CN116256160A - 一种轮盘破裂实验用轴系防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃气涡轮发动机结构完整性试验领域，具体涉及一种轮盘破裂实验用轴系防护方法，本发明在驱动轴上设计并加工特定规格的脆断槽，使其为轴系强度储备最低位置，在驱动轴系上设计并安装防护支座限制径向位移并提供支反力，实现在试验件破裂瞬间，防护支座上方轴系基本无径向变形。在两种防护结构共同作用下，瞬间的巨大不平衡量冲击造成驱动轴在脆断槽处优先、瞬间断裂，避免能量和振动上传损坏其他结构。

Description

一种轮盘破裂实验用轴系防护方法

技术领域

本发明属于燃气涡轮发动机结构完整性试验领域，具体涉及一种轮盘破裂实验用轴系防护方法。

背景技术

航空发动机轮盘破裂试验是发动机研制过程中必须开展的研究及考核试验科目，主要试验目的是确定轮盘破裂转速，考核轮盘在相应工况下的破裂储备及转速裕度，为服役定型提供试验数据支撑。

根据国标及各型号研制规范要求，轮盘破裂转速至少在122％工作转速以上，如此高的转速下，轮盘破裂后会对驱动轴系产生巨大的冲击能量，造成驱动轴瞬间振动冲击，对上端的阻尼器、齿轮箱输出轴等试验器结构造成损坏，驱动轴本身也会断裂。造成破裂试验成本高昂，试验器恢复周期长。

目前国内开展过的轮盘破裂试验，试验件破裂后，针对损坏的设备状况，进行整体更换，更换的内容包括驱动轴、阻尼器、轴承、加温装置、齿轮箱输出轴等。国内开展破裂试验较多的浙江大学，其旋转试验器为自主设计生产，试验件破裂后，也需整体更换驱动轴、阻尼器及其他损坏部件。

目前，试验件破裂后，驱动轴及连接的驱动工装断裂位置基本在变截面位置，但因试验件规格不同，而驱动轴直径不变，驱动轴的断裂需要足够的能量才能促使其断裂。若无法实现瞬间断裂，巨大的冲击会造成驱动轴的剧烈振动和变形，进而造成上端阻尼器、轴承、齿轮箱输出轴甚至试验器舱体的损坏。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种轮盘破裂实验用轴系防护方法，在驱动轴上设计并加工特定规格的脆断槽，使其为轴系强度储备最低位置，在驱动轴系上设计并安装防护支座限制径向位移并提供支反力，实现在试验件破裂瞬间，防护支座上方轴系基本无径向变形。在两种防护结构共同作用下，瞬间的巨大不平衡量冲击造成驱动轴在脆断槽处优先、瞬间断裂，避免能量和振动上传损坏其他结构。

为了实现上述技术目的，本发明所采用的具体技术方案为：

一种轮盘破裂实验用轴系防护方法，应用所述轴系防护方法的轴系包括驱动轴、防护支座、阻尼器以及振动监测点；

所述防护支座上开设留有便于驱动轴穿过的内孔；

所述驱动轴的一端与所述破裂实验的动力装置连接；所述驱动轴穿过所述内孔，并与所述内孔之间设置有间隙；所述驱动轴的另一端连接用于安装所述轮盘的法兰；

所述振动监测点设置在所述驱动轴上；所述振动监测点便于外部设备执行对所述轮盘的振动监控；

所述阻尼器的基座与所述防护支座相对固定设置，作用于所述驱动轴，用于限定所述振动监测点沿所述驱动轴的径向的位移量，避免所述振动监测点超出实验最大径向位移范围；

所述轴系防护方法还包括：在所述驱动轴的强度储备最低的位置开设脆断槽。

进一步的，所述防护支座基于所述轮盘的转动惯量和破裂转速、所述阻尼器的等效阻尼和刚度、所述振动监测点的最大径向位移以及所述轴系的支撑方式和刚度进行设计；所述防护支座用于保证所述轮盘发生破裂或所述脆断槽断裂时保护所述阻尼器免受冲击伤害。

