一种涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置及方法，属于航空发动机和燃气轮机技术领域。装置中的驱动主轴带动转接工装旋转，转接工装包括芯轴、涡轮毛坯盘和压紧件，所述芯轴的外侧设有限位保护机构，芯轴的顶部与驱动主轴连接，芯轴的底部设有安装涡轮毛坯盘的法兰座，所述的涡轮毛坯盘由压紧件固定；在试验过程中，转速、振动和涡轮毛坯盘的变形由监测系统实时监测并显示，通过设定目标转速、目标变形量和振动限制值控制预选转升速和降速过程。本发明专利技术实现了航空发动机和燃气轮机涡轮毛坯盘残余应力的超速预旋转消除的目的，大大降低了涡轮毛坯盘内部的残余应力，提高了涡轮毛坯盘的机械性能，减小了加工变形，缩短了生产周期。

【技术实现步骤摘要】
一种涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置及方法
本专利技术涉及一种用于毛坯盘超速预旋转消除残余应力的试验装置及方法，用于航空发动机和燃气轮机涡轮盘生产、加工和应用相关

技术介绍
航空发动机和燃气轮机的涡轮盘长期工作在高温高应力环境中，对材料性能要求极高，需同时具备耐高温性能和高强度特性，为此需要专门的锻造和热处理工艺。此外，航空发动机对能量转换效率的高要求，使涡轮转子结构必须具有极高的尺寸精度和长时尺寸稳定性。涡轮盘材料复杂锻造和热处理工艺会在毛坯盘内部产生极大的残余应力。残余应力使盘件在加工过程中不断变形，增大了加工难度、增加了加工工序，延长了加工周期，不利于工业化连续生产。因此，需要通过一定的手段开展毛坯盘残余应力消除工作。常用的残余应力消除方法包括自然时效、去应力退火、锤击法、拉伸过载法等。自然时效法将工件静置几个月到几年时间，使其尺寸达到稳定，仅适用于高价值、高精度要求的单个关键部件，难以批量化生产。去应力退火将工件由室温缓慢、均匀加热至600℃-800℃左右，保温4-8小时，而后温度缓慢冷却到200℃以下，再出炉冷却至室温。这种方法消除残余应力的效果较好，但效率低，造成环境污染和能源浪费，并且会改变工件的力学性能，不适用于涡轮盘等材料性能要求极高的场合。锤击法主要用于焊接结构残余应力处理。拉伸过载法是将构件进行机械加载，载荷达到或超过屈服应力后再降载，使内部的残余应力重新分布，从而达到消除残余应力的目的。拉伸过载法不仅能够降低残余应力，还可以通过应变强化提高构件的机械性能，工艺简单，流程迅速，适合工业化连续生产。考虑涡轮盘工作时主要受周向应力作用，因此周向残余应力消除是其关键，但涡轮毛坯盘为圆环形无轴结构，难以开展涡轮毛坯件的周向旋转轴对称拉抻过载夹持工装设计，无法模拟高速旋转下的离心应力分布特征。因此，目前的拉伸过载法难以消除涡轮毛坯件的残余应力。
技术实现思路
本专利技术针对现有航空发动机与燃气轮机涡轮毛坯盘件残余应力难以消除的问题，提供了一种涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置及方法，本专利技术采用预旋转方法达到消除残余应力的目的，首先将待试验的涡轮毛坯盘安装在芯轴的底部，芯轴外围设有限位保护机构，在试验过程中可实时在线监测轮盘总体变形、以及塑性变形分量，能够通过控制转速和保持时间来调控残余应力的消除效果，以满足试验技术要求。本专利技术提供的试验装置和方法实现了航空发动机和燃气轮机涡轮毛坯盘残余应力的超速预旋转消除的目的，大大降低了涡轮毛坯盘内部的残余应力，提高了涡轮毛坯盘的机械性能，减小了加工变形，可快速大规模应用于涡轮毛坯盘生产工艺流程中。为解决上述技术问题，本专利技术的解决方案是：一种涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置，包括由腔盖和腔壁围成的密闭试验腔体、电机、增速头、限位保护机构、转接工装和监测系统；所述的增速头与电机连接，增速头中的驱动主轴穿过腔盖中心的开孔伸入试验腔体中，通过连接件与转接工装相连；所述的转接工装包括芯轴、涡轮毛坯盘和压紧件，所述芯轴的外侧设有限位保护机构，芯轴的顶部与驱动主轴连接，芯轴的底部设有安装涡轮毛坯盘的法兰座，所述的涡轮毛坯盘由压紧件固定；所述的监测系统包括转速传感器、振动传感器、激光位移传感器和控制器，所述的转速传感器和振动传感器安装在增速头上，所述的激光位移传感器通过支架固定在涡轮毛坯盘的外侧，所述的转速传感器、振动传感器、激光位移传感器均与试验腔体外部的控制器相连。作为本专利技术的优选，所述的限位保护机构包括支座、轴承和吸能环，所述支座安装在腔盖下表面上，支座侧壁加工开孔便于操作，支座的底部设有安装轴承的通孔，轴承的内侧安装有吸能环，所述芯轴穿过吸能环与驱动主轴连接。与现有技术相比，本专利技术具备的有益效果：1)本专利技术设计了一种可以实现毛坯盘超速旋转的装置，且可以实时在线监测旋转过程中的毛坯盘变形情况，实现了航空发动机和燃气轮机涡轮毛坯盘残余应力的超速预旋转消除的目的，大大降低了涡轮毛坯盘内部的残余应力，提高了涡轮毛坯盘的机械性能，减小了涡轮盘的加工变形，克服了传统的拉伸过载法难以消除涡轮毛坯件的残余应力的问题。