本實用新型涉及液體火箭發(fā)動機渦輪泵轉(zhuǎn)子高溫超速疲勞試驗領域，是一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速疲勞試驗轉(zhuǎn)接裝置，主要應用于長懸臂結(jié)構(gòu)的盤軸一體式渦輪盤超速疲勞試驗。

背景技術：

渦輪泵轉(zhuǎn)子是液體火箭發(fā)動機的動力核心，是輸送液氫液氧推進劑的關鍵組件，其運行狀態(tài)的好壞將直接影響液體火箭發(fā)動機的性能和可靠性。由于渦輪泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高、動能大，實際工作狀態(tài)受高溫、振動等多種復雜因素影響，對其進行動力學特性及振動分析十分重要。然而，仿真分析無法準確模擬渦輪泵轉(zhuǎn)子的復雜工況，普通試驗研究也難以實現(xiàn)對高溫高速狀態(tài)的模擬，因此，超速疲勞試驗對渦輪泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學特性及結(jié)構(gòu)強度可靠性研究顯得尤為重要。

超速疲勞試驗是利用高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的強大離心力，在超出旋轉(zhuǎn)構(gòu)件實際而定工作轉(zhuǎn)速1或1.25倍的試驗轉(zhuǎn)速下，對高速旋轉(zhuǎn)件預加載荷，來驗證、提高旋轉(zhuǎn)構(gòu)件工作安全可靠性的一種試驗方法，主要應用于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量控制和工作轉(zhuǎn)速的驗證、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的極限強度試驗和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的疲勞試驗等方面

由于試驗在高溫高速下進行，并且進行試驗的渦輪盤存在較大懸臂，對試驗的定位和對中要求極高，而對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制也是一個難題?，F(xiàn)有試驗裝置僅僅能滿足常溫狀態(tài)下的超速和疲勞試驗，對中精度較差，可達到試驗轉(zhuǎn)速較低，并且裝置上不具備去重帶。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型解決的技術問題為：克服現(xiàn)有技術不足，提供一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速試驗轉(zhuǎn)接裝置，為了進行液體火箭發(fā)動機渦輪泵轉(zhuǎn)子高溫超速疲勞試驗，滿足長懸臂渦輪盤的超速疲勞試驗對接要求，設計了一種轉(zhuǎn)接裝置，起到將試驗臺驅(qū)動軸與渦輪盤進行定位、對接、緊固，傳扭的作用，對中精度較高，同時考慮裝置轉(zhuǎn)動慣量的要求。該裝置材料需要滿足600℃高溫和35000r/min轉(zhuǎn)速下的強度要求，并且裝置不能因為高溫膨脹而松脫，同時要確保超速疲勞試驗件的動態(tài)穩(wěn)定性。設計時還需滿足低速動平衡去重的要求。

本實用新型解決的技術方案為：一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速疲勞試驗轉(zhuǎn)接裝置，包括：渦輪盤連接件(1)；定位塊(2)、M10內(nèi)六角螺釘(3)；C型平鍵(4)；

渦輪盤連接件(1)包括：驅(qū)動法蘭連接段(101)和懸臂渦輪盤連接段(102)；驅(qū)動法蘭連接段為中空圓柱體，懸臂渦輪盤連接段為中空圓柱體；

驅(qū)動法蘭連接段(101)的一個端面與外部的驅(qū)動軸通過法蘭連接，并通過螺釘固定，使外部驅(qū)動軸能夠帶動渦輪盤連接件(1)轉(zhuǎn)動；定位塊(2)的第一定位圓柱體(2021)與外部的驅(qū)動軸配合，實現(xiàn)渦輪盤連接件(1)和外部的驅(qū)動軸定位；驅(qū)動法蘭連接段(101)的一個端面設有一個圓柱形凹槽；

懸臂渦輪盤連接段(102)的一個端面和驅(qū)動法蘭連接段(101)的另一個端面貼合，懸臂渦輪盤連接段(102)的另一個端面設有圓柱形凹槽，且圓柱形凹槽的直徑大于懸臂渦輪盤連接段(102)的內(nèi)壁的直徑，在圓柱形凹槽內(nèi)壁上設置有兩個安裝C型平鍵(4)的矩形鍵槽，且矩形鍵槽的尺寸與C型平鍵(4)匹配；C型平鍵(4)為一端帶有弧形面的長方體，與弧形面(401)對應的一端為平面端(402)；

