CN115791143B - 一种旋转叶盘的加温激励装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转叶盘的加温激励装置，包括：转轴和旋转叶盘，旋转叶盘的盘心固定在转轴上；加温系统炉体外壳，包括相互贯通的叶盘容纳腔室和转轴容纳腔室，转轴设置在转轴容纳腔室中，旋转叶盘设置在叶盘容纳腔室中；加热元件，设置在叶盘容纳腔室的径向内壁上，且相对旋转叶盘的两侧对称分布；气体喷嘴安装面为设置在叶盘容纳腔室轴向内壁的圆环结构，圆环结构的圆心与旋转叶盘的径向中心延长线重合，气体喷嘴安装面上设置有贯通圆环结构内外环的气体喷嘴安装孔组件；气体喷嘴。通过加热元件对叶片的叶盘进行加温，通过气体喷嘴配合气体喷嘴安装孔组件实现叶片的激励，从结构上集成了叶盘加温和气体激励两种功能。

Description

一种旋转叶盘的加温激励装置

技术领域

本说明书涉及转子动力学试验技术领域，具体涉及一种旋转叶盘的加温激励装置。

背景技术

温度、气流激励及离心载荷是航空发动机叶片在工作状态下承受的主要载荷，而发动机真实工作状态下旋转叶片的温度、振动、应力和流场参数测试一直是工程界关注的焦点。目前国内进行试验或测试技术验证平台设计主要集中在整机或零部件试验件上。这对应用技术的成熟度提出了很高的要求，否则会面临很大的试验风险，同时试验成本也较高。因此，在进行一些转子类试验或测试技术研究的早期阶段，就有必要设计一种能对模拟转子进行加温和气体激励的试验装置。现有的高速旋转叶盘加温装置为真空环境下的立式结构，只能进行加温，不能在同一结构上同时实现对旋转叶盘加温和激励。

针对非真空环境下的高速旋转叶盘加热和气体激励需求，需要开发一种结构与转子试验设备和转子叶片的旋转叶盘匹配，且温度可调、激振频率和能量均可调整的装置。

发明内容

有鉴于此，本说明书实施例提供一种旋转叶盘加温及激励的装置，以达到利用同一个装置即可实现叶盘的加温与气体激励的目的。

本说明书实施例提供以下技术方案：

一种旋转叶盘的加温激励装置，包括：

转轴和旋转叶盘，旋转叶盘的盘心固定在转轴上；

加温系统炉体外壳，加温系统炉体外壳包括相互贯通的叶盘容纳腔室和转轴容纳腔室，转轴设置在转轴容纳腔室中，旋转叶盘设置在叶盘容纳腔室中；

加热元件，加热元件设置在叶盘容纳腔室的径向内壁上，且相对旋转叶盘的两侧对称分布；

气体喷嘴安装面和气体喷嘴安装孔组件，气体喷嘴安装面为设置在叶盘容纳腔室轴向内壁的圆环结构，圆环结构的圆心与旋转叶盘径向中心的延长线重合，气体喷嘴安装面上设置有贯通圆环结构内外环的气体喷嘴安装孔组件；

气体喷嘴，气体喷嘴可拆卸的插入气体喷嘴安装孔组件中。

进一步地，气体喷嘴安装孔组件包括：

基准气体喷嘴安装孔、三个90°气体喷嘴安装孔和两个120°气体喷嘴安装孔；

三个90°气体喷嘴安装孔相对基准气体喷嘴安装孔周向间隔90°均匀分布；

两个120°气体喷嘴安装孔相对基准气体喷嘴安装孔周向间隔120°均匀分布。

进一步地，基准气体喷嘴安装孔、90°气体喷嘴安装孔和120°气体喷嘴安装孔均包括安装孔入气口和安装孔出气口，安装孔入气口和安装孔出气口的中心在同一直线上，安装孔出气口的中心线与法向的夹角为α，α为59°至61°。

进一步地，基准气体喷嘴安装孔、90°气体喷嘴安装孔和120°气体喷嘴安装孔的直径均为6.95mm至7.05mm。

进一步地，气体喷嘴包括喷嘴进气口和喷嘴出气口，气体喷嘴包括喷嘴进气口和喷嘴出气口，喷嘴出气口设置在喷嘴进气口的侧壁上，喷嘴出气口的中心线与喷嘴进气口的中心线的夹角为β，β为127°至133°。

进一步地，气体喷嘴的喷嘴进气口为直径为5.5mm至6.5mm的圆孔，气体喷嘴的喷嘴出气口为细缝结构，细缝结构的长度为9.5mm至10.5mm，细缝结构的宽度为0.95mm至1.05mm。

