一種基于局部加熱原理的航空發(fā)動機葉片加熱飛斷裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于局部加熱原理的航空發(fā)動機葉片加熱飛斷裝置。在葉片榫根部位預(yù)埋加熱器，當高速旋轉(zhuǎn)試驗器將試驗轉(zhuǎn)子加速至目標轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行后，啟動葉片加熱飛斷裝置，葉片榫根局部區(qū)域溫度持續(xù)升高，葉片抗拉極限強度下降后，在離心力的作用下葉片從榫根處斷裂飛出。此方法轉(zhuǎn)速控制精確度高，可靠性好，而且不會對飛斷葉片施加額外的沖擊載荷，大大提高了航空發(fā)動機機匣包容試驗的試驗精度，降低了試驗周期和試驗成本。葉片加熱飛斷裝置包括高功率加熱管、熱電偶、加熱電源線及熱電偶引線、導(dǎo)電滑環(huán)、外部加熱電路、溫度顯示表等，處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的加熱管及熱電偶與外部電路的連接通過導(dǎo)電滑環(huán)實現(xiàn)。
【專利說明】
一種基于局部加熱原理的航空發(fā)動機葉片加熱飛斷裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種基于局部加熱原理的航空發(fā)動機葉片加熱飛斷裝置，尤其涉及一種基于葉片根部局部加熱原理的葉片飛斷轉(zhuǎn)速精確可控的用于機匣包容試驗的葉片定速飛斷裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]航空發(fā)動機的高速旋轉(zhuǎn)部件長期工作在極端載荷和惡劣環(huán)境下，受外物撞擊、高周疲勞、過熱和材料缺陷等原因影響，不可避免的會出現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)葉片斷裂破壞。此時如果機匣不夠堅固，會被離心飛出的高速高能斷葉碎片擊穿，隨后飛出碎片會擊穿飛機機艙與油箱、擊斷液壓管路與電氣控制線路等，造成嚴重的二次破壞，危及乘客和機組人員的安全，導(dǎo)致嚴重空難的發(fā)生。因此各航空大國對航空發(fā)動機包容問題都非常重視，在民用和軍用航空發(fā)動機規(guī)范中都有專門條文對包容性做出嚴格規(guī)定。美國聯(lián)邦航空規(guī)則(FAR)第33篇94節(jié)、英國國防標準《(00-971)航空燃氣渦輪發(fā)動機通用規(guī)范》第2篇12.8.7節(jié)和第3篇19.3.5節(jié)嚴格規(guī)定機匣需要具有足夠的強度以包容在最高工作轉(zhuǎn)速下飛斷的單個葉片，并對包容試驗進行了詳細要求。中國民用《航空發(fā)動機適航規(guī)定》(CARR-33)和軍用《航空渦輪發(fā)動機包容性要求》(GJB 3366-1998)中也對機匣包容作出相似的規(guī)定。任何軍用或民用發(fā)動機，在取得適航證之前，都必需通過考核其包容能力的試驗。其中機匣包容是包容能力考核的主要方面，使葉片在某一預(yù)定轉(zhuǎn)速(發(fā)動機最高工作轉(zhuǎn)速)下飛斷撞擊機匣以測試機匣的包容能力。
[0003]通常的做法是在葉片根部預(yù)制一定深度的裂紋，使得葉片在預(yù)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)飛斷。但由于加工誤差、材料性能偏差及計算誤差的影響，很難準確控制葉片在預(yù)定轉(zhuǎn)速下飛斷，需要預(yù)先設(shè)置較寬的允許轉(zhuǎn)速范圍，不能完全達到適航試驗要求。且試驗過程中通常需要從一個保守的切割量逐步增大，試驗結(jié)構(gòu)可能需要多次的拆裝，造成試驗周期和試驗成本的極大增加。此方法若應(yīng)用于真實航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片包容試驗造成試驗失敗，將造成極大的試驗損失。