C型平鍵(4)的平面端(402)插入矩形鍵槽內(nèi)，弧形面(401)從矩形鍵槽伸出；兩個C型平鍵(4)伸出的弧形面(401)作為渦輪盤轉(zhuǎn)子的安裝端；

定位塊(2)為包括防止M10內(nèi)六角螺釘(3)松動段(201)和定位段(202)，防止螺釘(3)松動段為圓柱體，定位段(202)為兩個定位圓柱體，分別為第一定位圓柱體(2021)和第二定位圓柱體(2022)，第一定位圓柱體(2021)的直徑小于第二定位圓柱體(2022)，第二定位圓柱體(2022)位于第一定位圓柱體(2021)和防止M10內(nèi)六角螺釘(3)松動段(201)之間；第二定位圓柱體(2022)和驅(qū)動法蘭連接段(101)的一個端面設有的圓柱形凹槽配合實現(xiàn)渦輪盤連接件(1)和定位塊(2)的定位，防止M10內(nèi)六角螺釘(3)松動段(201)和定位段(202)均位于驅(qū)動法蘭連接段(101)內(nèi)；

M10內(nèi)六角螺釘(3)位于渦輪盤連接件(1)內(nèi)，M10內(nèi)六角螺釘(3)包括螺帽和螺柱，螺帽與定位塊(2)的防止松動段(201)靠近且有一定間隙，螺柱從懸臂渦輪盤連接段(102)的另一個端面的圓柱形凹槽內(nèi)伸出，能夠與外部渦輪盤轉(zhuǎn)子連接。

為了保持高速狀態(tài)下的穩(wěn)定性，避免升速過程中出現(xiàn)自激勵振動，本試驗裝置與外部懸臂渦輪盤轉(zhuǎn)子裝配后整體的軸向轉(zhuǎn)動慣量I_z與徑向轉(zhuǎn)動慣量I_x的關系為：

為了保持高速狀態(tài)下的穩(wěn)定性，避免試驗轉(zhuǎn)速下發(fā)生共振，本試驗裝置與外部懸臂渦輪盤轉(zhuǎn)子裝配后整體的二階臨界轉(zhuǎn)速ω₂、三階臨界轉(zhuǎn)速ω₃與試驗轉(zhuǎn)速Ω的關系為：130％ω₂<Ω<70％ω₃。

渦輪盤連接件(1)為鈦合金材料，定位塊(2)為不銹鋼材料，M10內(nèi)六角螺釘(3)為鈦合金材料。由于不銹鋼的線膨脹系數(shù)大于鈦合金的線膨脹系數(shù)，因此確保了高溫狀態(tài)下M10內(nèi)六角螺釘(3)不會因自身膨脹度小于螺紋孔膨脹度而松脫。

渦輪盤連接件(1)的懸臂渦輪盤連接段(102)的直徑d1與驅(qū)動法蘭連接段(101)的直徑d2的關系為：d1/d2＝2～2.5。這種結(jié)構(gòu)尺寸設計關系，能夠增加渦輪盤連接件(1)于外部懸臂渦輪盤轉(zhuǎn)子的對接部位的結(jié)構(gòu)強度，同時可以將懸臂渦輪盤連接段(102)的外表面作為動平衡去重區(qū)域。

本實用新型與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：

(1)本實用新型的試驗轉(zhuǎn)接裝置材料需要在高溫高速狀態(tài)下具有良好的性能，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會因為高溫膨脹而松脫，設計時也許考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性及臨界轉(zhuǎn)速避開工作轉(zhuǎn)速等問題。

(2)本實用新型的試驗裝置已經(jīng)多次成功應用于渦輪盤的高溫超速疲勞試驗中，試驗結(jié)果良好，裝配可靠性高。

(3)本實用新型結(jié)構(gòu)重量輕。本試驗裝置的主要部件都采用鈦合金加工，既能確保材料在高溫高速下具備足夠的強度，又滿足裝置軸系轉(zhuǎn)動慣量的要求，同時減輕了結(jié)構(gòu)整體的重量，便于安裝分解。

