CN215677486U - 旋转激振试验工装 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种旋转激振试验工装，用于带冠预扭叶片，其中，轮盘设置成可被驱动而旋转，多个扇段叶冠分布在轮盘的外周侧，其中，每个扇段叶冠为沿同一环向延伸的环形节段形状，并且相邻的两个扇段叶冠在环向上相对的侧端面之间具有环向间隙，多个连接段中的每个连接段连接在对应的扇段叶冠的径向内表面和轮盘的外周面之间，并且，轮盘的外周面在对应每个环向间隙的位置均设置有榫槽，用于与试验叶片的叶根配合而安装试验叶片，试验叶片的叶冠放置于与榫槽对应的环向间隙中，而被环向间隙两侧的侧端面挤压。上述旋转激振试验工装可以更好地模拟带冠预扭叶片的实际工作状态。

Description

旋转激振试验工装

技术领域

本实用新型涉及一种旋转激振试验工装，可以用于带冠预扭叶片。

背景技术

轴流式压气机、涡轮广泛应用于航空发动机、燃气轮机、蒸汽轮机、风力发电机等能源工业领域，其功能是在旋转状态下将气体内能转化为机械能。与气体交换能量的结构均为叶片，且叶片在高温高压环境中工作。为提高叶片将气体能量转化为机械能的效率，涡轮叶片多采用带冠预扭叶片，叶片形成整圈结构，同时提升叶片的刚度。为保证设计叶片的有效性，需开展叶片的试验分析和验证，但带冠预扭叶片在试验过程很难考虑叶片扭转刚度和旋转状态对叶片试验结果的影响。

目前对带冠预扭叶片的试验装置及方法中，多采用单叶片或成组叶片无旋转试验装置及方法。但带冠预扭叶片在实际工作过程中通过预扭作用形成整圈结构，通过旋转将能量转化，叶片的扭转刚度和旋转后产生的离心载荷对叶片的影响较大，不能忽略。但考虑叶片预扭和旋转的试验分析难度较大，而且叶片工作转速高，工作环境恶劣，试验很难模拟叶片实际工作状态及环境。

因而，需要一种旋转激振试验工装，可以考虑叶片的预扭和旋转作用，从而更好地模拟带冠预扭叶片的实际工作状态。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种旋转激振试验工装，可以更好地模拟带冠预扭叶片的实际工作状态。

本实用新型提供一种旋转激振试验工装，用于带冠预扭叶片，其中，轮盘设置成可被驱动而旋转，多个扇段叶冠分布在所述轮盘的外周侧，其中，每个扇段叶冠为沿同一环向延伸的环形节段形状，并且相邻的两个扇段叶冠在环向上相对的侧端面之间具有环向间隙，多个连接段中的每个连接段连接在对应的扇段叶冠的径向内表面和所述轮盘的外周面之间，并且，所述轮盘的外周面在对应每个环向间隙的位置均设置有榫槽，用于与试验叶片的叶根配合而安装所述试验叶片，所述试验叶片的叶冠放置于与所述榫槽对应的环向间隙中，而被所述环向间隙两侧的所述侧端面挤压。

在一个实施方式中，每个连接段包括沿环向间隔开且各自沿径向延伸的多个支柱。

在一个实施方式中，每个连接段的所述多个支柱沿环向均匀分布。

在一个实施方式中，同一连接段的相邻两个支柱之间具有第一环向间隔，分属于不同连接段且相邻的两个支柱之间具有第二环向间隔，所述第二环向间隔大于所述第一环向间隔。

在一个实施方式中，所述轮盘连接有封严片，用于限制所述试验叶片的轴向移动。

在一个实施方式中，所述封严片贴靠所述轮盘的轴向端面而与所述轮盘连接，借此封挡所述榫槽的槽端侧。

在一个实施方式中，所述封严片为扇环形状。

在一个实施方式中，所述多个扇段叶冠彼此相同，且沿环向均匀分布。

在一个实施方式中，所述多个扇段叶冠为偶数个扇段叶冠。

在一个实施方式中，所述扇段叶冠的所述侧端面是台阶面，借此，与所述试验叶片的叶冠的挤压面适配。

上述旋转试验工装，通过转接段将轮盘和扇段叶冠连接，多个扇段叶冠形成整圈结构，在整圈结构状态下，试验叶片通过榫槽与轮盘连接，可以传递转速载荷，同时，试验叶片的叶冠可以由相邻扇段叶冠挤压，而提供预扭载荷。因此，上述旋转激振试验工装可以同时考虑叶片的预扭和旋转作用，更好地模拟带冠预扭叶片的实际工作状态，从而获得更准确的试验数据。例如，采用上述旋转试验工装可以在旋转状态下对带冠预扭叶片进行旋转激振，考虑到叶片预扭刚度和转速对振动相应的影响，更准确地测量带冠预扭叶片的振动响应。