[0004]公開號為CN201310217041.1的中國專利公開了一種基于線型聚能切割技術(shù)的葉片飛斷方法，該方法將專用聚能切割器安裝在葉片根部，在到達試驗轉(zhuǎn)速后，通過無線起爆器引爆聚能炸藥，爆轟產(chǎn)物以極大的壓力作用于金屬藥形罩，形成高速高能金屬射流，對葉片起到侵蝕切割作用。該方法解決了在預(yù)定轉(zhuǎn)速下使葉片飛斷的問題。但其通過聚能炸藥爆轟的方式會給葉片增加額外的爆炸沖擊載荷，增加了擾亂試驗結(jié)果的變量，影響包容試驗的效果。且炸藥的使用對試驗條件、試驗環(huán)境和試驗資質(zhì)都有較高的要求，試驗流程較長，造成試驗周期和成本增大。無線起爆的方式易被其他電磁雜波信號干擾，造成誤觸發(fā)引爆，若在進行真實航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片包容試驗時發(fā)生誤觸發(fā)引爆，將造成極大試驗損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，創(chuàng)造性地通過在葉片榫根部位局部加熱以局部減弱葉片材料性能的方式，實現(xiàn)了葉片在預(yù)定轉(zhuǎn)速下精確可控地飛斷，提供了一種可用于航空發(fā)動機機匣包容試驗的葉片定速飛斷試驗裝置。此技術(shù)方法的基本原理是利用金屬材料的力學(xué)性能隨溫度的升高而降低的原理，通過一種裝置實現(xiàn)對高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的葉片榫根處進行局部加熱，此處葉片局部溫度升高后，材料極限強度下降，在試驗轉(zhuǎn)速不變的情況下，盡管葉片產(chǎn)生的離心力不變，但由于局部區(qū)域承載能力降低，葉片從榫根局部加熱部位斷裂飛出。
[0006]本實用新型還提供了一種基于上述技術(shù)原理設(shè)計的用于實現(xiàn)航空發(fā)動機葉片定速飛斷過程的葉片加熱飛斷裝置，整個裝置包括高功率加熱管、熱電偶、導(dǎo)電滑環(huán)、電流表、溫度表、加熱啟動開關(guān)等。
[0007]一種基于局部加熱原理的航空發(fā)動機葉片加熱飛斷裝置包括加熱系統(tǒng)和溫度監(jiān)測系統(tǒng)，所述的加熱系統(tǒng)包括高功率加熱管、加熱電源線、導(dǎo)電滑環(huán)和加熱電路，所述的溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括熱電偶、熱電偶引線和溫度顯示表，在工裝芯軸內(nèi)預(yù)設(shè)用于布置加熱電源線和熱電偶引線的孔，高功率加熱管預(yù)埋在葉片榫根內(nèi)，熱電偶焊接于葉片榫根側(cè)壁，高功率加熱管通過加熱電源線、導(dǎo)電滑環(huán)與加熱控制電路相連，熱電偶通過熱電偶引線、導(dǎo)電滑環(huán)與溫度顯示表相連。
[0008]加熱系統(tǒng)中，高功率加熱管用于對葉片榫根部位進行局部加熱，使局部溫度迅速升高；導(dǎo)電滑環(huán)動環(huán)通過加熱線與加熱管相連，動環(huán)隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，靜環(huán)與外部加熱電路相連，滑環(huán)在試驗過程中起到從外部靜止電路向內(nèi)部處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的加熱管傳輸電流的作用；電流表用于監(jiān)測加熱電路中電流的變化;加熱啟動開關(guān)及交流接觸器用于控制開啟或關(guān)閉加熱過程;空氣開關(guān)在發(fā)生電路短路情況時對電路起到保護作用。
[0009]溫度監(jiān)測系統(tǒng)中，熱電偶用于檢測葉片榫根側(cè)壁處的溫度，作為試驗過程中的監(jiān)測量;導(dǎo)電滑環(huán)動環(huán)通過熱電偶線與熱電偶相連，動環(huán)隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，靜環(huán)與外部溫度顯示表相連，滑環(huán)在試驗過程中起到向外部傳輸溫度信號的作用；溫度顯示表用于顯示熱電偶檢測的溫度值，用220V交流供電。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的具有的有益效果有:
[0011]1、通過本實用新型提供的試驗技術(shù)方法和裝置使航空發(fā)動機機匣包容試驗做到對葉片飛斷轉(zhuǎn)速的精確控制，大大提高了包容試驗結(jié)果的精確性，縮短了試驗周期。
[0012]2、采用本實用新型提供的試驗技術(shù)方法和裝置，試驗過程中不會對飛斷葉片施加任何額外的沖擊載荷，葉片在自身離心力的作用下從榫根處斷裂飛出。
[0013]3、通過導(dǎo)電滑環(huán)有線輸電的方式，可大大降低電磁干擾對試驗過程的影響，并通過溫度實時監(jiān)測提高試驗的可靠性和準確度。
【附圖說明】
[0014]圖1為加熱飛斷裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2(1)為葉片榫根處打孔的示意圖；
