叶片榫根局部区域温度由室温升高至300°C。热电偶14焊接于榫根侧壁处用于监测加热过程中的温度变化。
[0031]导电滑环2由静环3和动环9两部分组成。导电滑环动环9随工装芯轴11 一起转动，通过固定螺钉6与工装芯轴11实现固定；导电滑环静环3不随转子转动而保持静止，通过滑环止转片4限制其跟随转动。布置在转子上的加热电源线及热电偶引线9与相应滑环动子出线5相连，滑环静子出线7中的加热线连入外部加热电路13，热电偶线连入温度显示表14，静环3和动环9之间通过电刷实现电流的传输，从而实现加热管17和热电偶14与外部电路的连接。
[0032]外部加热电路13由电流表8、加热启动开关12、交流接触器、空气开关、220V交流电源和连接导线组成。电流表8用于监测加热电路中电流的变化;加热启动开关12及交流接触器用于控制开启或关闭加热过程;空气开关在发生电路短路情况时对电路起到保护作用。
[0033]通过上述试验技术方法和装置实现的基于局部加热原理的高速旋转叶片定速飞断方法，包括以下步骤:
[0034]I)叶片榫根处预制小孔18，如图2(1)所示。预制小孔的目的，首先是适当削弱此处的强度储备，但又保证在常温下叶片到达目标转速时不会飞断；其次的是将高功率加热管17埋在此处的小孔中用于试验过程中的加热。因此，首先通过理论分析计算及有限元数值模拟计算确定预制小孔的位置和尺寸满足试验要求。
[0035]2)将高功率加热管17埋入预制小孔18处并用胶水封口，如图2(2)所示，将热电偶16焊接于叶片榫根侧壁19，加热电源线与热电偶引线10均牢固紧贴于轮盘表面，用铁片压住后再用结构胶固定。
[0036]3)连接试验转子和试验台高速驱动轴的工装芯轴11中心打孔，用于加热电源线和热电偶引线10的走线。
[0037]4)高速旋转状态下的加热管17和热电偶16与外部电路的连接通过导电滑环2实现，将转子上的加热电源线和热电偶引线10与滑环动子出线5相连，外部加热电路13及温度显示表14与滑环静子出线7相连。
[0038]5)试验过程中，当试验台驱动轴带动试验转子升速至目标转速并稳定运行后，打开加热启动开关12，启动叶片加热飞断装置。
[0039]6)加热2-3min时间后，叶片榫根局部区域的温度迅速升高至300°C，此时叶片材料拉伸极限强度下降约25%，在离心力的作用下，叶片在此处断裂飞出，叶片飞断转速即为试验台保持的目标试验转速。
[0040]7)高速旋转的叶片离心飞出撞击机匣后，包容试验结束，关闭叶片加热飞断装置。
[0041]打孔位置为叶片榫根厚度最小处，使打孔处剩余横截面积最小;预制孔贯穿整个榫根，使叶片榫根局部横截面受热均匀，保证试验过程中在温度升高后，叶片在打孔处沿横截面飞断。根据叶片金属材料拉伸极限强度随温度升高而下降的比例，通过理论分析和有限元数值计算分析设计计算相应打孔尺寸，通过控制打孔尺寸按相同比例预留部分强度储备，保证在试验过程中，在常温下升至预定目标转速时叶片不会断裂，而经榫根局部加热后，叶片局部温度升高，材料极限强度下降，叶片从榫根局部加热部位断裂飞出。
[0042]本发明中，试验叶片材料(TC4，一种钛合金)的抗拉强度随温度升高而下降，从图3中可以看出，当温度升高至300°C左右时，材料拉伸极限强度下降约25%。所以通过预制小孔对叶片榫根只预留了 25%的强度储备，开孔尺寸也是基于这个原则计算设计的。
[0043]图4表示叶片榫根处局部加热后，榫根附近区域的温度场分布。从图中可以看出，只有加热管附近局部区域形成200-300°C的高温区，周围区域尤其是轮盘和叶片叶身区域，温度较低，仅有30-60°C，与室温接近，不会影响轮盘和叶片叶身的强度。
[0044]如图5所示，为一次典型的成功使用加热飞断技术进行包容试验的过程曲线。横轴表示时间，左竖轴表示转速，右竖轴表示试验台主轴振动。从曲线中可以看出，当试验进行到约350s时，转子升速至预定目标试验转速，此时启动加热飞断装置，开始加热。加热大约2-3min后，叶片飞断，试验台主轴振动迅速增加，试验台降速。
【主权项】
