涡轮转子叶片振动特性的检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及航空发动机检测领域，具体而言，涉及一种涡轮转子叶片振动特性的检测装置和检测方法。

背景技术

航空发动机的涡轮转子叶片在工作时承担非常大的温度、气动压力以及离心力。涡轮叶片在发动机工作时，经常会由于过大的振动应力导致高周疲劳断裂，从而导致发动机失去推力。目前通常通过两个方面的试验，避免高压涡轮转子叶片在工作过程中发生不可接受的振动应力，预防叶片的高周疲劳断裂。一方面试验是采用单独的夹具固定高压涡轮叶片，测量根部固定时高压涡轮转子叶片的振动特性，通过振动台或激振器给予叶片振动激励，测量高压涡轮叶片所能够承受的振动应力极限；另一方面会在核心机或发动机整机试验中，测量高压涡轮转子叶片的实际振动应力，并和振动应力极限进行比较，保证实际的振动应力远小于振动应力极限。前一个试验是单个涡轮叶片的振动试验，试验时叶片的安装结构和刚度通常和发动机实际的情况差别甚远，振动特性测量结果误差较大；后一个试验由于是在核心机或整机上开展试验，结构因素限制大，可以测量的位置少。工作状态的环境温度和离心力高，高温应变计存活率非常低，可以获得的有效数据很少。

发明内容

本发明旨在提供一种涡轮转子叶片振动特性的检测装置和检测方法，以改善相关技术中存在因被测叶片的状态与其安装在发动机上的工作状态差别较大而导致的检测结果误差较大的问题。

根据本发明实施例的一个发明，提供了一种涡轮转子叶片振动特性的，检测装置包括：

真空仓，用于安置涡轮转子；

驱动部，配置成可与涡轮转子的叶盘传动连接，以带动涡轮转子转动；

至少一个喷嘴，设在真空仓内，配置成可朝安装在叶盘上的叶片喷射流体，以激发叶片振动；

测量部，包括设在真空仓内的应变计，以检测叶片的振动特性。

在一些实施例中，多个喷嘴沿真空仓的周向并排布置。

在一些实施例中，

在真空仓的周向上并排设置的喷嘴的数量可调；或

在真空仓的周向上并排设置的多个喷嘴中处于工作状态的喷嘴的数量可调。

在一些实施例中，

喷嘴可拆卸地安装在真空仓，以便于调整喷嘴的数量；或

检测装置还包括与喷嘴一一对应地设置的多个阀，阀与相应的喷嘴连通。

在一些实施例中，驱动部包括：

驱动电机，设在真空仓的外侧；

连接轴，与驱动电机连接并延伸至真空仓的内部，以连接涡轮转子。

在一些实施例中，测量部还包括：

线缆，与应变计连接，并随连接轴转动；

滑环引电器，套设在连接轴上，滑环引电器包括固定部件和与线缆连接并随线缆转动的运动部件，固定部件与运动部件电连接。

在一些实施例中，检测装置还包括与滑环引电器的固定部件通过线缆连接的信号处理仪。

在一些实施例中，喷嘴的喷射量可调，以调节对叶片的激振力。

根据本发明的另一方面，还提供了一种涡轮转子叶片振动特性的检测方法，检测方法包括：

组装涡轮转子，包括将叶片安装在叶盘上；

将涡轮转子放置在真空仓中；

驱动涡轮转子转动；

向叶片喷射流体，以激发叶片振动；

检测叶片的振动特性参数。

在一些实施例中，组装涡轮转子包括将多级叶盘连接在一起和在每级叶盘上安装叶片。

在一些实施例中，检测方法还包括调整激发叶片的振动频率，调整激发叶片的振动频率包括：

调整涡轮转子的转速；

调整沿涡轮转子的周向布置、向叶片喷射流体的喷嘴的数量。

在一些实施例中，调整激发叶片的振动频率包括调整不同级的涡轮转子的叶片的振动频率不同。

应用本发明的技术方案，被测的叶片安装在叶盘以形成涡轮转子，并在驱动部的驱动下转动，从而使得被测叶片的状态与其正常的工作状态接近，有利于改善相关技术中存在的被测叶片的状态与其安装在发动机上的工作状态差别较大而导致的检测结果误差较大的问题。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明的实施例的涡轮转子叶片振动特性的检测装置的结构示意图；