(4)本實用新型定位精度高。本試驗裝置的定位塊裝配以及與渦輪盤軸頭的配合都為過盈配合，徑向與軸向配合精度可以達到0.03mm以下，確保了試驗件與試驗臺驅(qū)動軸的對中度。

(5)本實用新型耐高溫設計。高溫超速試驗的試驗溫度可達600℃以上，在高溫狀態(tài)下材料的強度會顯著降低，常溫下的結(jié)構(gòu)設計強度與配合精度在高溫下都無法達到。本試驗裝置設計時考慮了材料在高溫下的膨脹對結(jié)構(gòu)強度與配合精度的影響，使其在高溫下仍然可以滿足設計要求，具備足夠的可靠性與安全性。

(6)本實用新型防松脫設計。試驗裝置內(nèi)的M10內(nèi)六角螺釘起到了固定渦輪盤連接件與渦輪盤軸頭間配合的作用，防止試驗件在高溫高速下發(fā)生意外松脫的可能性，確保了試驗的安全性。

(7)本實用新型高速穩(wěn)定性好。由于超速試驗驅(qū)動軸為單點懸掛式支撐，這種支撐方式相對于長懸臂結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子而言，轉(zhuǎn)子自身在高速狀態(tài)下擺動較大，很難控制系統(tǒng)的高速穩(wěn)定性。本試驗裝置在設計時考慮了如何控制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)重心及其轉(zhuǎn)動慣量，提高了系統(tǒng)在高速狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

(8)本實用新型裝置臨界轉(zhuǎn)速避開工作轉(zhuǎn)速。由于本試驗裝置用于高速工況(n>35000r/min)，設計時考慮到使試驗系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速避開工作轉(zhuǎn)速，使其具有足夠的剛度和穩(wěn)定性，避免由于轉(zhuǎn)子振動造成共振，產(chǎn)生干擾頻率。

(9)本實用新型增加去重帶。本試驗裝置設計時在渦輪盤連接件外側(cè)增加了低速動平衡去重帶，可在系統(tǒng)低速動平衡時直接在裝置外側(cè)進行去重，保證了試驗件的設計完整性，也便于對系統(tǒng)進行低速動平衡，提高系統(tǒng)的高速穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本實用新型提供的一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速試驗轉(zhuǎn)接裝置應用裝配圖；

圖2為本實用新型提供的渦輪盤連接件結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本實用新型提供的定位塊；

圖4為本實用新型提供的C型平鍵；

圖5為本實用新型提供的M10內(nèi)六角螺釘結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本實用新型的轉(zhuǎn)接裝置對試驗件進行測試所得的試驗數(shù)據(jù)示意圖。

具體實施方式

本實用新型的基本思路為：一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速試驗轉(zhuǎn)接裝置，包括渦輪盤連接件(1)、定位塊(2)、M10內(nèi)六角螺釘(3)、C型平鍵(4)，主要應用于高溫狀態(tài)下的懸臂渦輪盤轉(zhuǎn)子的超速疲勞試驗，起到將試驗臺驅(qū)動軸與渦輪盤進行定位、對接、緊固、傳扭的作用，裝置的設計充分考慮了高溫結(jié)構(gòu)強度和旋轉(zhuǎn)軸系的轉(zhuǎn)動慣量的要求。本實用新型結(jié)構(gòu)重量輕，定位效果良好，具有耐高溫(600℃)和放松脫等功能，在高速(35000r/min)狀態(tài)下裝置穩(wěn)定性強，試驗測試效果良好，同時設計有去重帶，便于試驗前的動平衡去重。

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步詳細描述：

如圖1所示，一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速疲勞試驗轉(zhuǎn)接裝置，包括：渦輪盤連接件(1)；定位塊(2)；M10內(nèi)六角螺釘(3)；C型平鍵(4)。渦輪盤連接件(1)為鈦合金材料，定位塊(2)為不銹鋼材料，M10內(nèi)六角螺釘(3)為鈦合金材料。由于不銹鋼的線膨脹系數(shù)大于鈦合金的線膨脹系數(shù)，因此確保了高溫狀態(tài)下M10內(nèi)六角螺釘(3)不會因自身膨脹度小于螺紋孔膨脹度而松脫。