上述旋转试验工装中，可以通过调整扇段叶冠或转接段等的构型或分布，可以改变预扭载荷，还可以改变整圈结构的刚度，因而可以适应不同的试验要求。

附图说明

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是示例性旋转激振试验工装的示意图。

图2是示出示例性旋转激振试验工装装配有试验叶片的示意图。

图3是示例性旋转激振试验工装在榫槽处的局部放大图。

图4是示例性旋转激振试验工装在环向间隙处的局部放大图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本实用新型作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施方式的内容限制本实用新型的保护范围。

例如，在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一特征和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一特征和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一特征和第二特征之间可以不直接联系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一元件和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一元件和第二元件间接地相连或彼此结合。

如前面提及的，目前带冠预扭叶片的振动试验方法中多是单叶片状态，无法考虑带冠叶片扭转刚度和旋转转速对振动特性的影响，一般采用通过静拉压的方式补偿转速的影响，并依据试验结果开展叶片的高周疲劳设计分析工作。针对叶片预扭和转速影响较大的设计结果中，叶片的振动设计结果将存在很大的偏差，从而增加了高周疲劳失效的风险，一旦叶片出现疲劳失效等问题，将带来难以预估的影响和损失。

本实用新型提供的旋转激振试验工装10的整体示例构造如图1和图2所示，其中，图1中未示出试验叶片20，而图2中示出的旋转激振试验工装10中装有试验叶片20。旋转激振试验工装10可以用于带冠预扭叶片。其中，试验叶片20即是带冠预扭叶片，具有叶根201和叶冠202，叶根201也可以称之为榫头，如图2所示。需要理解，附图均仅作为示例，并非按照等比例的条件绘制，不应该以此作为对本实用新型实际要求的保护范围构成限制。

旋转激振试验工装10包括轮盘1、多个扇段叶冠2和多个连接段3。可以理解，文中的“多个”意指两个以上，包括两个、三个、四个、五个等。

轮盘1设置成可被驱动而旋转。例如，轮盘1可以通过转接段结构，连接到旋转激振试验器，由旋转激振试验器提供驱动力带动轮盘1旋转。在一个实施方式中，轮盘1可以由旋转电机驱动而旋转，例如，旋转电机的输出轴插入轮盘1的中心孔11中而与轮盘1固接，从而带动轮盘1旋转。试验中可以设计不同的转接段结构，例如通过螺栓或焊接而与轮盘1连接，实现不同旋转激振试验器的连接。轮盘1可以采用实心或空心盘，可以模拟工作状态下的轮盘，因而也可以称之为模拟盘。

可以理解，文中使用特定词语来描述本实用新型的实施方式，如“一个实施方式”、“另一实施方式”和/或“一些实施方式”意指与本实用新型至少一个实施方式相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一个实施方式”或“另一实施方式”并不一定是指同一实施方式。此外，本实用新型的一个或多个实施方式中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

多个扇段叶冠2分布在轮盘1的外周侧。其中，每个扇段叶冠2为沿同一环向C0延伸的环形节段形状，并且相邻的两个扇段叶冠2(例如，图1和图2中的扇段叶冠2a、2b)在环向C0上相对的侧端面21(例如，图1和图2中的扇段叶冠2a、2b各自的侧端面21a、21b)之间具有环向间隙G0。可以理解，对于圆环而言，环向C0包括沿着半径不同的圆圈延伸的各个圆环方向，“每个扇段叶冠2为沿同一环向C0延伸的环形节段形状”意指，构成扇段叶冠2的每个环形节段均大体沿着半径相同的圆圈延伸，各自构成这一圆环的一部分，从而可以围成一圈，仅在环向间隙G0的对应位置断开。图1和图2中示出了四个扇段叶冠2。