具体的，设计了底部带有法兰盘的芯轴结构，待试验的涡轮盘通过压紧件紧固于芯轴底部，通过芯轴的旋转带动涡轮盘转动，通过超速旋转过程中的离心力使得涡轮盘内部的残余应力重新分布，且离心力均匀，能够达到消除残余应力的目的，在整体过程中不需要对涡轮盘设计对称拉抻过载夹持工装机构。芯轴外围还设置有限位保护机构，当动力轴故障或者转速超速情况下引起芯轴晃动时，能够通过吸能环吸收部分摆动能量，之后被限位保护轴承限制在特定摆动幅度之内，保证芯轴不因弯曲太大而折断，从而防止涡轮毛坯盘飞脱掉落，保证了试验稳定性和安全性。设计了实时在线监测系统，通过多传感器组合采集数据，并将其转换为总变形值、塑性变形值进行实时显示，得到涡轮毛坯盘在旋转过程中随时间的变形曲线以及随速度变化的变形曲线，保证了预旋转过程中能够精确控制轮盘塑性变形量，为后续的残余应力消除试验提供了重要的参考数据。2)本专利技术通过将毛坯盘的总变形值与转速关系进行建模，通过模型系数进一步得到塑性变形值随转速的关系模型，由于塑性变形值是可以通过测量得到的，因此试验结束后测量得到的塑性变形值可用于对实时显示的塑性变形曲线进行反馈修正，保证了试验数据的准确性。3)本专利技术设计的预旋转系统适用于各种形状和大小的涡轮毛坯盘，传感器位置可随毛坯盘的结构和大小进行位置调整，可根据不同应用场合的要求获得到控制参数，通用性强，可快速大规模应用于涡轮毛坯盘生产工艺流程中，缩短了涡轮盘的生产周期。附图说明图1发动机涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力试验装置主要系统构成示意图；图2为发动机涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力试验装置结构示意图；图3为限位保护装置局部细节图；图4为发动机涡轮毛坯盘超速工装装配后三维剖切示意图；图5为发动机涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力试验流程图；图6为预旋转试验过程中转速-振动实时曲线图；图7为预旋转试验过程中变形随转速平方的实时曲线图；图8(a)为预旋转试验前涡轮毛坯盘残余应力分布图；图8(b)为预旋转试验后涡轮毛坯盘残余应力分布图。图中，1、驱动主轴，2、转速传感器，3、增速头，4、转速-振动传感器信号线，5、试验腔盖，6、穿线法兰，7、激光位移传感器信号线，8、支座，9、轴承，10、吸能环，11、锁紧螺母，12、压紧套筒，13、上盖板，14、涡轮毛坯盘、15、超速芯轴，16、下盖板，17、激光位移传感器，18、激光位移传感器固定支架，19、试验腔壁，20、显示器，21、转速-振动控制器，22、轮盘变形在线监测控制器，23、振动传感器，24、紧固螺母，25、固定环板。具体实施方式下面结合附图和实施例进一步说明本专利技术。如图1～2所示，一种发动机涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力试验装置，主要包括由腔盖和腔壁围成的密闭试验腔体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置，其特征在于，包括由腔盖和腔壁围成的密闭试验腔体、电机、增速头、限位保护机构、转接工装和监测系统；/n所述的增速头与电机连接，增速头(3)中的驱动主轴(1)穿过腔盖(5)中心的开孔伸入试验腔体中，通过连接件与转接工装相连；所述的转接工装包括芯轴(15)、涡轮毛坯盘(14)和压紧件，所述芯轴的外侧设有限位保护机构，芯轴的顶部与驱动主轴(1)连接，芯轴的底部设有安装涡轮毛坯盘的法兰座，所述的涡轮毛坯盘由压紧件固定；/n所述的监测系统包括转速传感器(2)、振动传感器(23)、激光位移传感器(17)和控制器，所述的转速传感器和振动传感器安装在增速头(3)上，所述的激光位移传感器(17)通过支架固定在涡轮毛坯盘(14)的外侧，所述的转速传感器、振动传感器、激光位移传感器均与试验腔体外部的控制器相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置，其特征在于，包括由腔盖和腔壁围成的密闭试验腔体、电机、增速头、限位保护机构、转接工装和监测系统；
所述的增速头与电机连接，增速头(3)中的驱动主轴(1)穿过腔盖(5)中心的开孔伸入试验腔体中，通过连接件与转接工装相连；所述的转接工装包括芯轴(15)、涡轮毛坯盘(14)和压紧件，所述芯轴的外侧设有限位保护机构，芯轴的顶部与驱动主轴(1)连接，芯轴的底部设有安装涡轮毛坯盘的法兰座，所述的涡轮毛坯盘由压紧件固定；
所述的监测系统包括转速传感器(2)、振动传感器(23)、激光位移传感器(17)和控制器，所述的转速传感器和振动传感器安装在增速头(3)上，所述的激光位移传感器(17)通过支架固定在涡轮毛坯盘(14)的外侧，所述的转速传感器、振动传感器、激光位移传感器均与试验腔体外部的控制器相连。


