用于高压涡轮叶片振动应力测量试验器的内涵喷管

技术领域

本发明属于涡轮发动机技术领域，具体涉及一种用于高压涡轮叶片振动应力测量试验器的内涵喷管。

背景技术

涡轮叶片是涡轮发动机的重要部件，在高温高转速强振动等恶劣环境下工作。涡轮叶片断裂故障是发动机常见故障，在发动机研制过程中，叶片断裂故障经常出现且机理复杂。为了彻底阐明叶片断裂故障机理，可通过开展涡轮叶片振动应力动态测量，获得涡轮叶片共振转速、共振频率、振动模态等关键信息，为涡轮叶片断裂机理研究提供数据支持，为解决涡轮叶片断裂故障提出可行技术途径。

涡轮叶片振动应力测量的基本原理为：在叶片表面粘贴应变片，在高压涡轮工作状态下，利用引线将振动信号通过滑环引电器输出至测试系统，直接获得叶片旋转时的振动应力，如图1所示。由于双轴涡扇发动机结构复杂，在整机状态下开展振动应力动态测量试验难度大，风险高，因此目前多采用核心机试验的方式进行测量。

以待测量的双轴涡扇发动机为基础开展核心机试验器设计。删除原发动机的低压转子系统，使得应变片引线可以从高压轴中穿出，引到试验器前端的滑环引电器中。高压涡轮后燃气不再对低压涡轮转子做功，直接由内涵喷管排出。内涵喷管由喷管和中心锥组成，喷管和中心锥通过支板连接。内涵喷管通过螺钉安装在低压涡轮导向器上。

基于核心机试验器的高压涡轮叶片振动应力测量试验中，高压涡轮后燃气不再对低压涡轮转子做功，直接由内涵喷管排出，这导致以下两个问题：

1、高压涡轮排气反压与发动机真实工作状态不同，不能真实模拟高压涡轮叶片的工作环境和载荷；

2、内涵喷管承受的气动、温度载荷与发动机真实工作环境相比显著恶劣，采用发动机原内涵喷管其安全性和可靠性显著降低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种内涵喷管结构，以满足高压涡轮叶片振动应力核心机动测试验所用。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于高压涡轮叶片振动应力测量试验器的内涵喷管，包括：喷管1、前锥2、后锥3、中心锥4和支板5；

所述中心锥4通过周向均布的空心的支板5与喷管1连接；所述支板5通过点焊焊接到喷管1的内壁；

所述前锥2通过钎焊焊接到中心锥4的前端，内涵喷管安装至试验器上时，前锥2的前端与低压涡轮导向器贴紧，为低压涡轮导向器后气流提供轴向流道；

所述后锥3通过钎焊焊接到喷管1的尾部，用于调整喷管1的排气面积，进而调整高压涡轮的排气反压；

所述喷管1的前部周向均布有多个径向孔，在所述径向孔内焊接凸块6，所述凸块6用于安装螺钉，内涵喷管在安装时，用所述螺钉穿过凸块6中心孔拧紧到低压涡轮导向器对应的螺纹孔上，从而将内涵喷管固定到低压涡轮导向器上，所述螺钉为内涵喷管安装螺钉。

优选地，所述凸块6为中间开孔的圆柱形块。

优选地，所述喷管1内壁焊接有两个加强环7，用于加强喷管1的刚度。

优选地，所述喷管1外侧安装有环形的空气冷却环，轴向位置与所述内涵喷管安装螺钉相同，所述空气冷却环上周向均布多个三通管接头，将三段弯管连接成空气冷却环的整体，所述空气冷却环内侧设有周向均布的小孔，所述空气冷却环安装在试验台上，并通过试验台提供冷却气，冷却气由多个三通管接头的外接头进入，由内侧小孔喷出，用于冷却所述内涵喷管安装螺钉附近的结构。

