CN116413033A - 一种发动机高压涡轮机匣包容试验结构 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机设计领域，为一种发动机高压涡轮机匣包容试验结构，包括第一试验器上盖、高压涡轮机匣、第一转接轴、试验转子和传动机构；机匣防护机构包括机匣转接板和模拟对开机匣，传动机构包括驱动轴组件和第一转接轴，高压涡轮机匣通过机匣转接板和模拟对开机匣固定到第一试验器上盖上，在内部能够形成较大的空腔结构，从而能够同时具备高压涡轮转子试验能力和包容试验的能力。该举措实现了具备开展高压涡轮机匣包容试验的能力，解决了从无到有的技术问题；通过设置模拟对开机匣，两部分模拟对开机匣能够分开安装，具有安装简便、灵活的特点，可以在安装高压涡轮机匣后再对其进行安装，能够为高压涡轮机匣提供相对自由的上升空间。

Description

一种发动机高压涡轮机匣包容试验结构

技术领域

本申请属于航空发动机设计领域，特别涉及一种发动机高压涡轮机匣包容试验结构。

背景技术

高压涡轮转子是航空发动机工况最恶劣的部件，需要承受高温、高压、高转速的严苛环境，长此以往高压涡轮叶片容易在高转速情况下离心飞断，如果叶片飞断后不被机匣包容，那么高能碎片可能击穿舱体，使发动机严重损坏，甚至造成机毁人亡的空难。为此，在发动机适航取证前研究高压涡轮机匣包容试验是非常必要的。

目前，尚未针对高压涡轮转子开展包容试验，主要是围绕高压涡轮转子超转、破裂和低循环疲劳试验展开研究，这些试验都在转子试验器上进行，现有技术的转子试验结构如图1所示。包括第二试验器上盖26、转子试验器驱动轴27、驱动轴箍套28、驱动轴销29、驱动轴法兰30、第二转接轴31和高压涡轮试验件32。进行转子试验时，转子试验器驱动轴27带动驱动轴法兰30，驱动轴法兰30带动第二转接轴31，第二转接轴31带动高压涡轮试验件32进行旋转，其中，驱动轴箍套28、驱动轴销29起到紧固转子试验器驱动轴27与驱动轴法兰30的作用。

在其它转子强度部件试验中，涉及到机匣固定问题时，需要在试验器上盖开很多螺纹孔，用螺栓通过转接固定机匣，试验器上盖螺纹孔损伤形貌现状如图2所示。

现有技术方案的缺点主要有以下几个方面：

1、技术方面

现有技术下的高压涡轮转子试验结构可以用于超转、破裂、损伤容限及低循环疲劳试验，高压涡轮转子尚未开展机匣包容试验，转子试验器不具备安装高压涡轮机匣进行包容试验的能力。在超转、破裂、损伤容限及低循环疲劳试验中不需安装机匣，而包容试验需要安装机匣。

由于转子试验器的驱动轴是较长柔性轴，受转子动力学特性影响试验器下高压涡轮转子启动阶段会产生径向位移，当叶片与机匣的间隙小于径向位移时，会造成涡轮叶片与机匣刮蹭，对试验转子造成破坏。

由于现有转子试验器限制，安装时高压涡轮转子在试验器轴向长度上需要有一定的上升回旋距离，安装机匣后，在转子上升阶段容易使叶片碰到机匣，造成碰摩，损坏叶片或者机匣结构，往往需要将机匣内部的零件拆除，从而增大轴向安装空间距离，这可能造成叶片不被机匣包容。

2、成本方面

在现有高压涡轮转子试验结构下，若进行包容试验，当涡轮叶片飞断时，会引起非常大的不平衡力，在其作用下转子轴系、阻尼器、齿轮箱会产生严重损坏，甚至造成驱动轴断裂，使高压涡轮转子跌落，不仅对试验设备还是对航空发动机转子都会造成巨大的经济损失。破坏后再次维修试验器时也需要投入大量的资金。