进一步地，加温系统炉体外壳为可拆卸的两半结构。

进一步地，转轴容纳腔室与转轴之间的间隙为2.5mm至3.5mm，叶盘容纳腔室与旋转叶盘之间的间隙不小于5mm。

进一步地，气体喷嘴通过螺栓固定在气体喷嘴安装面的气体喷嘴安装孔组件中。

进一步地，加温系统炉体外壳通过螺栓固定在外部设备平台上。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

本发明实施例的加温激励装置，通过加热元件对叶片的叶盘进行加温，通过气体喷嘴配合气体喷嘴安装孔组件实现对旋转叶盘的激励，从结构上集成了加温和气体激励两种功能；通过气体喷嘴安装的个数控制激振倍数以及对称设置在旋转叶盘两侧加热元件，提高了加温激励试验参数的模拟范围和精度；同时，加温激励装置的加温系统炉体外壳使用两半式的设计，结构新颖，方便拆装，具有很好的经济效益和工程价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例的旋转叶盘的加温激励装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的气体喷嘴安装面的气体喷嘴安装孔孔位布局示意图；

图3是本发明实施例的气体喷嘴结构示意图。

附图标记说明：1、转轴；2、加温系统炉体外壳；3、旋转叶盘；4、气体喷嘴；401、喷嘴进气口；402、喷嘴出气口；5、加热元件；6、气体喷嘴安装面；7、气体喷嘴安装孔组件；701、基准气体喷嘴安装孔；702、90°气体喷嘴安装孔；703、120°气体喷嘴安装孔。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，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例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。

参考图1，本发明实施例的旋转叶盘的加温激励装置从结构上将加温系统和气体激励系统的功能组件进行了集成。

如图1所示，本发明实施例的旋转叶盘包括：转轴1、加温系统炉体外壳2、旋转叶盘3、气体喷嘴4、加热元件5和气体喷嘴安装面6。

旋转叶盘3的盘心固定在转轴1上。加温系统炉体外壳2包括相互贯通的叶盘容纳腔室和转轴容纳腔室，转轴容纳腔室用于放置转轴1，叶盘容纳腔室用于放置旋转叶盘3。

具体的，加温系统炉体外壳2采用前后分半对称结构设计，前后两半的配合面为平面，前后两半安装完成之后，在加温系统炉体外壳2的中间部位形成一个圆柱状的叶盘容纳腔室，在两端形成两个圆柱状的转轴容纳腔室。旋转叶盘3嵌入在圆柱状叶盘容纳腔室中，旋转叶盘3两侧的转轴1嵌入在两个圆柱状转轴容纳腔室中。转轴1和旋转叶盘3均为高速旋转构件，为了保证该装置在使用过程中的安全，转动部件（转轴1和旋转叶盘3）与静止部件（加温系统炉体外壳2）之间必须保证合理的间隙。具体的，加温系统炉体外壳2的转轴容纳腔室与转轴1之间的间隙为2.5mm至3.5mm，加温系统炉体外壳2的叶盘容纳腔室与旋转叶盘3的盘面的间隙不小于5mm。加温系统炉体外壳2用螺栓固定在外部设备平台上，以保证工作过程中，加温系统炉体的刚度，减小振动对加热元件5的影响。由外部设备平台提供旋转叶盘3的旋转动力、加热元件5的加热和提供激励气流。

加热元件5设置在叶盘容纳腔室的径向内壁上，具体的，加热元件5内嵌于叶盘容纳腔室的径向内壁上，并且，相对旋转叶盘3的盘面的两侧对称设置。加热元件5通过热辐射对旋转叶盘3进行加温，这种对称分布式的加热结构，加热面积大，分区温度调节，可以保证加温炉腔内温度的均匀性和控温的精度。

气体喷嘴安装面6为设置在叶盘容纳腔室轴向内壁上的圆环结构，参考图1，气体喷嘴安装面6的圆环结构的圆心与旋转叶盘3的径向中心延长线重合。具体的，在气体喷嘴安装面6的安装过程中，需要保证气体喷嘴安装面6的圆心与旋转叶盘的径向中心延长线重合，以达到气流激励的方向以及强度均匀可控。

由气体喷嘴4、气体喷嘴安装面6和气体喷嘴安装孔组件7组成的气体激励系统的具体结构如图2和图3所示。气体喷嘴安装面6上设置有贯通圆环结构内外环的气体喷嘴安装孔组件7。气体喷嘴4可拆卸的插入气体喷嘴安装孔组件7中。