进一步的，所述间隙大于当所述振动监测点到达最大径向位移时，所述驱动轴在所述间隙处的最大径向位移。

进一步的，所述间隙不大于当所述振动监测点到达最大径向位移时，所述驱动轴在所述间隙处的最大径向位移的1.2倍。

进一步的，所述阻尼器设置在所述防护支座与所述动力装置之间靠近所述防护支座的一方。

进一步的，所述脆断槽设置在所述防护支座与所述法兰之间靠近所述法兰处。

进一步的，所述脆断槽为环形槽。

进一步的，所述脆断槽为45°斜槽，底部为倒圆状，倒圆状底部的表面粗糙度≯0.4。

进一步的，所述防护支座的材质为40CiNiMoA。

进一步的，所述防护支座的固定力矩不小于80N.m。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，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公开的一些实施例，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为采用本发明具体实施方式中一种轮盘破裂实验用轴系防护方法的轴系结构图；

图2为本发明具体实施方式中脆断槽的结构示意图；

其中：1、驱动轴；2、脆断槽；3、防护支座；4、阻尼器；5、振动监测点。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，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公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开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，在没有背离本公开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。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

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。基于本公开，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个方面来实施设备及/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公开的基本构想，图式中仅显示与本公开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。

在本发明的一个实施例中，提出一种轮盘破裂实验用轴系防护方法，应用轴系防护方法的轴系如图1所示包括驱动轴1、防护支座3、阻尼器4以及振动监测点5；

防护支座3上开设留有便于驱动轴1穿过的内孔；

驱动轴1的一端与破裂实验的动力装置连接；驱动轴1穿过内孔，并与内孔之间设置有间隙；驱动轴1的另一端连接用于安装轮盘的法兰；

振动监测点5设置在驱动轴1上；振动监测点5便于外部设备执行对轮盘的振动监控；

阻尼器4的基座与防护支座3相对固定设置，作用于驱动轴1，用于限定振动监测点5沿驱动轴1的径向的位移量，避免振动监测点5超出实验最大径向位移范围；

轴系防护方法还包括：在驱动轴1的强度储备最低的位置开设脆断槽2。

在本实施例中，防护支座3基于轮盘的转动惯量和破裂转速、阻尼器4的等效阻尼和刚度、振动监测点5的最大径向位移以及轴系的支撑方式和刚度进行设计；防护支座3用于保证轮盘发生破裂或脆断槽2断裂时保护阻尼器4免受冲击伤害。

在本实施例中，间隙大于当振动监测点5到达最大径向位移时，驱动轴1在间隙处的最大径向位移。

在本实施例中，间隙不大于当振动监测点5到达最大径向位移时，驱动轴1在间隙处的最大径向位移的1.2倍。

在本实施例中，阻尼器4设置在防护支座3与所述动力装置之间靠近防护支座3的一方。

在本实施例中，脆断槽2设置在防护支座3与法兰之间靠近法兰处。

在本实施例中，如图1、图2所示，脆断槽2为环形槽。

在本实施例中，脆断槽2为45°斜槽，底部为倒圆状，倒圆状底部的表面粗糙度≯0.4。

在本实施例中，防护支座3的材质为40CiNiMoA。

在本实施例中，防护支座3的固定力矩不小于80N.m。

本实施例的驱动轴1上端与试验器齿轮箱输出轴通过螺纹连接，竖直放置于止推轴承上，下端法兰与试验件通过螺栓和止口连接。

脆断槽2选取位置尽可能靠近试验件的变截面处，一般预留10mm左右用于加工；脆断槽2设计工况包括试验件破裂前脆断槽2需要安全稳定的工作不断裂，试验件破裂瞬间，此处为最薄弱位置，优先断裂，减少对试验器阻尼器4等其他部件的损坏；脆断槽2结构加工为45°斜槽，底部倒圆避免应力集中；脆断槽2设计手段包括常规力学分析方法、有限元分析方法；脆断槽2的设计输入为试验件转动惯量、破裂转速，并预留试验件破裂储备1.1倍的安全裕度；该发明也可用于常规轮盘强度试验中，作为试验件意外破裂情况的轴系防护措施，此种使用条件下，脆断槽2可根据试验器试验能力设计为通用结构，具体结构参数可参考表1，本尺寸仅为参考，加工前仍需进行强度校核。