此外，固定机匣用的大量螺纹孔也给试验器上盖造成了严重损伤。

3、效率方面

现有技术的转接轴和高压涡轮盘装配结构空间狭小，如图3所示，其固定销33难以安装，给装配带来了很大困难，影响装配效率。

现有技术的高压涡轮试验转子平衡结构只包含高压涡轮试验件32和第二转接轴31，平衡时需要借助辅助功能轴34进行，通过支点①、②实现平衡，如图4所示，在这过程中驱动轴组件不进行平衡，驱动轴组件的平衡状态未知，无法实现高压涡轮转子轴系一体化平衡，高压涡轮转子安装完后需要开车检查转子的平衡状态，如果试运转过程中转子振动过大，那么需要停车下台重新平衡，影响试验效率。

因此，如何提高发动机高压涡轮机匣包括试验的效率、减少成本、减少高压涡轮转子与机匣之间的碰磨是一个需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供了一种发动机高压涡轮机匣包容试验结构，以解决现有技术中高压涡轮转子与机匣之间容易产生碰磨，同时试验效率低、成本高的问题。

本申请的技术方案是：一种发动机高压涡轮机匣包容试验结构，包括第一试验器上盖、高压涡轮机匣、第一转接轴、试验转子和传动机构；所述第一试验转子上盖和高压涡轮机匣之间连接有机匣防护结构，所述传动机构连接于第一试验器上盖中部与第一转接轴之间并且传动机构用于带动第一转接轴转动，所述传动机构设于机匣防护机构内侧，所述试验转子连接于第一转接轴上；

所述机匣防护机构包括机匣转接板和模拟对开机匣，所述机匣转接板可拆卸连接于第一试验器上盖上，所述模拟对开机匣共有两组并且对开设置，所述模拟对开机匣顶端与机匣转接板螺栓连接、下端与高压涡轮机匣螺栓连接，所述机匣转接板、模拟对开机匣、高压涡轮机匣和试验转子之间形成防护腔，所述传动机构和第一转接轴均设于防护腔内；

所述传动机构包括驱动轴组件和第一转接轴，所述驱动轴组件和第一转接轴均与高压涡轮机匣同轴设置，所述驱动轴组件上端与第一试验器上盖转动连接、下端与试验轴组件可拆卸连接，所述试验轴与试验转子之间通过螺栓连接。

优选地，所述驱动轴组件外侧同轴设置有锥形防护筒，所述锥形防护筒的直径从上至下逐渐减小，所述锥形防护筒的上端通过第一螺栓与机匣转接板相连、下端与驱动轴组件上的驱动轴箍套之间具有1mm间隙。

优选地，所述驱动轴组件与第一转接轴之间通过第二螺栓连接，所述锥形防护筒的外侧设有防护座和防护板；所述防护座上端与机匣转接板之间通过第三螺栓连接、下端与防护板之间通过第四螺栓连接，所述防护板的内侧通过第二螺栓与第一转接轴相连。

优选地，所述锥形防护筒上端部沿周向边缘位置间隔均匀开设有6个限位槽；所述防护座共有6组并且6组防护座分别设于6个限位槽内，形成开口环形结构；所述防护板为对开结构。

优选地，所述机匣转接板上同轴设置有内环凸台和外环凸台，所述内环凸台与锥形防护筒和防护座相连，所述外环凸台与模拟对开机匣相连，所述外环凸台的轴向长度大于内环凸台的轴向长度；所述模拟对开机匣的两端均设有法兰，所述模拟对开机匣通过在法兰上拧紧自锁螺母分别与机匣转接板和高压涡轮机匣螺纹连接。

优选地，所述第一试验器上盖沿周向开设有4个螺孔，所述4个螺孔内均设有与机匣转接板相连的固定螺栓，所述固定螺栓为阶梯型结构并且固定螺栓从头部至末端的阶梯直径逐渐减小，所述固定螺栓的末端上螺纹连接有固定螺母；所述机匣转接板对应固定螺栓内侧的位置处与第一试验器上盖之间还连接有第五螺栓。