每个连接段3连接在对应的扇段叶冠2的径向内表面22和轮盘1的外周面12之间。也即，连接段3与扇段叶冠2对应设置，从而扇段叶冠2连接至轮盘1。在一个实施方式中，轮盘1与连接段3可以单独加工，连接段3例如可以通过焊接或榫接的方式进行连接。扇段叶冠2也可以单独加工，扇段叶冠2例如通过焊接的方式与连接段3连接。

图示实施方式中，每个连接段3可以包括沿环向C0间隔开且各自沿径向R0延伸的多个支柱4。进一步，图示实施方式中，每个连接段3的多个支柱4沿环向C0均匀分布。需要理解，“每个连接段3的多个支柱4沿环向C0均匀分布”意指，属于同一连接段3的相邻支柱4之间沿环向C0的间隔相同，而并不要求分属于不同连接段3的相邻支柱4之间沿环向C0的间隔也与之相同。图示实施方式中，同一连接段3的相邻两个支柱4之间具有第一环向间隔，图2中示出了，属于同一连接段3a的相邻两个支柱4a之间沿环向C0具有间隔Sa，作为第一环向间隔的示例。分属于不同连接段3且相邻的两个支柱4之间具有第二环向间隔，图2中还示出了，分别属于连接段3a、3b且相邻的两个支柱4a、4b之间沿环向C0具有间隔Sba，作为第二环向间隔的示例。其中，作为第二环向间隔示例的间隔Sba可以大于作为第一环向间隔示例的间隔Sa，也即，第二环向间隔可以大于第一环向间隔。

需要理解，文中使用“第一”、“第二”等词语来限定特征，仅仅是为了便于对相应特征进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

多个支柱4例如也可以单独加工，图中每个连接段3对应三个支柱4，也即，三个支柱4对应一个扇段叶冠2。每个扇段叶冠2可以沿着环向C0具有中心面，该中心面沿径向且与环向C0垂直，每个连接段3的多个支柱4可以在环向C0上相对于该中心面对称分布。其中沿环向C0间隔设置的支柱4可以对实际工况下沿周向分布的叶片进行一定程度的模拟，因而也可以称之为模拟叶片。支柱4的横截面可以是如图所示的矩形，也可以是方形、圆形或其它形状。

轮盘1的外周面12在对应每个环向间隙G0的位置P0均设置有榫槽13，用于与试验叶片20的叶根201配合而安装试验叶片20。试验叶片20的叶冠202放置于与榫槽13对应的环向间隙G0中，而被环向间隙G0两侧的侧端面21a、21b挤压。在轮1上例如可以通过拉削、铣、线切割的方式来形成榫槽13，试验叶片20可以通过榫槽13而与轮盘1连接。

上述旋转激振试验工装10中，通过连接段3将扇段叶冠2和轮盘1连接，并且使得扇段叶冠2围成一圈而通过彼此之间的环向间隙G0来放置试验叶片20的叶冠20，试验叶片20可以通过叶根201与榫槽13配合而安装于轮盘1，叶冠202则可以由相邻两个扇段叶冠2相对的侧端面21挤压。这可以在试验过程中考虑叶片扭转刚度、转速等对振动响应的影响，从而获得带冠预扭叶片在接近实际工作状态下的振动响应特性。上述旋转激振试验工装10的构造简单，可以获得准确的带冠预扭叶片的振动特性。

上述旋转激振试验工装10中，可以通过调整连接段3特别是其支柱4的构型，调整整圈结构的刚度。其中，通过扇段叶冠2限制试验叶片20的周向位移，并提供试验叶片20的预扭载荷，可以调整扇段叶冠2的作为挤压面的侧端面21a、21b的法向角度，实现不同预扭载荷的施加。在转速变化过程中，试验叶片20的预扭角度随转速是变化的，可以模拟叶片实际工作状态。对不同构型的带冠预扭叶片，可以通过调整扇段叶冠2及其侧端面21a、21b以及连接段3及其支柱4，可以实现对不同带冠预扭叶片构型的适应性。

