【技术实现步骤摘要】
一种叶片轴向动载荷测量装置及方法
[0001]本专利技术属于透平机械领域，涉及一种叶片轴向动载荷测量装置及方法，用于透平发动机风扇和压气机的设计、试验、加工和应用相关
技术介绍
[0002]透平发动机压气机由轮盘和叶片通过榫槽结构安装在一起，通过高速旋转对空气压缩，为热端做功部件提供高压空气。典型压气机轮盘榫槽与轴系成一定角度，叶片安装于榫槽后高速旋转时，榫槽部位承受离心载荷和轴向动载荷共同作用，一般通过销钉、档板等结构承受轴向动载荷，防止叶片轴向滑动。因此，准确获得压气机叶片旋转状态下的轴向动载荷对于销钉、档板等结构的设计、优化有重要意义。
[0003]目前，透平发动机压气机叶片轴向载荷的获取方法包括有限元计算法、静态拉伸试验法等方法，但是上述方法存在以下问题：1)叶片轴向载荷是叶片离心载荷在轴方向的分力，在榫槽结构和角度一定情况下，其大小与叶片离心载荷以及榫槽接触面的摩擦系数有关。实际压气机中榫槽部位通常涂敷了不同类型的润滑剂，其摩擦系数无法准确得到，因此有限元法也就无法准确计算出实际的轴向动载荷。此外，有限元法计算结果与网格尺寸，边界条件设置等相关，计算结果需要进一步验证。2)静态拉伸试验法可以在榫槽涂敷与真实工作状态一致的润滑剂，但静态拉伸试验法难以完全复现叶片高速旋转的离心应力状态，且静态摩擦系数与旋转状态下也存在一定差别，导致静态拉伸试验法测试结果可信度差，无法体现旋转状态轴向动载荷特性。总结可知，目前的有限元法和静态拉伸试验法在压气机叶片轴向动载荷准确计算和测量方面均存在不足。>[0004]因此，亟需一种透平发动机压气机叶片轴向动载荷测量装置及方法，满足叶片真实高速旋转状态和榫槽润滑状态要求，具有测试方法简便、准确性高、测试对象适用性好等特点，解决现有不能有限元计算可信性低以及静态拉伸试验无法模拟真实旋转状态的问题，使得压气机叶片轴向动载荷测量更接近发动机状态，测量结果更准确，以用于叶片榫接部位结构设计和优化。
技术实现思路
[0005]本专利技术针对现有透平发动机压气机叶片轴向动载荷难以准确测量的问题，提供一种发动机叶片轴向动载荷测量装置及方法，满足测量过程中叶片保持高速旋转并且榫槽摩擦状态与真实工况一致的要求，具有测试效率高、测试结果准确、适应的压气机型号范围广等特点，解决了现有的有限元计算法和静态拉伸试验法计算可靠性差以及不能模拟真实旋转工作状态的问题，使得叶片轴向动载荷测量更加接近发动机工作状态，为发动机结构设计和优化提供更准确可靠的试验数据。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的解决方案是：
[0007]一种透平发动机压气机叶片轴向动载荷测量装置，用于压气机榫接装配叶片的轴向动载荷测量，也可用于其他转子件榫接装配叶片的轴向载荷测量，包括密闭试验腔体、旋
转增速系统、载荷测量工装和数据采集系统；所述的旋转增速系统安装在密闭试验腔体的腔盖上；载荷测量工装位于密闭试验腔体内，与所述的旋转增速系统连接；所述的数据采集系统用于采集试验数据；
[0008]所述的载荷测量工装包括工装芯轴、轮盘、叶片、测力爪盘和压紧装置，所述的工装芯轴顶部连接旋转增速系统的动力输出端，所述的轮盘和测力爪盘由压紧装置固定在工装芯轴上，且轮盘位于测力爪盘之上，叶片安装于轮盘的榫槽内；
[0009]所述的测力爪盘和工装芯轴上安装有应变片，分别用于测量单个叶片轴向动载荷和所有叶片整体轴向动载荷。作为本专利技术的优选，所述的密闭试验腔体由腔盖和腔壁围成，用于将带测量压气机叶片转子置于其中，具有抽真空功能和安全保护功能，降低叶片旋转阻力，使转子达到高速旋转状态并防止叶片飞断出现安全事故；