优选地，所述第一转接轴上同轴设置有第一法兰和第二法兰，所述第一法兰与驱动轴组件螺栓连接，所述第二法兰与试验转子通过销钉连接，所述第一法兰的最大半径小于第二法兰轴线至第二法兰上销钉孔最内沿的直线距离，所述第一法兰与第二法兰之间具有间隔。

优选地，所述第一转接轴上设置两个平衡支点：第一平衡支点和第二平衡支点，所述第一平衡支点位于驱动轴组件的驱动轴箍套中部，所述第二平衡支点设于第一转接轴上远离试验转子的一端。

本申请的一种发动机高压涡轮机匣包容试验结构，包括第一试验器上盖、高压涡轮机匣、第一转接轴、试验转子和传动机构；机匣防护机构包括机匣转接板和模拟对开机匣，传动机构包括驱动轴组件和第一转接轴，高压涡轮机匣通过机匣转接板和模拟对开机匣固定到第一试验器上盖上，在内部能够形成较大的空腔结构，从而能够同时具备高压涡轮转子试验能力和包容试验的能力。该举措实现了具备开展高压涡轮机匣包容试验的能力，解决了从无到有的技术问题；通过设置模拟对开机匣，两部分模拟对开机匣能够分开安装，具有安装简便、灵活的特点，可以在安装高压涡轮机匣后再对其进行安装，能够为高压涡轮机匣提供相对自由的上升空间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为背景技术中转子试验结构示意图；

图2为背景技术中试验器上盖螺纹孔损伤现状示意图；

图3为背景技术中转接轴和高压涡轮盘装配结构示意图；

图4为背景技术中高压涡轮试验转子平衡结构示意图；

图5为本申请整体结构示意图；

图6为本申请锥形防护筒俯视图；

图7为本申请机匣转接板结构示意图；

图8为本申请模拟对开机匣剖视结构示意图；

图9为本申请防护座剖视结构示意图；

图10为本申请防护板结构示意图；

图11为本申请第一转接轴剖视结构示意图；

图12为本申请试验转子平衡结构示意图。

1、固定螺栓；2、第五螺栓；3、第三螺栓；4、锥形防护筒；5、第一试验器上盖；6、机匣转接板；7、模拟对开机匣；8、第一螺栓；9、高压涡轮机匣；10、第四螺栓；11、试验转子；12、驱动轴组件；13、第一转接轴；14、第二螺栓；15、防护板；16、防护座；17、第六螺栓；18、固定螺母；19、限位槽；20、内环凸台；21、外环凸台；22、第一法兰；23、第二法兰；24、第一平衡支点；25、第二平衡支点；26、第二试验器上盖；27、转子试验器驱动轴；28、驱动轴箍套；29、驱动轴销；30、驱动轴法兰；31、第二转接轴；32、高压涡轮试验件；33、固定销；34、辅助功能轴。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

一种发动机高压涡轮机匣包容试验结构，如图5所示，包括第一试验器上盖5、高压涡轮机匣9、第一转接轴13、试验转子11和传动机构；第一试验转子11上盖和高压涡轮机匣9之间连接有机匣防护结构，传动机构连接于第一试验器上盖5中部与第一转接轴13之间并且传动机构用于带动第一转接轴13转动，传动机构设于机匣防护机构内侧，试验转子11连接于第一转接轴13上。

机匣防护机构包括机匣转接板6和模拟对开机匣7，机匣转接板6可拆卸连接于第一试验器上盖5上，模拟对开机匣7共有两组并且对开设置，模拟对开机匣7顶端与机匣转接板6螺栓连接、下端与高压涡轮机匣9通过第六螺栓17相连，机匣转接板6、模拟对开机匣7、高压涡轮机匣9和试验转子11之间形成防护腔，传动机构和第一转接轴13均设于防护腔内。

传动机构包括驱动轴组件12和第一转接轴13，驱动轴组件12和第一转接轴13均与高压涡轮机匣9同轴设置，驱动轴组件12上端与第一试验器上盖5转动连接、下端与试验轴组件通过销钉连接，试验轴与试验转子11之间通过螺栓连接。

