一种基于局部加热原理的航空发动机叶片加热飞断装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于局部加热原理的航空发动机叶片加热飞断装置。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。
【专利说明】
一种基于局部加热原理的航空发动机叶片加热飞断装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种基于局部加热原理的航空发动机叶片加热飞断装置，尤其涉及一种基于叶片根部局部加热原理的叶片飞断转速精确可控的用于机匣包容试验的叶片定速飞断装置。
【背景技术】
[0002]航空发动机的高速旋转部件长期工作在极端载荷和恶劣环境下，受外物撞击、高周疲劳、过热和材料缺陷等原因影响，不可避免的会出现高速旋转叶片断裂破坏。此时如果机匣不够坚固，会被离心飞出的高速高能断叶碎片击穿，随后飞出碎片会击穿飞机机舱与油箱、击断液压管路与电气控制线路等，造成严重的二次破坏，危及乘客和机组人员的安全，导致严重空难的发生。因此各航空大国对航空发动机包容问题都非常重视，在民用和军用航空发动机规范中都有专门条文对包容性做出严格规定。美国联邦航空规则(FAR)第33篇94节、英国国防标准《(00-971)航空燃气涡轮发动机通用规范》第2篇12.8.7节和第3篇19.3.5节严格规定机匣需要具有足够的强度以包容在最高工作转速下飞断的单个叶片，并对包容试验进行了详细要求。中国民用《航空发动机适航规定》(CARR-33)和军用《航空涡轮发动机包容性要求》(GJB 3366-1998)中也对机匣包容作出相似的规定。任何军用或民用发动机，在取得适航证之前，都必需通过考核其包容能力的试验。其中机匣包容是包容能力考核的主要方面，使叶片在某一预定转速(发动机最高工作转速)下飞断撞击机匣以测试机匣的包容能力。
[0003]通常的做法是在叶片根部预制一定深度的裂纹，使得叶片在预定的转速范围内飞断。但由于加工误差、材料性能偏差及计算误差的影响，很难准确控制叶片在预定转速下飞断，需要预先设置较宽的允许转速范围，不能完全达到适航试验要求。且试验过程中通常需要从一个保守的切割量逐步增大，试验结构可能需要多次的拆装，造成试验周期和试验成本的极大增加。此方法若应用于真实航空发动机风扇叶片包容试验造成试验失败，将造成极大的试验损失。
[0004]公开号为CN201310217041.1的中国专利公开了一种基于线型聚能切割技术的叶片飞断方法，该方法将专用聚能切割器安装在叶片根部，在到达试验转速后，通过无线起爆器引爆聚能炸药，爆轰产物以极大的压力作用于金属药形罩，形成高速高能金属射流，对叶片起到侵蚀切割作用。该方法解决了在预定转速下使叶片飞断的问题。但其通过聚能炸药爆轰的方式会给叶片增加额外的爆炸冲击载荷，增加了扰乱试验结果的变量，影响包容试验的效果。且炸药的使用对试验条件、试验环境和试验资质都有较高的要求，试验流程较长，造成试验周期和成本增大。无线起爆的方式易被其他电磁杂波信号干扰，造成误触发引爆，若在进行真实航空发动机风扇叶片包容试验时发生误触发引爆，将造成极大试验损失。
【发明内容】
[0005]本实用新型针对现有技术的不足，创造性地通过在叶片榫根部位局部加热以局部减弱叶片材料性能的方式，实现了叶片在预定转速下精确可控地飞断，提供了一种可用于航空发动机机匣包容试验的叶片定速飞断试验装置。此技术方法的基本原理是利用金属材料的力学性能随温度的升高而降低的原理，通过一种装置实现对高速旋转状态下的叶片榫根处进行局部加热，此处叶片局部温度升高后，材料极限强度下降，在试验转速不变的情况下，尽管叶片产生的离心力不变，但由于局部区域承载能力降低，叶片从榫根局部加热部位断裂飞出。
[0006]本实用新型还提供了一种基于上述技术原理设计的用于实现航空发动机叶片定速飞断过程的叶片加热飞断装置，整个装置包括高功率加热管、热电偶、导电滑环、电流表、温度表、加热启动开关等。
[0007]一种基于局部加热原理的航空发动机叶片加热飞断装置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、加热电源线、导电滑环和加热电路，所述的温度监测系统包括热电偶、热电偶引线和温度显示表，在工装芯轴内预设用于布置加热电源线和热电偶引线的孔，高功率加热管预埋在叶片榫根内，热电偶焊接于叶片榫根侧壁，高功率加热管通过加热电源线、导电滑环与加热控制电路相连，热电偶通过热电偶引线、导电滑环与温度显示表相连。
[0008]加热系统中，高功率加热管用于对叶片榫根部位进行局部加热，使局部温度迅速升高；导电滑环动环通过加热线与加热管相连，动环随转子一起转动，静环与外部加热电路相连，滑环在试验过程中起到从外部静止电路向内部处于旋转状态的加热管传输电流的作用；电流表用于监测加热电路中电流的变化;加热启动开关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。