[0010]所述的旋转增速系统与电机连接，增速系统中的驱动主轴穿过腔盖伸入试验腔体中，用于连接试验工装并驱动压气机叶片转子旋转，所述的驱动主轴为中心通孔结构，用于试验时穿接应变测量引线，驱动主轴上端安装高速电滑环，用于将驱动主轴上高速旋转的应变测量引线与外部的静态测量引线相连接；
[0011]所述的载荷测量工装包括芯轴、压气机、叶片、上压盖、下压盖、测力爪盘、锁紧螺母等，所述的芯轴顶部与驱动主轴连接，叶片安装到压气机上然后整体通过上、下压盖和锁紧螺母安装到芯轴上，测力爪盘通过锁紧螺母也安装到芯轴上，所述的测力爪盘轮盘轮缘具有测力花爪，该测力花爪与压气机叶片转子紧密贴合用于测量单个叶片轴向载荷；所述的芯轴具有直径较小的测力拉杆段，用于测量芯轴上的整体轴向载荷；所述的芯轴为中心通孔结构，用于穿接测量引线。
[0012]所述的数据采集系统包括应变片、动静态应变仪、测量引线、振动传感器、转速传感器、转速控制器、计算机，所述的应变片粘贴在芯轴测量拉杆段和测力爪盘轮缘上的花爪上，应变片连接测量引线，所述的测量引线依次通过芯轴中心通孔、驱动主轴中心通孔、高速电滑环连接到外部动静态应变仪上，所述的振动传感器和转速传感器内置于增速系统中，用于测量主轴振动和转速并将数据传输到增速系统控制器中，所述的增速系统控制器用于处理转速信号并实时控制转子转速以满足试验参数要求，所述的转速信号和应变信号最终输入到计算机中实时分析和显示；
[0013]所述的应变片，量程应至少不小于2％；
[0014]所述的上压盖、测力爪盘应包含螺纹孔，用于叶片轴向动载荷旋转测量试验前，通过增减螺母进行动平衡修正；
[0015]作为本专利技术的优选，所述的测力爪盘应选用强度高、韧性好、温度使用范围宽的材料，优先选用高温合金材料；
[0016]作为本专利技术的优选，所述的芯轴应选用强度高，弹性模量低的材料，优先选用钛合金材料；
[0017]作为本专利技术的优选，所述的工装芯轴包括依次相连的连接段、第一凸台段、第二凸台段和辅助段；所述的连接段用于连接旋转增速系统的动力输出端，第一凸台段用于定位轮盘，第二凸台段用于定位测力爪盘；所述的第二凸台段上还设有直径较小的测力拉杆段。
[0018]所述的第一凸台段和第二凸台段上设有局部螺纹段，在第一凸台段的局部螺纹段后和第二凸台段的局部螺纹段前设有用于安装测力爪盘的第二配合面，所述的第二配合面
与测力爪盘的中心通孔内壁相配合，测力拉杆段位于测力爪盘的中心通孔内；在第一凸台段的局部螺纹段前设有用于安装轮盘的第一配合面，所述的第一配合面与轮盘的中心通孔内壁相配合。
[0019]本专利技术具备的有益效果：
[0020]1)本专利技术设计了一种压气机叶片轴向动载荷测量装置，可以实时检测多个叶片高速旋转过程中的载荷随转速的变化情况，实现了透平发动机压气机叶片真实旋转状态和润滑条件下的轴向动载荷准确测量的目的，大大提高了压气机叶片轴向动载荷的测量可靠性和测量精度，提高了叶片载荷测量效率，克服了传统有限元法计算和静态试验测量法难以实现的问题。
[0021]具体的，本专利技术设计了具有至少三段结构的芯轴，第一段为凸台结构，用于安装待测试的轮盘转子；第二段为直径较小的测力拉杆段结构，用于测量叶片整体轴向动载荷；第三段为凸台结构，用于安装专门设计的测力爪盘，该测力爪盘用于本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种叶片轴向动载荷测量装置，其特征在于，包括密闭试验腔体、旋转增速系统、载荷测量工装和数据采集系统；所述的旋转增速系统安装在密闭试验腔体的腔盖上；载荷测量工装位于密闭试验腔体内，与所述的旋转增速系统连接；所述的数据采集系统用于在试验时实时采集试验数据；所述的载荷测量工装包括工装芯轴(8)、轮盘(10)、叶片(11)、测力爪盘(14)和压紧装置，所述的工装芯轴(8)顶部连接旋转增速系统的动力输出端，所述的轮盘(10)和测力爪盘(14)由压紧装置固定在工装芯轴(8)上，且轮盘(10)位于测力爪盘(14)之上，叶片安装于轮盘(10)的榫槽(24)内；所述的测力爪盘(14)和工装芯轴(8)上安装有应变片，分别用于测量单个叶片轴向动载荷和所有叶片整体轴向动载荷。