由于现有转子试验器限制，安装时高压涡轮转子在试验器轴向长度上需要有一定的上升回旋距离，安装机匣后，在转子上升阶段容易使叶片碰到机匣，造成碰摩，损坏叶片或者机匣结构，往往需要将机匣内部的零件拆除，从而增大轴向安装空间距离，这可能造成叶片不被机匣包容。

而本申请的高压涡轮机匣9通过机匣转接板6和模拟对开机匣7固定到第一试验器上盖5上，在内部能够形成较大的空腔结构，从而能够同时具备高压涡轮转子试验能力和包容试验的能力。该举措实现了具备开展高压涡轮机匣9包容试验的能力，解决了从无到有的技术问题。

通过设置模拟对开机匣7，两部分模拟对开机匣7能够分开安装，具有安装简便、灵活的特点，可以在安装高压涡轮机匣9后再对其进行安装，能够为高压涡轮机匣9提供相对自由的上升空间，该空间便于高压涡轮机匣9向上移动，而不与高压涡轮机匣9发生碰撞，避免试验转子11损伤。

驱动轴组件12包括转子试验器驱动轴27、驱动轴箍套28、驱动轴销29和驱动轴法兰30等结构，按照现有连接结构进行装配，具体不再赘述。

结合图6，优选地，驱动轴组件12外侧同轴设置有锥形防护筒4，锥形防护筒4的直径从上至下逐渐减小，锥形防护筒4的上端通过第一螺栓8与机匣转接板6相连、下端与驱动轴组件12上的驱动轴箍套28之间具有1mm间隙。

锥形防护筒4的设置能够限制高压涡轮转子在启动阶段的径向位移，在高压涡轮转子启动时，如果驱动轴箍套28与锥形防护套相抵，则在锥形防护套的限位下无法进一步向外移动，这样试验转子11的径向偏移同样得到限制，从而有效避免试验转子11与高压涡轮机匣9发生碰磨，保证试验转子11不发生损坏。

结合图7-8，优选地，机匣转接板6上同轴设置有内环凸台20和外环凸台21，内环凸台20与锥形防护筒4和防护座16相连，外环凸台21与模拟对开机匣7相连，外环凸台21的轴向长度大于内环凸台20的轴向长度；模拟对开机匣7的两端均设有法兰，模拟对开机匣7通过在法兰上拧紧自锁螺母分别与机匣转接板6和高压涡轮机匣9螺纹连接。机匣转接板6上设置的内环凸台20和外环凸台21对锥形防护筒4、防护座16和模拟对开机匣7进行定位和限位，有效保障高压涡轮机匣9的安装位置要求。通过在模拟对开机匣7的两端设置法兰，用16个自锁螺母将两个对开的半圆柱壁结构固定，为高压涡轮机匣9的稳固安装提供支撑。

结合图9-10，优选地，驱动轴组件12与第一转接轴13之间通过第二螺栓14连接，锥形防护筒4的外侧设有防护座16和防护板15；防护座16上端与机匣转接板6之间通过第三螺栓3连接、下端与防护板15之间通过第四螺栓10连接，防护板15的内侧通过6个第二螺栓14与第一转接轴13相连。

现有技术下，当试验转子11上的叶片飞断时，在瞬时巨大的不平衡力作用下会使轮盘飞出、坠落，对试验转子11造成严重破坏，而本申请通过设置防护座16和防护板15，能够配合机匣转接板6和模拟对开机匣7防止试验转子11在受到巨大的冲击力是发生飞出和坠落的作用。

优选地，锥形防护筒4上端部沿周向边缘位置间隔均匀开设有6个限位槽19，如图6；防护座16共有6组并且6组防护座16分别设于6个限位槽19内，形成开口环形结构；防护板15为对开结构。通过在锥形防护筒4上开限位槽19能够对防护座16的安装预留位置，保证防护座16能够稳定装配到机匣转接板6的同时，有效节省成本和空间；通过设置对开结构的防护板15能够有效提升装配的灵活性、减少装配难度。