[0016]圖2(2)為葉片榫根處安裝加熱管的示意圖；
[0017]圖3為葉片材料拉伸極限強度隨溫度升高而下降曲線圖；
[0018]圖4為葉片榫根局部加熱后溫度場分布圖；
[0019]圖5為葉片局部加熱定速飛斷包容試驗的過程曲線圖。
[0020]圖中:1、輪盤及轉(zhuǎn)接工裝，2、導(dǎo)電滑環(huán)，3、導(dǎo)電滑環(huán)靜環(huán)，4、滑環(huán)止轉(zhuǎn)片，5、滑環(huán)動子出線，6、滑環(huán)動環(huán)固定螺釘，7、滑環(huán)靜子出線，8、電流表，9、導(dǎo)電滑環(huán)動環(huán)，10、加熱線及熱電偶線，11、工裝芯軸，12、加熱啟動開關(guān)，13、外部加熱電路，14、溫度顯示儀表，15、風(fēng)扇葉片，16、熱電偶，17、高功率加熱管，18、葉片榫根預(yù)打孔，19、榫根側(cè)壁。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實施例進一步說明本實用新型。
[0022]如圖1所示，一種基于局部加熱原理的用于實現(xiàn)葉片定速飛斷過程的裝置包括高功率加熱管17、熱電偶16、加熱電源線及熱電偶引線9、導(dǎo)電滑環(huán)2、外部加熱電路13、溫度顯不表14等。
[0023]高功率加熱管17通過220V電壓供電，加熱功率200W，能夠迅速使葉片榫根局部區(qū)域溫度由室溫升高至300°C。熱電偶16焊接于榫根側(cè)壁處用于監(jiān)測加熱過程中的溫度變化。
[0024]導(dǎo)電滑環(huán)2由靜環(huán)3和動環(huán)9兩部分組成。導(dǎo)電滑環(huán)動環(huán)9隨工裝芯軸11 一起轉(zhuǎn)動，通過固定螺釘6與工裝芯軸11實現(xiàn)固定；導(dǎo)電滑環(huán)靜環(huán)3不隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動而保持靜止，通過滑環(huán)止轉(zhuǎn)片4限制其跟隨轉(zhuǎn)動。布置在轉(zhuǎn)子上的加熱電源線及熱電偶引線9與相應(yīng)滑環(huán)動子出線5相連，滑環(huán)靜子出線7中的加熱線連入外部加熱電路13，熱電偶線連入溫度顯示表14，靜環(huán)3和動環(huán)9之間通過電刷實現(xiàn)電流的傳輸，從而實現(xiàn)加熱管17和熱電偶16與外部電路的連接。
[0025]外部加熱電路13由電流表8、加熱啟動開關(guān)12、交流接觸器、空氣開關(guān)、220V交流電源和連接導(dǎo)線組成。電流表8用于監(jiān)測加熱電路中電流的變化;加熱啟動開關(guān)12及交流接觸器用于控制開啟或關(guān)閉加熱過程;空氣開關(guān)在發(fā)生電路短路情況時對電路起到保護作用。
[0026]通過上述試驗技術(shù)方法和裝置實現(xiàn)的基于局部加熱原理的高速旋轉(zhuǎn)葉片定速飛斷方法，包括以下步驟:
[0027]I)葉片榫根處預(yù)制小孔18，如圖2(1)所示。預(yù)制小孔的目的，首先是適當削弱此處的強度儲備，但又保證在常溫下葉片到達目標轉(zhuǎn)速時不會飛斷；其次的是將高功率加熱管17埋在此處的小孔中用于試驗過程中的加熱。因此，首先通過理論分析計算及有限元數(shù)值模擬計算確定預(yù)制小孔的位置和尺寸滿足試驗要求。
[0028]2)將高功率加熱管17埋入預(yù)制小孔18處并用膠水封口，如圖2(2)所示，將熱電偶16焊接于葉片榫根側(cè)壁19，加熱電源線與熱電偶引線10均牢固緊貼于輪盤表面，用鐵片壓住后再用結(jié)構(gòu)膠固定。
[0029]3)連接試驗轉(zhuǎn)子和試驗臺高速驅(qū)動軸的工裝芯軸11中心打孔，用于加熱電源線和熱電偶引線10的走線。
[0030]4)高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的加熱管17和熱電偶16與外部電路的連接通過導(dǎo)電滑環(huán)2實現(xiàn)，將轉(zhuǎn)子上的加熱電源線和熱電偶引線10與滑環(huán)動子出線5相連，外部加熱電路13及溫度顯示表14與滑環(huán)靜子出線7相連。
[0031]5)試驗過程中，當試驗臺驅(qū)動軸帶動試驗轉(zhuǎn)子升速至目標轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定運行后，打開加熱啟動開關(guān)12，啟動葉片加熱飛斷裝置。
