第二支撑组件(10)固定于所述测试台台面(3)上，用于支撑所述待测锥筒状工件(6)的后缘(12)，所述弹性支撑组件(11)位于所述第二支撑组件(10)与所述后缘(12)之间。

9.根据权利要求8所述的燃烧室火焰筒模态试验夹具装置，其特征在于：

所述弹性支撑组件(11)为环形，所述弹性支撑组件(11)设置在所述第二支撑组件(10)的圆形孔内，所述弹性支撑组件与所述后缘(12)同轴设置。

10.根据权利要求1所述的燃烧室火焰筒模态试验夹具装置，其特征在于：

所述第一夹持单元(1)和所述第二夹持单元(2)中至少一个可拆卸地设置在所述测试台台面(3)上。

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