优选地，所述中心锥4通过周向均布的三个的空心支板5与喷管1连接。

优选地，所述喷管1的前部周向均布有10个径向孔。

优选地，所述空气冷却环内侧设有周向均布的直径为2mm的小孔。

优选地，所述空气冷却环上周向均布三个三通管接头。

本发明又提供了一种涡轮发动机，包括所述的内涵喷管。

本发明还提供了一种所述的内涵喷管在涡轮叶片振动应力测量中的应用。

(三)有益效果

本发明设计了一种内涵喷管结构，此结构通过调整喷管出口面积调节高压涡轮排气反压，进而能够在核心机试验器上模拟高压涡轮叶片的真实的工作环境。此外，本发明的内涵喷管能够在较大气动载荷和高温环境下保证结构的安全性。其中，

1.内涵喷管通过尾部增加尾椎(即后锥)调整出口面积，保证试验器高压涡轮排气反压；

2.内涵喷管的中心锥前端增加前锥并贴紧试验器低压涡轮导向器，为低压涡轮导向器后气流提供轴向流道，避免燃气向中心泄露；

3.内涵喷管上焊接凸块，用以安装螺钉，这样能够增加螺钉的受力面积，提高连接强度；

4.内涵喷管外增加一个环形空气冷却环。空气冷却环安装在试验台上，其轴向位置与内涵喷管安装螺钉相同。冷却环通过试验台提供冷却空气，由内侧小孔喷出，能够实现冷却内涵喷管安装螺钉附近结构。

附图说明

图1为现有涡轮叶片振动应力测量原理示意图；

图2为本发明的内涵喷管结构示意图；

图3为本发明中凸块示意图；

图4为本发明中空气冷却环的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提供了一种可以满足高压涡轮叶片振动应力核心机动测试验用的内涵喷管结构，使试验器能够真实模拟高压涡轮排气反压，试验器高压涡轮叶片工作环境与真实发动机高压涡轮叶片工作环境一致。另外，通过安装结构改进和增加空气冷却环，保证了内涵喷管的结构完整性。

如图2所示，本发明提供的一种用于高压涡轮叶片振动应力测量试验器的内涵喷管包括喷管1、前锥2、后锥3、中心锥4和支板5；

所述中心锥4通过周向均布的三个空心支板5与喷管1连接；所述支板5通过点焊焊接到喷管1的内壁；

所述前锥2通过钎焊焊接到中心锥4的前端，内涵喷管安装至试验器上时，前锥2的前端与低压涡轮导向器贴紧，为低压涡轮导向器后气流提供轴向流道，避免燃气向中心泄露；

所述后锥3通过钎焊焊接到喷管1的尾部，用于调整喷管1的排气面积，进而调整高压涡轮的排气反压；

喷管1的前部周向均布有10个，在所述径向孔内焊接凸块6。凸块6的结构如图3所示，凸块6为中间开孔的圆柱形块，用于安装螺钉。内涵喷管在安装时，用所述螺钉穿过凸块6中心孔拧紧到低压涡轮导向器对应的螺纹孔上，从而将内涵喷管固定到低压涡轮导向器上，所述螺钉为内涵喷管安装螺钉。通过在喷管1上焊接凸块增加螺钉的受力面积，提高连接强度。

喷管1内壁焊接有两个加强环7，用于加强喷管1的刚度。

如图4所示，喷管1外侧安装有环形的空气冷却环，轴向位置与所述内涵喷管安装螺钉相同，所述空气冷却环上周向均布三个三通管接头，将三段弯管连接成空气冷却环的整体，所述空气冷却环内侧设有周向均布的直径为2mm的小孔。所述空气冷却环安装在试验台上，并通过试验台提供冷却气，冷却气由三个三通管接头的外接头进入，由内侧小孔喷出，用于冷却所述内涵喷管安装螺钉附近的结构。

通过高压涡轮叶片振动应力核心机动测试验验证，本发明的内涵喷管气动性能保证了高压涡轮落压比与真实发动机一致，试验真实模拟了高压涡轮叶片工作的气动和环境条件。本发明的内涵喷管在多次试验中可靠工作，安全性得到验证。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。