图2示出了本发明的实施例的涡轮转子叶片的局部放大图；

图3示出了本发明的实施例的检测装置检测到的叶片的振动特性参数图；

图4示出了本发明的实施例的检测装置检测到的叶片在旋转状态下时间，频率和振幅的关系示意图，黑线粗细代表了振幅；

图5示出了本发明的实施例的叶片上的阻尼的安装位置示意图；

图6示出了本发明的实施例的叶片上的阻尼和应变的关系对照图。

图中：

1、涡轮转子；2、驱动部；3、测量部；4、喷嘴；5、叶盘；6、叶片；7、驱动电机；8、轴承；9、连接轴；10、滑环引电器；11、应变计；12、信号处理仪；13、真空仓；14、阻尼；20、泵；201、回收管路；202、输送管路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明的实施例的涡轮转子叶片振动特性的检测装置的结构示意图。图2示出了本发明的实施例的涡轮转子叶片的局部放大图。

结合图1和图2所示，本实施例的涡轮转子叶片振动特性的检测装置包括用于安置涡轮转子1的真空仓13、用于驱动涡轮转子1转动并控制涡轮转子1的转速的驱动部2、设在真空仓13内的至少一个喷嘴4和配置成测量叶片6的振动特性的测量部3。

涡轮转子1包括叶盘5和通过榫接结构连接在叶盘5上的多个叶片6。多个叶片6沿叶盘5的周向布置。涡轮转子1包括沿轴向并排布置的多级涡轮转子，每级涡轮转子均包括叶盘5和安装在叶盘5上的多个叶片6。

如图5所示，在一些实施例中，在涡轮转子1被检测时，叶片6的缘板的下方还设置有阻尼14。

设在真空仓13内的喷嘴4向涡轮转子1的叶片6喷射流体以激发叶片6振动。本实施例中喷嘴4喷出的流体为油液。

测量部3包括设在真空仓13内的应变计11和与应变计11电连接的信号处理仪12。如图2所示，应变计11贴敷在叶片6上以采集叶片6的振动信息，应变计11将代表振动信息的电信号传达给信号处理仪12，信号处理仪12将上述的电信号转变为应变数据。

在一些实施例中，为了便于明显的测量叶片6的振动应力，应变计11粘贴在叶片6的吸力面底部。

本实施例中，被测的叶片6安装在叶盘5上以形成涡轮转子1，并在驱动部2的驱动下转动，从而使得被测叶片6的状态与其正常的工作状态接近，有利于改善相关技术中存在的被测叶片6的状态与其安装在发动机上的工作状态差别较大而导致的检测结果误差较大的问题。

涡轮转子1包括连接在一起的多级叶盘5，每级叶盘5上均连接有叶片6，叶片的安装形式和发动机真实状态一致，在试验时通过驱动部2驱动涡轮转子1高速旋转来模拟叶片6在发动机工作状态下受到的离心力。被测试的涡轮转子1放在真空仓13内，旋转时真空仓13内被抽真空，避免涡轮转子1和空气摩擦产生热量。