如圖2所示，渦輪盤連接件(1)包括：驅(qū)動法蘭連接段(101)和懸臂渦輪盤連接段(102)；驅(qū)動法蘭連接段為中空圓柱體，懸臂渦輪盤連接段為中空圓柱體。渦輪盤連接件(1)的懸臂渦輪盤連接段(102)的直徑d₁與驅(qū)動法蘭連接段(101)的直徑d₂的關系為：d₁/d₂＝2～2.5。這種結(jié)構(gòu)尺寸設計關系，能夠增加渦輪盤連接件(1)于外部懸臂渦輪盤轉(zhuǎn)子的對接部位的結(jié)構(gòu)強度，同時可以將懸臂渦輪盤連接段(102)的外表面作為動平衡去重區(qū)域。

驅(qū)動法蘭連接段(101)的一個端面與外部的驅(qū)動軸通過法蘭連接，并通過螺釘固定，使外部驅(qū)動軸能夠帶動渦輪盤連接件(1)轉(zhuǎn)動；定位塊(2)的第一定位圓柱體(2021)與外部的驅(qū)動軸配合，實現(xiàn)渦輪盤連接件(1)和外部的驅(qū)動軸定位；驅(qū)動法蘭連接段(101)的一個端面設有一個圓柱形凹槽。

懸臂渦輪盤連接段(102)的一個端面和驅(qū)動法蘭連接段(101)的另一個端面貼合，懸臂渦輪盤連接段(102)的另一個端面設有圓柱形凹槽，且圓柱形凹槽的直徑大于懸臂渦輪盤連接段(102)的內(nèi)壁的直徑，在圓柱形凹槽內(nèi)壁上設置有兩個安裝C型平鍵(4)的矩形鍵槽，且矩形鍵槽的尺寸與C型平鍵(4)匹配；C型平鍵(4)為一端帶有弧形面的長方體，與弧形面(401)對應的一端為平面端(402)。

如圖4所示，C型平鍵(4)的平面端(402)插入矩形鍵槽內(nèi)，弧形面(401)從矩形鍵槽伸出；兩個C型平鍵(4)伸出的弧形面(401)作為渦輪盤轉(zhuǎn)子的安裝端。

如圖3所示，定位塊(2)為包括防止M10內(nèi)六角螺釘(3)松動段(201)和定位段(202)，防止M10內(nèi)六角螺釘(3)松動段為圓柱體，定位段(202)為兩個定位圓柱體，分別為第一定位圓柱體(2021)和第二定位圓柱體(2022)，第一定位圓柱體(2021)的直徑小于第二定位圓柱體(2022)，第二定位圓柱體(2022)位于第一定位圓柱體(2021)和防止M10內(nèi)六角螺釘(3)松動段(201)之間；第二定位圓柱體(2022)和驅(qū)動法蘭連接段(101)的一個端面設有的圓柱形凹槽配合實現(xiàn)渦輪盤連接件(1)和定位塊(2)的定位，防止M10內(nèi)六角螺釘(3)松動段(201)和定位段(202)均位于驅(qū)動法蘭連接段(101)內(nèi)。

如圖5所示，M10內(nèi)六角螺釘(3)位于渦輪盤連接件(1)內(nèi)，M10內(nèi)六角螺釘(3)包括螺帽和螺柱，螺帽與定位塊(2)的防止松動段(201)靠近且有一定間隙，螺柱從懸臂渦輪盤連接段(102)的另一個端面的圓柱形凹槽內(nèi)伸出，能夠與外部渦輪盤轉(zhuǎn)子連接。