如图2所示，气体喷嘴安装面6上的气体喷嘴安装孔组件7为多角度开螺纹孔的结构，气体喷嘴安装孔组件7共有六个，包括一个基准气体喷嘴安装孔701，三个90°气体喷嘴安装孔702，两个120°气体喷嘴安装孔703。具体的，每个气体喷嘴安装孔均为6.95mm至7.05mm的螺纹孔。同时，喷嘴入气口（外环开口端）和喷嘴出气口（内环开口端）的中心在同一直线上，喷嘴出气口的中心线与法向的夹角α为59°至61°。三个90°气体喷嘴安装孔702相对基准气体喷嘴安装孔701周向间隔90°均匀分布，同时，两个120°气体喷嘴安装孔703相对基准气体喷嘴安装孔701周向间隔120°均匀分布。

如图2所示，气体喷嘴4可拆卸的插入气体喷嘴安装孔组件7中。使用时，将气体喷嘴4固定在气体喷嘴安装面6的气体喷嘴安装孔组件7的螺纹孔上。具体的，可选择不同的气体喷嘴安装孔来安装气体喷嘴4，不需要使用的气体喷嘴安装孔在试验中用堵盖将其封堵住。

气体喷嘴4的结构如图3所示，气体喷嘴4包括喷嘴进气口401和喷嘴出气口402，气体喷嘴4通过螺栓压紧的方式固定在气体喷嘴安装面6上。具体的，喷嘴进气口401采用直径为5.5mm至6.5mm的圆孔进气，喷嘴出气口402采用长度为9.5mm至10.5mm，宽度为0.95mm至1.05mm的细缝结构，喷嘴进气口401中心线与喷嘴出气口402中心线的夹角β为127°至133°，这种结构在提高激振力的同时，还可以使气体有效作用在转子叶片的宽度方向上，实现对叶片的有效激振。

具体的，空气可通过插入气体喷嘴安装孔组件7的气体喷嘴4的外环开口端流入，并从气体喷嘴安装孔组件7的内环开口端流出，通过气体的流动并作用在旋转叶盘3上达到气体激励的目的。

在高速旋转状态下，叶片会将周向方向的气体压缩并沿叶片切向方向流动，为了在叶片表面形成有效的激振力，需要将叶片旋转压缩的气流通过气体喷嘴4，使气流在每个气体喷嘴4周围均形成畸变气流团。当转子叶片在这样的流场中旋转时，转子叶片便会受到激振力的影响，叶片每旋转一周，就会受到间隔相等的激振，激振倍数主要由气体喷嘴个数决定。当喷嘴数量乘以转速对应的频率与叶片固有频率相等时，叶片就会发生同频共振。根据技术要求，通过调节激励气体压力和选取不同气体喷嘴数量组合，通过该结构可模拟实现转子基准频率的1倍、2倍、3倍、4倍激励特征。

本发明实施例的旋转叶盘的加温激励装置使用前，将旋转叶盘的加温激励装置的加温系统炉体外壳2通过螺栓固定于外部设备平台上，将模拟转子试验件装入加温系统炉体外壳2中，开启加热元件5，将所需个数的气体喷嘴4插入气体喷嘴安装孔组件7，其他气体喷嘴安装孔堵住，最后，将气体激励管道和气体喷嘴4连接。

在一些实施方式中，在某模拟转子叶片高温环境振动特性研究中，研究叶片在高温高转速环境下，不同激振力作用下叶片的动态响应。将模拟转子试验件以及本发明实施例的旋转叶盘的加温激励装置等装置按要求安装、调试完成后，开始使用加温激励装置进行试验。在扫频试验中，转子从静止升速到15000r/min时，叶片在12000 r/min～12200 r/min转速区间内发生了明显的共振现象。通过动应变分析软件分析发现，在12000 r/min～12200r/min转速附近发生的共振主要是在周向成90°分布的4个气体喷嘴4的扰流激励作用下，且入口气流与出口气流成127°至133°夹角时，叶片表面的动态应变响应最为明显。因此，将四个气体喷嘴4安装至三个90°气体喷嘴安装孔702和基准气体喷嘴安装孔701，其他喷嘴安装孔用堵盖封堵。此时由转子的4倍转速频率激起了的叶片的第1阶固有频率。

在一些实施方式中，将三个气体喷嘴4安装至两个120°气体喷嘴安装孔703和基准气体喷嘴安装孔701，其他喷嘴安装孔用堵盖封堵，在三个气体喷嘴4的扰流激励作用下在转速16100 r/min～16300 r/min转速附近发生的共振，且出口气流作用面积（长度9.5mm至10.5mm，宽度0.95mm至1.05mm）与叶片横截面积相等时，叶片表面的动态应变最为明显。此时由转子3倍转速频率激起了叶片的第1阶固有频率。