进一步地，被测的叶片6以及叶盘5被放置在真空仓13中，改善了相关技术中存在的高速旋转的叶片6与空气摩擦产生的大量热量影响应变计11的寿命和检测精度的问题。

真空仓13内沿其周向并排布置有多个喷嘴4。涡轮转子1放置在真空仓13内后，多个喷嘴4沿涡轮转子1的周向并排布置。在检测叶片6的振动特性时，至少部分的喷嘴4持续地喷出流体，在涡轮转子1的叶片6每经过一个喷出流体的喷嘴4就被激振一次，因此通过调整涡轮转子1的转速或者调整在涡轮转子1的周向上朝叶片6喷射流体的喷嘴4的数量均可以调整叶片6在单位时间内被激振的次数，从而实现了对叶片6的激振频率的调整。

喷嘴4在周向均匀布置在真空仓13的内壁面，通过将流体喷到旋转中的叶片6上，从而提供周期性的激振力，叶片6受到的激振频率满足公式：激振频率＝转速×喷嘴个数。

喷嘴4的喷射量可调，以调整对叶片6的激振力。喷嘴4通过每秒喷出的质量控制叶片6受到的激励大小，喷嘴4通过调整油液喷出的形状控制叶片6受到的激励位置和面积。

每级叶盘5的周向上均设置有至少一个喷嘴4，以激发相应的叶盘5上安装的叶片6振动。通过控制每一级叶盘5的周向上的喷嘴4的数量，可实现在相同转速下不同级的叶片激振频率不同。喷嘴4以压力为评判标准，需要保证喷嘴4喷出的液体成圆锥体的最小压力，然后进行油压标定。根据试验要求设定油压。

在一些实施例中，喷嘴4可拆卸地安装在真空仓13中，以便于调整沿涡轮转子1的周向布置的喷嘴4的数量。

在另一些实施例中，检测装置还包括与喷嘴4一一对应地设置的多个阀，阀与相应的喷嘴4连通，以控制相应的喷嘴4是否喷出流体，通过控制阀的开闭可调整喷出流体的喷嘴的数量，从而调整叶片6的激振频率。

检测装置还包括用于向喷嘴4提供流体的泵20和连接在泵20和喷嘴4之间的输送管路202。检测装置还包括用于排出真空仓13内的流体的回收管路201。

如图1所示，驱动部2包括设在真空仓13的外侧的驱动电机7和与驱动电机7连接的连接轴9。连接轴9与驱动电机7连接并延伸至真空仓13的内部，以连接涡轮转子1。

检测装置还包括套设在连接轴9上的轴承8。轴承8形成一个用于支撑安装连接轴9的支点。支点通过轴承8限制了连接轴9的竖向和横向位移，从而间接将涡轮转子1悬空在真空仓13内。

在一些实施例中，真空仓13呈圆柱形。真空仓13与连接轴9同轴。在涡轮转子1安装在连接轴9上时，涡轮转子1与真空仓同轴。

如图1所示，测量部3还包括线缆和滑环引电器10。线缆与应变计11连接，并随连接轴9转动；滑环引电器10，套设在连接轴9上，滑环引电器10包括固定部件和与线缆连接并随线缆转动的运动部件，固定部件与运动部件电连接。滑环引电器10通过支点固定在地面。

检测装置还包括与滑环引电器10的固定部件通过线缆连接的信号处理仪12。

根据本发明的另一方面，本实施例还提供了一种涡轮转子叶片振动特性的检测方法，检测方法包括：

组装涡轮转子1，包括将叶片6安装在叶盘5上；

将涡轮转子1放置在真空仓13中；

驱动涡轮转子1转动；

向叶片6喷射流体，以激发叶片6振动；

检测叶片6的振动特性参数。

组装涡轮转子1包括将多级叶盘5连接在一起和在每级叶盘5上安装叶片6。

检测方法还包括调整激发叶片6的振动频率，调整激发叶片6的振动频率包括：

调整涡轮转子1的转速；或

调整沿涡轮转子1的周向布置、向叶片6喷射流体的喷嘴4的数量。

涡轮转子叶片振动特性的检测的步骤如下：

1、将应变计11粘贴在被测叶片6上，应变计11通过导线连接到滑环引电器10，通过滑环引电器10将转动状态的涡轮转子上的电信号传递到静止的信号处理仪12，由信号处理仪12将电压数据转换为应变数据。