2.根据权利要求1所述的一种叶片轴向动载荷测量装置，其特征在于，所述的测力爪盘(14)为回转体结构，包括带中心通孔的阶梯盘和凸台，所述的凸台的一端同轴固定在阶梯盘的底部端面上，凸台的另一端沿中心通孔周向均布动平衡标定螺纹孔(35)，且凸台的侧壁设有连通中心通孔的穿接孔(38)；所述的阶梯盘的盘外缘部位设有与轮盘(10)的榫槽(24)一一对应的花爪(25)，所述花爪抵接在叶片榫头侧面上。3.根据权利要求2所述的一种叶片轴向动载荷测量装置，其特征在于，所述的花爪(25)背向榫槽(24)的一侧安装有用于测量单个叶片轴向动载荷的第一应变片。4.根据权利要求3所述的一种叶片轴向动载荷测量装置，其特征在于，所述的工装芯轴(8)包括依次相连的连接段、第一凸台段、第二凸台段和辅助段；所述的连接段用于连接旋转增速系统的动力输出端，第一凸台段用于定位轮盘(10)，第二凸台段用于定位测力爪盘(14)；所述的第二凸台段上还设有直径较小的测力拉杆段。5.根据权利要求4所述的一种叶片轴向动载荷测量装置，其特征在于，所述的第一凸台段和第二凸台段上设有局部螺纹段，在第一凸台段的局部螺纹段后和第二凸台段的局部螺纹段前设有用于安装测力爪盘(14)的第二配合面(31)，所述的第二配合面(31)与测力爪盘(14)的中心通孔内壁相配合，测力拉杆段位于测力爪盘(14)的中心通孔内；在第一凸台段的局部螺纹段前设有用于安装轮盘(10)的第一配合面(35)，所述的第一配合面(35)与轮盘(10)的中心通孔内壁相配合。6.根据权利要求4所述的一种叶片轴向动载荷测量装置，其特征在于，所述的测力拉杆段的外壁安装有用于测量所有叶片整体轴向动载荷的第二应变片，所述的第二应变片沿周向均匀分布。7.根据权利要求4所述的一种叶片轴向动载荷测量装置，其特征在于，所述的压紧装置包括上压盖(9)、下压盖(12)、第一锁紧螺母(13)和第二锁紧螺母(17)；所述的上压盖(9)套装在工装芯轴(8)第一凸台段的凸台处，用于固定轮盘(10)的顶部；下压盖(12)套装在工装芯轴(8)第一凸台段的尾部，通过第一锁紧螺母(13)与第一凸台段上的局部螺纹段配合，用于固定轮盘(10)的底部；所述的第二锁紧螺母(17)与所述的第二凸台段上的局部螺纹段配合，用于固定测力爪盘(14)的底部。8.根据权利要求1所述的一种叶片轴向动载荷测量装置，其特征在于，所述的数据采集系统包括应变片、应变仪、转速传感器、振动传感器和高速电滑环测量引线；所述的高速电
滑环测量引线用于连接应变片和应变仪，转速传感器和振动传感器安装在旋转增速系统上，应变仪、振动传感器和转速传感器的输出端连接外部计算机。9.一种基于权利要求6所述的叶片轴向动载荷测量装置的测量方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈传勇，卢志辉，瞿明敏，宣海军，
申请(专利权)人：浙江海骆航空科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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