优选地，第一试验器上盖5沿周向开设有4个螺孔，4个螺孔内均设有与机匣转接板6相连的固定螺栓1，固定螺栓1为阶梯型结构并且固定螺栓1从头部至末端的阶梯直径逐渐减小，固定螺栓1的末端上螺纹连接有固定螺母18；机匣转接板6对应固定螺栓1内侧的位置处与第一试验器上盖5之间还连接有第五螺栓2。通过第五螺栓2对机匣转接板6进行初步的安装与定位，而后通过固定螺栓1贯穿第一试验器上盖5并与机匣转接板6相连，统一了机匣转接板6的安装接口，防止在第一试验器上盖5上大量开设螺纹孔，从而对试验器上盖造成损伤，降低了试验成本。

结合图11，优选地，第一转接轴13上同轴设置有第一法兰22和第二法兰23，第一法兰22与驱动轴组件12螺栓连接，第二法兰23与试验转子11通过销钉连接，第一法兰22的最大半径小于第二法兰23轴线至第二法兰23上销钉孔最内沿的直线距离，第一法兰22与第二法兰23之间具有间隔。通过设置第一法兰22和第二法兰23，加长了试验转子11与驱动轴组件12之间的距离，试验转子11上方具有较大的空间以保证试验转子11在试验过程中不会与其它结构发生碰撞，同时为销钉的安装提供了充足的空间，缩短了装配效率，提高了试验效率。

优选地，第一转接轴13上设置两个平衡支点：第一平衡支点24和第二平衡支点25，第一平衡支点24位于驱动轴组件12的驱动轴箍套28中部，第二平衡支点25设于第一转接轴13上远离试验转子11的一端。通过对第一转接轴13和驱动轴组件12的优化设置，将驱动轴法兰30周向半径缩小以便于装配第一转接轴13，同时不用装配辅助功能轴34，通过两个平衡支点实现高压涡轮转子一体化平衡，减小了转子轴系的初始不平衡量，平衡后该转子直接安装于转子试验器上，避免反复拆装，降低了叶片与机匣刮蹭的风险，保护试验转子11的同时提高了试验效率。

在对该包容试验结构进行装配时，先将试验转子11与第一转接轴13通过销钉连接，然后通过螺栓将第一转接轴13与驱动轴组件12相连，从而构成高压涡轮试验转子11。之后将机匣转接板6安装于第一试验器上盖5上，用4个1号螺栓和4个2号螺栓进行固定。而后安装锥形防护筒4，通过第一螺栓8将其固定于机匣转接板6上面。而后将高压涡轮机匣9与机匣转接板6连接，再将试验转子11安装于试验器上，而后通过第一螺栓8将锥形防护筒4安装到及机匣转接板6上。

将高压涡轮机匣9与机匣转接板6连接，然后将试验转子11安装于试验器上。之后将高压涡轮机匣9缓慢放下，下降至距离试验转子11轴向1cm距离，并注意在安装的过程中不碰触到试验转子11。高压涡轮机匣9安装完成后，在机匣转接板6上安装防护座16，周向6个均布；之后安装防护板15通过螺栓将其固定，最后在机匣转接板6与高压涡轮机匣9之间安装模拟对开机匣7，完成整个试验方案的安装。

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所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种发动机高压涡轮机匣包容试验结构，其特征在于：包括第一试验器上盖(5)、高压涡轮机匣(9)、第一转接轴(13)、试验转子(11)和传动机构；所述第一试验转子(11)上盖和高压涡轮机匣(9)之间连接有机匣防护结构，所述传动机构连接于第一试验器上盖(5)中部与第一转接轴(13)之间并且传动机构用于带动第一转接轴(13)转动，所述传动机构设于机匣防护机构内侧，所述试验转子(11)连接于第一转接轴(13)上；

所述机匣防护机构包括机匣转接板(6)和模拟对开机匣(7)，所述机匣转接板(6)可拆卸连接于第一试验器上盖(5)上，所述模拟对开机匣(7)共有两组并且对开设置，所述模拟对开机匣(7)顶端与机匣转接板(6)螺栓连接、下端与高压涡轮机匣(9)螺栓连接，所述机匣转接板(6)、模拟对开机匣(7)、高压涡轮机匣(9)和试验转子(11)之间形成防护腔，所述传动机构和第一转接轴(13)均设于防护腔内；