2.如权利要求1所述的涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置，其特征在于，所述的限位保护机构包括支座(8)、轴承(9)和吸能环(10)，所述支座安装在腔盖(5)下表面上，支座的底部设有安装轴承的通孔，轴承的内侧安装有吸能环，所述芯轴穿过吸能环与驱动主轴连接。


3.如权利要求2所述的涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置，其特征在于，所述芯轴(15)与吸能环(10)同轴，且两者之间的径向间隙距离为5-10mm。


4.如权利要求2所述的涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置，其特征在于，所述吸能环(10)由双层铜环或者双层铝合金环上端面相连构成，双层之间留有间隙。


5.如权利要求1所述的涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置，其特征在于，所述转接工装中的压紧件包括套设在芯轴上的上盖板(13)、下盖板(16)、压紧套筒(12)和锁紧螺母(11)，所述的下盖板安装在芯轴底部的法兰座上，下盖板的边缘设有供安装涡轮毛坯盘的定位槽，上盖板位于涡轮毛坯盘的上表面；压紧套筒抵接在上盖板上，由锁紧螺母固定。


6.如权利要求5所述的涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置，其特征在于，所述压紧件中的上、下盖板厚度≥D/40，D为上、下盖板的直径。


7.如权利要求1所述的涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置，其特征在于，所述芯轴的直径大于80mm。


8.如权利要求1所述的涡轮毛坯盘预旋转消除残余应力的试验装置，其特征在于，所述芯轴的底部设有中心定位孔。


9.一种采用权利要求2所述的试验装置对涡轮毛坯盘进行预旋转消除残余应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用千分尺周向均布测量涡轮毛坯盘的内孔直径、外缘直径尺...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈传勇，宣海军，张北江，张文云，瞿明敏，黎晓宇，张国栋，黄爱华，田成刚，
申请(专利权)人：浙江海骆航空科技有限公司，北京钢研高纳科技股份有限公司，中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33