[0009]温度监测系统中，热电偶用于检测叶片榫根侧壁处的温度，作为试验过程中的监测量;导电滑环动环通过热电偶线与热电偶相连，动环随转子一起转动，静环与外部温度显示表相连，滑环在试验过程中起到向外部传输温度信号的作用；温度显示表用于显示热电偶检测的温度值，用220V交流供电。
[0010]与现有技术相比，本实用新型的具有的有益效果有:
[0011]1、通过本实用新型提供的试验技术方法和装置使航空发动机机匣包容试验做到对叶片飞断转速的精确控制，大大提高了包容试验结果的精确性，缩短了试验周期。
[0012]2、采用本实用新型提供的试验技术方法和装置，试验过程中不会对飞断叶片施加任何额外的冲击载荷，叶片在自身离心力的作用下从榫根处断裂飞出。
[0013]3、通过导电滑环有线输电的方式，可大大降低电磁干扰对试验过程的影响，并通过温度实时监测提高试验的可靠性和准确度。
【附图说明】
[0014]图1为加热飞断装置结构示意图；
[0015]图2(1)为叶片榫根处打孔的示意图；
[0016]图2(2)为叶片榫根处安装加热管的示意图；
[0017]图3为叶片材料拉伸极限强度随温度升高而下降曲线图；
[0018]图4为叶片榫根局部加热后温度场分布图；
[0019]图5为叶片局部加热定速飞断包容试验的过程曲线图。
[0020]图中:1、轮盘及转接工装，2、导电滑环，3、导电滑环静环，4、滑环止转片，5、滑环动子出线，6、滑环动环固定螺钉，7、滑环静子出线，8、电流表，9、导电滑环动环，10、加热线及热电偶线，11、工装芯轴，12、加热启动开关，13、外部加热电路，14、温度显示仪表，15、风扇叶片，16、热电偶，17、高功率加热管，18、叶片榫根预打孔，19、榫根侧壁。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型。
[0022]如图1所示，一种基于局部加热原理的用于实现叶片定速飞断过程的装置包括高功率加热管17、热电偶16、加热电源线及热电偶引线9、导电滑环2、外部加热电路13、温度显不表14等。
[0023]高功率加热管17通过220V电压供电，加热功率200W，能够迅速使叶片榫根局部区域温度由室温升高至300°C。热电偶16焊接于榫根侧壁处用于监测加热过程中的温度变化。
[0024]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16与外部电路的连接。
[0025]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。
[0026]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:
[0027]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。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]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。
[0031]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。
[0032]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。
[0033]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。
[0034]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。
[0035]本实用新型中，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。
[0036]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。
[0037]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】
1.一种基于局部加热原理的航空发动机叶片加热飞断装置，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热电偶(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所述的叶片加热飞断装置，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(16)与外部电路的连接。3.根据权利要求1所述的叶片加热飞断装置，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。
【文档编号】G01M15/02GK205426522SQ201620107374
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年2月1日
【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