1.一种用于机匣包容试验的叶片局部加热定速飞断试验装置，其特征在于包括加热系统和温度监测系统，所述的加热系统包括高功率加热管(17)、加热电源线、导电滑环(2)和加热电路，所述的温度监测系统包括电偶(16)、热电偶引线和温度显示表(14)，在工装芯轴(11)内预设用于布置加热电源线和热电偶引线的孔，高功率加热管(17)预埋在叶片榫根内，热电偶(16)焊接于叶片榫根侧壁(19)，高功率加热管(17)通过加热电源线、导电滑环(2)与加热控制电路相连，热电偶(16)通过热电偶引线、导电滑环(2)与温度显示表(14)相连。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的导电滑环(2)由静环(3)和动环(9)两部分组成，导电滑环动环(9)随工装芯轴(11) 一起转动，通过固定螺钉(6)与工装芯轴(11)实现固定;导电滑环静环(3)受滑环止转片(4)限制，使其不随转子转动而保持静止，布置在转子上的加热电源线(10)及热电偶引线与相应滑环动子出线(5)相连，滑环静子出线(7)中的加电源热线连入外部加热电路，热电偶引线连入温度显示表(14)，静环(3)和动环(9)之间通过电刷实现电流的传输，从而实现加热管(17)和热电偶(14)与外部电路的连接。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的加热电路包括电流表(8)、220V交流电源、加热启动开关(12)、交流接触器、空气开关。4.一种利用权利要求1-3中任一项所述装置实现的叶片定速飞断的试验方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)叶片榫根处预制小孔(18)，用于减弱此处的强度并用来预埋高功率加热管(17)， 2)将高功率加热管(17)埋入步骤I)中的预制小孔(18)中并用胶水封口，将热电偶(16)焊接于叶片榫根侧壁(19)，加热线与热电偶引线(10)均牢固紧贴于轮盘表面，用铁片压住后再用结构胶固定； 3)用于连接试验转子和试验台驱动轴的工装芯轴(11)中心打孔用于加热电源线(10)和热电偶引线的走线； 4)将转子上的加热电源线及热电偶引线与滑环动子出线(5)相连，外部加热电路及温度显示表(14)与滑环静子出线(7)相连； 5)试验过程中，当试验台驱动轴带动试验转子升速至目标试验转速并稳定运行后，打开加热启动开关(12)，启动叶片加热飞断装置； 6)加热一段时间后，焊接在叶片榫根侧壁的热电偶监测到叶片榫根局部区域温度快速升高，此时材料抗拉极限强度下降，叶片榫根承载能力降低，在离心力的作用下，叶片在此处断裂飞出，飞断转速即为试验台保持的目标试验转速； 7)高速旋转的叶片飞断撞击机匣后，包容试验结束，关闭叶片加热飞断装置。5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于所述步骤I)中的打孔位置为叶片榫根厚度最小处，使打孔处剩余横截面积最小;预制孔贯穿整个榫根，使叶片榫根局部横截面受热均匀，保证试验过程中在温度升高后，叶片在打孔处沿横截面飞断，依据相应叶片金属材料拉伸极限强度随温度升高而下降的比例，通过控制打孔尺寸按相同比例预留部分强度储备，保证在试验过程中，叶片局部温度升高后，材料极限强度下降，叶片从榫根局部加热部位断裂飞出。
【专利摘要】本发明公开了一种基于局部加热原理的用于航空发动机机匣包容试验的叶片定速飞断试验技术。在叶片榫根部位预埋加热器，当高速旋转试验器将试验转子加速至目标转速稳定运行后，启动叶片加热飞断装置，叶片榫根局部区域温度持续升高，叶片抗拉极限强度下降后，在离心力的作用下叶片从榫根处断裂飞出。此方法转速控制精确度高，可靠性好，而且不会对飞断叶片施加额外的冲击载荷，大大提高了航空发动机机匣包容试验的试验精度，降低了试验周期和试验成本。叶片加热飞断装置包括高功率加热管、热电偶、加热电源线及热电偶引线、导电滑环、外部加热电路、温度显示表等，处于高速旋转状态下的加热管及热电偶与外部电路的连接通过导电滑环实现。
【IPC分类】G01N3/18
【公开号】CN105716962
【申请号】CN201610074086
【发明人】何泽侃, 白聪儿, 宣海军, 胡燕琪, 瞿明敏, 蔡全卓
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年6月29日
【申请日】2016年2月1日