所述传动机构包括驱动轴组件(12)和第一转接轴(13)，所述驱动轴组件(12)和第一转接轴(13)均与高压涡轮机匣(9)同轴设置，所述驱动轴组件(12)上端与第一试验器上盖(5)转动连接、下端与试验轴组件可拆卸连接，所述试验轴与试验转子(11)之间通过螺栓连接。

2.如权利要求1所述的发动机高压涡轮机匣包容试验结构，其特征在于：所述驱动轴组件(12)外侧同轴设置有锥形防护筒(4)，所述锥形防护筒(4)的直径从上至下逐渐减小，所述锥形防护筒(4)的上端通过第一螺栓(8)与机匣转接板(6)相连、下端与驱动轴组件(12)上的驱动轴箍套(28)之间具有1mm间隙。

3.如权利要求2所述的发动机高压涡轮机匣包容试验结构，其特征在于：所述驱动轴组件(12)与第一转接轴(13)之间通过第二螺栓(14)连接，所述锥形防护筒(4)的外侧设有防护座(16)和防护板(15)；所述防护座(16)上端与机匣转接板(6)之间通过第三螺栓(3)连接、下端与防护板(15)之间通过第四螺栓(10)连接，所述防护板(15)的内侧通过第二螺栓(14)与第一转接轴(13)相连。

4.如权利要求3所述的发动机高压涡轮机匣包容试验结构，其特征在于：所述锥形防护筒(4)上端部沿周向边缘位置间隔均匀开设有6个限位槽(19)；所述防护座(16)共有6组并且6组防护座(16)分别设于6个限位槽(19)内，形成开口环形结构；所述防护板(15)为对开结构。

5.如权利要求3所述的发动机高压涡轮机匣包容试验结构，其特征在于：所述机匣转接板(6)上同轴设置有内环凸台(20)和外环凸台(21)，所述内环凸台(20)与锥形防护筒(4)和防护座(16)相连，所述外环凸台(21)与模拟对开机匣(7)相连，所述外环凸台(21)的轴向长度大于内环凸台(20)的轴向长度；所述模拟对开机匣(7)的两端均设有法兰，所述模拟对开机匣(7)通过在法兰上拧紧自锁螺母分别与机匣转接板(6)和高压涡轮机匣(9)螺纹连接。

6.如权利要求1所述的发动机高压涡轮机匣包容试验结构，其特征在于：所述第一试验器上盖(5)沿周向开设有4个螺孔，所述4个螺孔内均设有与机匣转接板(6)相连的固定螺栓(1)，所述固定螺栓(1)为阶梯型结构并且固定螺栓(1)从头部至末端的阶梯直径逐渐减小，所述固定螺栓(1)的末端上螺纹连接有固定螺母(18)；所述机匣转接板(6)对应固定螺栓(1)内侧的位置处与第一试验器上盖(5)之间还连接有第五螺栓(2)。

7.如权利要求1所述的发动机高压涡轮机匣包容试验结构，其特征在于：所述第一转接轴(13)上同轴设置有第一法兰(22)和第二法兰(23)，所述第一法兰(22)与驱动轴组件(12)螺栓连接，所述第二法兰(23)与试验转子(11)通过销钉连接，所述第一法兰(22)的最大半径小于第二法兰(23)轴线至第二法兰(23)上销钉孔最内沿的直线距离，所述第一法兰(22)与第二法兰(23)之间具有间隔。

8.如权利要求7所述的发动机高压涡轮机匣包容试验结构，其特征在于：所述第一转接轴(13)上设置两个平衡支点：第一平衡支点(24)和第二平衡支点(25)，所述第一平衡支点(24)位于驱动轴组件(12)的驱动轴箍套(28)中部，所述第二平衡支点(25)设于第一转接轴(13)上远离试验转子(11)的一端。

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