本實用新型能夠測試懸臂渦輪盤轉(zhuǎn)子，所述的懸臂渦輪盤轉(zhuǎn)子包括：渦輪盤和旋轉(zhuǎn)軸；待測試的渦輪盤轉(zhuǎn)子的渦輪盤上靠近旋轉(zhuǎn)軸處有和本實用新型的裝置的配合的連接端，連接端有內(nèi)螺紋孔，待測試的渦輪盤轉(zhuǎn)子的連接端插入懸臂渦輪盤連接段(102)的另一個端面的圓柱形凹槽，M10內(nèi)六角螺釘(3)能夠與渦輪盤轉(zhuǎn)子的內(nèi)螺紋孔配合，使渦輪盤轉(zhuǎn)子能夠與渦輪盤連接件(1)連接并通過M10內(nèi)六角螺釘(3)固定，實現(xiàn)徑向定位；渦輪盤連接件(1)的懸臂渦輪盤連接段(102)的另一個端面與待測試的渦輪盤轉(zhuǎn)子的渦輪盤貼合，待測試的渦輪盤轉(zhuǎn)子的渦輪盤上靠近連接端處為平面，實現(xiàn)軸向定位。

渦輪盤連接件(1)與待測試的渦輪盤轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸同軸，且渦輪盤連接件(1)能夠帶動待測試的渦輪盤轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

為了保持高速狀態(tài)下的穩(wěn)定性，避免升速過程中出現(xiàn)自激勵振動，本試驗裝置與外部懸臂渦輪盤轉(zhuǎn)子裝配后整體的軸向轉(zhuǎn)動慣量I_z與徑向轉(zhuǎn)動慣量I_x的關系為：本試驗裝置與外部懸臂渦輪盤轉(zhuǎn)子裝配后整體的二階臨界轉(zhuǎn)速ω₂、三階臨界轉(zhuǎn)速ω₃與試驗轉(zhuǎn)速Ω的關系為：130％ω₂<Ω<70％ω₃。

本實用新型的試驗裝置連接電機驅(qū)動法蘭端與被測試驗件連接端，使電機輸出軸能夠帶動試驗件轉(zhuǎn)動。

測試方法為：

(1)將本實用新型的試驗裝置與懸臂渦輪盤轉(zhuǎn)子進行裝配對接；

(2)將上述裝配好的試驗裝置與試驗臺電機取驅(qū)動法蘭進行對接裝配；

(3)關閉試驗臺真空防爆倉，對倉內(nèi)抽真空；

(4)待真空度達到試驗要求，啟動驅(qū)動電機，將電機輸出軸的轉(zhuǎn)速設定在500r/min運轉(zhuǎn)，開始對試驗件進行加熱；

(5)待加熱溫度升至試驗要求溫度(600℃)后，將電機輸出軸的轉(zhuǎn)速提高至試驗要求轉(zhuǎn)速；

(6)監(jiān)測試驗振動數(shù)據(jù)，達到試驗要求的運轉(zhuǎn)時間后停止試驗。

利用一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速疲勞試驗轉(zhuǎn)接裝置對試驗件進行測試，所得某次試驗數(shù)據(jù)如圖6所示。圖6中橫坐標為試驗時間，縱坐標依次分別為溫度、振動位移和轉(zhuǎn)速，圖6中三條曲線分別轉(zhuǎn)速從500r/min升至接近28000r/min時的溫度、振動位移和轉(zhuǎn)速曲線。從圖中曲線可以明顯看出當試驗件升速至約5000r/min時，試驗件出現(xiàn)振動峰值，但峰值較小，表明試驗件在高速狀態(tài)下不平衡量較小，對中精度較高。當越過振動峰值后，轉(zhuǎn)速逐漸升高至試驗轉(zhuǎn)速，試驗件振動量級逐漸降低，振動曲線平穩(wěn)，表明在所設定的試驗轉(zhuǎn)速下，驗證了所設計的裝置結(jié)構(gòu)固有頻率能夠有效避開試驗件的工頻與固有頻率，具有足夠的剛度和穩(wěn)定性，避免由于轉(zhuǎn)子振動造成共振，產(chǎn)生干擾頻率。待試驗件運轉(zhuǎn)時間達到試驗要求后，試驗結(jié)束，整個試驗過程的試驗曲線平穩(wěn)，表明本實用新型的試驗裝置在600℃高溫下，結(jié)構(gòu)強度強、配合精度高，在高溫狀態(tài)下未發(fā)現(xiàn)試驗裝置與試驗件連接松脫的現(xiàn)象，驗證了本實用新型試驗裝置的安全可靠。