在一些实施方式中，将两个气体喷嘴4安装至安装周向成180°分布的两个喷嘴（2个呈180°的90°气体喷嘴安装孔702或者1个的90°气体喷嘴安装孔702加1个基准气体喷嘴安装孔701），其他喷嘴安装孔用堵盖封堵，在两个气体喷嘴4的扰流激励作用下在转速24000 r/min～24200 r/min转速附近发生的共振，此时由转子2倍转速频率激起了叶片的第1阶固有频率。

在一些实施方式中，针对叶片固有频率较低的模拟叶片，可以任意安装一个气体喷嘴4，在单个气体喷嘴4的扰流作用下在转速9600 r/min～9800r/min附近发生的共振，气体喷嘴4入口直径在5.5mm至6.5mm范围时，叶片表面的动态应变响应作为明显，此时由转子1倍转速频率激起了叶片的第1阶固有频率。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的方法实施例而言，由于其与系统是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

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权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种旋转叶盘的加温激励装置，其特征在于，包括：

转轴（1）和旋转叶盘（3），旋转叶盘（3）的盘心固定在转轴（1）上；

加温系统炉体外壳（2），加温系统炉体外壳（2）包括相互贯通的叶盘容纳腔室和转轴容纳腔室，转轴（1）设置在所述转轴容纳腔室中，旋转叶盘（3）设置在所述叶盘容纳腔室中；

加热元件（5），加热元件（5）设置在所述叶盘容纳腔室的径向内壁上，且相对旋转叶盘（3）的两侧对称分布；

气体喷嘴安装面（6）和气体喷嘴安装孔组件（7），气体喷嘴安装面（6）为设置在所述叶盘容纳腔室轴向内壁的圆环结构，所述圆环结构的圆心与旋转叶盘（3）径向中心的延长线重合，气体喷嘴安装面（6）上设置有贯通所述圆环结构内外环的气体喷嘴安装孔组件（7）；

气体喷嘴（4），气体喷嘴（4）可拆卸的插入气体喷嘴安装孔组件（7）中。

2.根据权利要求1所述的旋转叶盘的加温激励装置，其特征在于，气体喷嘴安装孔组件（7）包括：

基准气体喷嘴安装孔（701）、三个90°气体喷嘴安装孔（702）和两个120°气体喷嘴安装孔（703）；

三个90°气体喷嘴安装孔（702）相对基准气体喷嘴安装孔（701）周向间隔90°均匀分布；

两个120°气体喷嘴安装孔（703）相对基准气体喷嘴安装孔（701）周向间隔120°均匀分布。

3.根据权利要求2所述的旋转叶盘的加温激励装置，其特征在于，基准气体喷嘴安装孔（701）、90°气体喷嘴安装孔（702）和120°气体喷嘴安装孔（703）均包括安装孔入气口和安装孔出气口，所述安装孔入气口和所述安装孔出气口的中心在同一直线上，所述安装孔出气口的中心线与法向的夹角为α，α为59°至61°。

4.根据权利要求2所述的旋转叶盘的加温激励装置，其特征在于，基准气体喷嘴安装孔（701）、90°气体喷嘴安装孔（702）和120°气体喷嘴安装孔（703）的直径均为6.95mm至7.05mm。

5.根据权利要求1所述的旋转叶盘的加温激励装置，其特征在于，气体喷嘴（4）包括喷嘴进气口（401）和喷嘴出气口（402），喷嘴出气口（402）设置在喷嘴进气口（401）的侧壁上，喷嘴出气口（402）的中心线与喷嘴进气口（401）的中心线的夹角为β，β为127°至133°。

6.根据权利要求5所述的旋转叶盘的加温激励装置，其特征在于，气体喷嘴（4）的喷嘴进气口（401）为直径为5.5mm至6.5mm的圆孔，气体喷嘴（4）的喷嘴出气口（402）为细缝结构，所述细缝结构的长度为9.5mm至10.5mm，所述细缝结构的宽度为0.95mm至1.05mm。

7.根据权利要求1所述的旋转叶盘的加温激励装置，其特征在于，加温系统炉体外壳（2）为可拆卸的两半结构。

8.根据权利要求1所述的旋转叶盘的加温激励装置，其特征在于，所述转轴容纳腔室与转轴（1）之间的间隙为2.5mm至3.5mm，所述叶盘容纳腔室与旋转叶盘（3）之间的间隙不小于5mm。

9.根据权利要求1所述的旋转叶盘的加温激励装置，其特征在于，气体喷嘴（4）通过螺栓固定在气体喷嘴安装面（6）的气体喷嘴安装孔组件（7）中。

10.根据权利要求1所述的旋转叶盘的加温激励装置，其特征在于，加温系统炉体外壳（2）通过螺栓固定在外部设备平台上。

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