总体上，采用上述旋转激振试验工装10，可以在考虑预扭、转速的状态下，开展带冠预扭叶片的振动响应试验，获得带冠预扭叶片在接近实际工作状态下的振动响应特性，用于叶片高周疲劳设计，还可用于考虑带冠预扭叶片的疲劳寿命等旋转试验分析。

图示实施方式中，多个扇段叶冠2可以彼此相同，且沿环向C0均匀分布。前面提及的多个连接段3也可以彼此相同，连接段3的各支柱4也可以彼此相同。这样，各个部件之间可以具有互换性，也方便制造。在一个实施方式中，多个扇段叶冠2中，相对于盘心O1中心对称的两个扇段叶冠2彼此相同，而这两个扇段叶冠2可以与其它扇段叶冠2不同。

图示实施方式中，轮盘1可以连接有封严片5，用于限制试验叶片20的轴向移动。图中，封严片3可以贴靠轮盘1的轴向端面15而与轮盘1连接，借此封挡榫槽13的槽端侧。轮盘1的轴向端面15也即轮盘1在轴向X0上的端面。图中，榫槽13可以沿着轴向X0延伸贯穿轮盘1，从而在沿着轴向X0的两端具有开放的槽端，封严片3例如可以单独加工，通过焊接、螺栓或卡槽等与轮盘1连接，封严片3可以封挡住榫槽13的槽端侧，从而防止试验叶片20沿轴向X0移动。在一个实施方式中，试验叶片20的下缘板可以具有卡槽结构，封严片3的位于径向外侧的片部可以插入该卡槽结构中，从而限制试验叶片20的轴向移动，此时，设计封严片3时需要考虑与叶片下缘板卡槽结构的配合。在另一实施方式中，可以在轮盘1的两个轴向端面15处分别设置封严片5，从而封挡榫槽13的两个槽端侧，进而限制试验叶片20的轴向移动。封严片5特别可以防止旋转过程中试验叶片20滑出。

图示实施方式中，封严片5可以为扇环形状。如图1所示，构成封严片5的扇环形状可以以轮盘1的盘心O1为圆心，外边缘突出于轮盘1的外周面12，从而可以起到封挡作用，沿环向C0的两侧端大体与两个支柱4a、4b在环向C0上相对的两个侧面一致，两个支柱4a、4b是分属于不同连接段3的相邻两个支柱4。封严片5的结构形式可以采用条状或板状。

图1和图2中，如前所述，旋转激振试验工装10中设置有四个扇段叶冠2。在优选的实施方式中，旋转激振试验工装10的前述多个扇段叶冠2可以为偶数个扇段叶冠2。这样，整圈可以放置偶数个试验叶片20，且周向位置可以对称分布。整圈也可以放置偶数个支柱4，支柱4沿环向C0也可以对称分布。

图3局部放大地示出了与环向间隙G0对应的榫槽13，而图4局部放大地示出了环向间隙G0。结合图3和图4，扇段叶冠2的侧端面21a、21b是台阶面，借此，与试验叶片20的叶冠202的挤压面适配。以侧端面21a为例，侧端面21a包括第一面211a和第二面213a，第一面211a和第二面212a在环向C0上间隔开而大体平行，在轴向X0上大体接续，通过大体沿环向C0延伸的连接面213a连接。

上述旋转激振试验工装20中，轮盘1、扇段叶冠2、转接段3、封严片5等的材料可以采用与试验叶片20工作中轮盘、叶片、封严片一致材料，或者采用其他相近材料，可以满足试验目的，这样获得的试验结果更加准确。

上述旋转激振试验工装20中，同真实的叶片那样，形成整圈结构，通过整圈结构对试验叶片20施加预扭载荷，可以考虑叶片扭转刚度的影响。试验叶片20装配在该工装结构中，具体地，通过轮盘1上的榫槽13与轮盘1连接，在轮盘1转动的情况下，对叶片施加转速载荷，试验叶片20的叶冠202与扇段叶冠2配合，扇段叶冠2两侧的侧端面21a、21b与试验叶片20的叶冠202的挤压面接触，从而通过整圈结构使叶片形成预扭。还在叶片与榫槽配合面位置设置封严片5，防止转动过程中叶片滑出。