2、将转子涡轮转子1放入真空仓13中，并抽出真空仓13中的空气，将内部的压力降低到100Pa以下。抽真空的目的是为了防止试验时高速旋转的转子和空气摩擦产生热量。

3、通过驱动电机7缓慢将涡轮转子的转速上升到试验转速，在试验转速停留，通过信号处理仪12记录应变的时域数据并存储到存储设备中。

4、打开喷嘴4，将油液喷出质量设置为某一固定数值，通过信号处理仪12记录应变的时域数据和频域数据并存储到存储设备中。

5、由于叶片的固有频率有一定的分散性，通过调整驱动电机7改变涡轮转子1的转速，使转速在试验转速上下一个转速带内缓慢升降，通过信号处理仪12记录应变的时域数据和频域数据并存储到存储设备中。

6、调整喷嘴4的油液喷出质量为另一个固定数值，改变叶片6受到的激励大小，重复第5步的试验。

7、停止信号处理仪12的数据记录，关闭喷嘴4，降低涡轮转子转速至0，向真空仓13内冲入空气，打开真空仓，去除涡轮转子1，检查涡轮转子1是否有损伤。

应变信号处理仪12记录的原始数据为应变随时间变化的时域数据，如图3，图中横坐标是时间，纵坐标是应变大小，图中曲线代表了叶片上应变计所测量的应变大小随时间的变化。通过傅里叶变换处理信号处理仪12记录的应变数据，将数据处理为如图4所示的频域的形式，图4为一个三维数据图，横坐标代表了涡轮转子的时间，纵坐标代表了叶片的振动频率，图中的黑线粗细代表了应变大小。图4表征了叶片在旋转状态下的阻尼、固有频率等振动特性信息，同时也可以判断叶片是否在试验转速范围内发生了明显的共振。图5表征了叶片6的缘板下阻尼14位置的示意图。图6为不带阻尼和带不同质量阻尼的叶片应变效果示意图，横坐标为无阻尼和不同的阻尼质量，质量归一化。纵坐标为应变，应变归一化。

本实施例所解决的技术问题为：

1、由于叶片6和叶盘5的连接结构对于振动特性影响非常大，单独的对叶片6进行测试和发动机的真实情况相差很大，所以试验对象必须是包含了叶片-叶盘组件；

2、离心力会改变叶片自身的刚度分布，振动特性试验方法必须要能够考虑叶片自身的离心力，本实施例中叶片在转动的状态下进行测试；

3、发动机工作环境下的振动激励来源广，低至转子基频的200Hz左右，高至前后叶片6引起的激励频率约10000Hz以上，振动特性测试方法对叶片的激励频率需要能够至少涵盖500Hz～20000Hz。

4、多级涡轮转子不同级叶片试验时所需的激振频率不一样，在同一个转速下，需要给不同级叶片不同的激振频率；

5、由于不同的激振力下叶片的振动特性是不一样的，所以试验方法必须能够调节激振力的大小。

本试验方法解决了高速旋转状态下，对刚性较大的叶片实现激振的难点，解决了旋转状态下对振动响应实现时时获取试验数据的难点。发明了一种高速旋转状态多级涡轮叶片-叶盘的振动特性试验系统；建立了旋转状态涡轮叶片激励和测试方法。本试验方法可以直接获取常温下真实转子系统的在发动机工作状态叶片振动特性，叶片频率等。该方法获取的试验数据可用于叶片设计，测得应变值可用于阻尼装置设计。

本试验可以考虑叶片自身各点在离心力作用下，刚度的改变，获取真实的叶片频率。

通过不同级叶片不同的激振频率，调节喷嘴数，本试验方法不仅可以试验单级转子系统的振动测试。而且适用于多级转子系统的振动测试

以上仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。