[0032]6)加熱2-3min時間后，葉片榫根局部區(qū)域的溫度迅速升高至300°C，此時葉片材料拉伸極限強度下降約25%，在離心力的作用下，葉片在此處斷裂飛出，葉片飛斷轉(zhuǎn)速即為試驗臺保持的目標試驗轉(zhuǎn)速。
[0033]7)高速旋轉(zhuǎn)的葉片離心飛出撞擊機匣后，包容試驗結(jié)束，關(guān)閉葉片加熱飛斷裝置。
[0034]打孔位置為葉片榫根厚度最小處，使打孔處剩余橫截面積最小;預(yù)制孔貫穿整個榫根，使葉片榫根局部橫截面受熱均勻，保證試驗過程中在溫度升高后，葉片在打孔處沿橫截面飛斷。根據(jù)葉片金屬材料拉伸極限強度隨溫度升高而下降的比例，通過理論分析和有限元數(shù)值計算分析設(shè)計計算相應(yīng)打孔尺寸，通過控制打孔尺寸按相同比例預(yù)留部分強度儲備，保證在試驗過程中，在常溫下升至預(yù)定目標轉(zhuǎn)速時葉片不會斷裂，而經(jīng)榫根局部加熱后，葉片局部溫度升高，材料極限強度下降，葉片從榫根局部加熱部位斷裂飛出。
[0035]本實用新型中，試驗葉片材料(TC4，一種鈦合金)的抗拉強度隨溫度升高而下降，從圖3中可以看出，當溫度升高至300°C左右時，材料拉伸極限強度下降約25%。所以通過預(yù)制小孔對葉片榫根只預(yù)留了 25%的強度儲備，開孔尺寸也是基于這個原則計算設(shè)計的。
[0036]圖4表示葉片榫根處局部加熱后，榫根附近區(qū)域的溫度場分布。從圖中可以看出，只有加熱管附近局部區(qū)域形成200-300°C的高溫區(qū)，周圍區(qū)域尤其是輪盤和葉片葉身區(qū)域，溫度較低，僅有30-60°C，與室溫接近，不會影響輪盤和葉片葉身的強度。
[0037]如圖5所示，為一次典型的成功使用加熱飛斷技術(shù)進行包容試驗的過程曲線。橫軸表示時間，左豎軸表示轉(zhuǎn)速，右豎軸表示試驗臺主軸振動。從曲線中可以看出，當試驗進行到約350s時，轉(zhuǎn)子升速至預(yù)定目標試驗轉(zhuǎn)速，此時啟動加熱飛斷裝置，開始加熱。加熱大約2-3min后，葉片飛斷，試驗臺主軸振動迅速增加，試驗臺降速。
【主權(quán)項】
1.一種基于局部加熱原理的航空發(fā)動機葉片加熱飛斷裝置，其特征在于包括加熱系統(tǒng)和溫度監(jiān)測系統(tǒng)，所述的加熱系統(tǒng)包括高功率加熱管(17)、加熱電源線、導(dǎo)電滑環(huán)(2)和加熱電路，所述的溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括熱電偶(16)、熱電偶引線和溫度顯示表(14)，在工裝芯軸(11)內(nèi)預(yù)設(shè)用于布置加熱電源線和熱電偶引線的孔，高功率加熱管(17)預(yù)埋在葉片榫根內(nèi)，熱電偶(16)焊接于葉片榫根側(cè)壁(19)，高功率加熱管(17)通過加熱電源線、導(dǎo)電滑環(huán)(2)與加熱控制電路相連，熱電偶(16)通過熱電偶引線、導(dǎo)電滑環(huán)(2)與溫度顯示表(14)相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片加熱飛斷裝置，其特征在于所述的導(dǎo)電滑環(huán)(2)由靜環(huán)(3)和動環(huán)(9)兩部分組成，導(dǎo)電滑環(huán)動環(huán)(9)隨工裝芯軸(11)一起轉(zhuǎn)動，通過固定螺釘(6)與工裝芯軸(11)實現(xiàn)固定；導(dǎo)電滑環(huán)靜環(huán)(3)受滑環(huán)止轉(zhuǎn)片(4)限制，使其不隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動而保持靜止，布置在轉(zhuǎn)子上的加熱電源線(10)及熱電偶引線與相應(yīng)滑環(huán)動子出線(5)相連，滑環(huán)靜子出線(7)中的加電源熱線連入外部加熱電路，熱電偶引線連入溫度顯示表(14)，靜環(huán)(3)和動環(huán)(9)之間通過電刷實現(xiàn)電流的傳輸，從而實現(xiàn)加熱管(17)和熱電偶(16)與外部電路的連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片加熱飛斷裝置，其特征在于所述的加熱電路包括電流表(8 )、220V交流電源、加熱啟動開關(guān)(12)、交流接觸器、空氣開關(guān)。
【文檔編號】G01M15/02GK205426522SQ201620107374
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年2月1日
【發(fā)明人】何澤侃, 白聰兒, 宣海軍, 胡燕琪, 瞿明敏, 蔡全卓
【申請人】浙江大學(xué)