表1脆断槽槽底直径与驱动轴直径之间对应关系表

本实施例的防护支座3安装于试验器舱盖底部，中间留有孔，用于驱动轴1穿过；防护支座3安装应尽可能靠近脆断槽2，并与轴承在同一侧，用于提供支反力和限制轴系径向位移；防护支座3的内孔尺寸需经过必要设计和计算，设计的手段手段包括转子动力学、冲击动力学等；防护支座3设计要求是保证阻尼器4在破裂试验后正常工作不受破坏，在正常工况下驱动轴1不碰磨防护支座3；防护支座3与驱动轴1的间隙尺寸要预留一定的安全裕度，预留过大起不到保护效果，一般为1.2倍；防护支座3材料优先选用40CiNiMoA，控制成本又能保证足够的强度和硬度；防护支座3内孔处可安装滚动轴承，破裂后可随驱动轴1一起旋转，避免直接干摩；防护支座3固定要牢固，螺栓太少、紧度不足或分布不均匀会造成螺栓孔拉伤破坏、防护支座3松动，降低防护效果。

本实施例的阻尼器4安装于防护支座3上方，竖直方向上不可移动，径向方向上有最大的工作位移；振动监测点5紧邻阻尼器4，通过系数转换，作为阻尼器4的径向位移监测；振动监测点5安装有电涡流位移传感器，为防护支座3内孔直径设计的限定参数；电涡流位移传感器与驱动轴1之间的距离≮防护支座3内孔直径设计的限定参数。

本实施例能够有效降低和避免轮盘破裂后对轴系和试验器造成的巨大破坏。本实施例提出主动防护-驱动轴1脆断槽2的设计思路和加工规格以及被动防护-防护支座3的尺寸设计和安装位置，应用该方法设计加工的脆断槽2和防护装置，可以实现轮盘破裂瞬间，轴系上方基本无径向变形，在巨大的不平衡量冲击下轴系从脆断槽2处断裂，避免冲击能量和振动向上传递，保护阻尼器4和驱动系统免遭破坏。大幅度降低轮盘破裂试验的成本，缩短试验器损坏后恢复周期，提升轮盘破裂试验效率。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种轮盘破裂实验用轴系防护方法，其特征在于，应用所述轴系防护方法的轴系包括驱动轴、防护支座、阻尼器以及振动监测点；

所述防护支座上开设留有便于驱动轴穿过的内孔；

所述驱动轴的一端与所述破裂实验的动力装置连接；所述驱动轴穿过所述内孔，并与所述内孔之间设置有间隙；所述驱动轴的另一端连接用于安装所述轮盘的法兰；

所述振动监测点设置在所述驱动轴上；所述振动监测点便于外部设备执行对所述轮盘的振动监控；

所述阻尼器的基座与所述防护支座相对固定设置，作用于所述驱动轴，用于限定所述振动监测点沿所述驱动轴的径向的位移量，避免所述振动监测点超出实验最大径向位移范围；

所述轴系防护方法还包括：在所述驱动轴的强度储备最低的位置开设脆断槽。

2.根据权利要求1所述的轮盘破裂实验用轴系防护方法，其特征在于，所述防护支座基于所述轮盘的转动惯量和破裂转速、所述阻尼器的等效阻尼和刚度、所述振动监测点的最大径向位移以及所述轴系的支撑方式和刚度进行设计；所述防护支座用于保证所述轮盘发生破裂或所述脆断槽断裂时保护所述阻尼器免受冲击伤害。

3.根据权利要求2所述的轮盘破裂实验用轴系防护方法，其特征在于，所述间隙大于当所述振动监测点到达最大径向位移时，所述驱动轴在所述间隙处的最大径向位移。

4.根据权利要求3所述的轮盘破裂实验用轴系防护方法，其特征在于，所述间隙不大于当所述振动监测点到达最大径向位移时，所述驱动轴在所述间隙处的最大径向位移的1.2倍。

5.根据权利要求1所述的轮盘破裂实验用轴系防护方法，其特征在于，所述阻尼器设置在所述防护支座与所述动力装置之间靠近所述防护支座的一方。

6.根据权利要求5所述的轮盘破裂实验用轴系防护方法，其特征在于，所述脆断槽设置在所述防护支座与所述法兰之间靠近所述法兰处。

7.根据权利要求6所述的轮盘破裂实验用轴系防护方法，其特征在于，所述脆断槽为环形槽。

8.根据权利要求7所述的轮盘破裂实验用轴系防护方法，其特征在于，所述脆断槽为45°斜槽，底部为倒圆状，倒圆状底部的表面粗糙度≯0.4。

9.根据权利要求1所述的轮盘破裂实验用轴系防护方法，其特征在于，所述防护支座的材质为40CiNiMoA。

10.根据权利要求4所述的轮盘破裂实验用轴系防护方法，其特征在于，所述防护支座的固定力矩不小于80N.m。

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