实际操作时，上述旋转激振试验工装可以与旋转试验器连接，在旋转试验器上垂直叶片旋转平面放置喷嘴，在旋转状态下通过对旋转叶片施加不同频率和大小的激振载荷，测量叶片的振动响应，获得叶片的振动响应特性。

下面将描述进行旋转激振试验时的示例操作。确定好带冠预扭叶片作为试验叶片。确定叶片在装配状态的预扭角度、工作转速与温度、叶冠及榫头参数等。确定轮盘榫槽、扇段叶冠、支柱构型。装配试验叶片、扇段叶冠和支柱到轮盘上，形成整圈结构，这一过程中获得上述旋转激振试验工装。在试验叶片、轮盘上布置应变片或传感器。通过转接段连接试验件至旋转台，调整激励载荷，在旋转状态对叶片施加激励，测量叶片的振动响应。然后，判断振动响应数据是否有效，如果结论为是，则获得叶片振动及响应特性，如果结论为否，则调整激振频率及载荷，修正响应数据，回到前述施加激励的步骤，重新测量。

上述旋转激振试验工装是一种随转速可变预扭的旋转工装结构，其中，轮盘上可依据试验叶片的构型，开设不同的榫槽结构，通过封严片或封严环防止叶片轴向滑出，封严片例如可通过轮盘上的槽或螺栓实现与轮盘的连接。扇段叶冠的侧端面可以结构上与带冠预扭叶片一致，装配后可形成整圈结构，从而考虑叶片预扭，并且可以设计不同扇段叶冠、连接段的刚度，模拟真实叶片的影响。在旋转状态下对旋转激振试验工装和带冠预扭叶片施加激振载荷，如油激励或气体激励，测量不同激励下的叶片振动响应，预测带冠预扭叶片的振动特性，例如，可以在考虑高温的环境下开展。

采用上述旋转激振试验工装时，可以考虑可调预扭、扭转角度变化及旋转激振的影响，可以用于考虑可变扭转刚度下的叶片的强度疲劳试验分析，并且可以用于不同的带冠预扭叶片的振动响应试验分析。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋转激振试验工装，用于带冠预扭叶片，其特征在于，包括：

轮盘，设置成可被驱动而旋转；

多个扇段叶冠，分布在所述轮盘的外周侧，其中，每个扇段叶冠为沿同一环向延伸的环形节段形状，并且相邻的两个扇段叶冠在环向上相对的侧端面之间具有环向间隙；和

多个连接段，每个连接段连接在对应的扇段叶冠的径向内表面和所述轮盘的外周面之间；并且

所述轮盘的外周面在对应每个环向间隙的位置均设置有榫槽，用于与试验叶片的叶根配合而安装所述试验叶片，所述试验叶片的叶冠放置于与所述榫槽对应的环向间隙中，而被所述环向间隙两侧的所述侧端面挤压。

2.如权利要求1所述的旋转激振试验工装，其特征在于，

每个连接段包括沿环向间隔开且各自沿径向延伸的多个支柱。

3.如权利要求2所述的旋转激振试验工装，其特征在于，

每个连接段的所述多个支柱沿环向均匀分布。

4.如权利要求3所述的旋转激振试验工装，其特征在于，

同一连接段的相邻两个支柱之间具有第一环向间隔，分属于不同连接段且相邻的两个支柱之间具有第二环向间隔，所述第二环向间隔大于所述第一环向间隔。

5.如权利要求1所述的旋转激振试验工装，其特征在于，

所述轮盘连接有封严片，用于限制所述试验叶片的轴向移动。

6.如权利要求5所述的旋转激振试验工装，其特征在于，

所述封严片贴靠所述轮盘的轴向端面而与所述轮盘连接，借此封挡所述榫槽的槽端侧。

7.如权利要求5所述的旋转激振试验工装，其特征在于，

所述封严片为扇环形状。

8.如权利要求1所述的旋转激振试验工装，其特征在于，

所述多个扇段叶冠彼此相同，且沿环向均匀分布。

9.如权利要求8所述的旋转激振试验工装，其特征在于，

所述多个扇段叶冠为偶数个扇段叶冠。

10.如权利要求1所述的旋转激振试验工装，其特征在于，

所述扇段叶冠的所述侧端面是台阶面，借此，与所述试验叶片的叶冠的挤压面适配。

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