本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用主動間隙控制系統(tǒng)的渦輪機(jī)匣傳熱與變形測量裝置。

背景技術(shù)：

燃?xì)廨啓C(jī)在不同工作狀態(tài)下，機(jī)匣與轉(zhuǎn)子葉片之間的間隙變化不同，例如巡航狀態(tài)下間隙要遠(yuǎn)大于起飛狀態(tài)，每減小0.254mm的葉尖間隙可減小0.8％-1％的耗油率、減小于10℃的排氣溫度，通過葉尖主動間隙控制技術(shù)能夠有效地降低發(fā)動機(jī)油耗，提高發(fā)動機(jī)效率，從而降低排氣溫度，減小NOx、CO、CO2排放，提高熱端部件的循環(huán)壽命，提高單次飛行任務(wù)的有效載荷并拓寬高壓壓氣機(jī)的失速邊界。采用渦輪主動間隙控制系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)，沖擊換熱下機(jī)匣的熱變形值，是控制渦輪機(jī)匣和轉(zhuǎn)子葉片葉尖間隙的重要數(shù)據(jù)支持。

關(guān)于主動間隙控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，NASA在2003年提出了一種機(jī)械式主動間隙控制系統(tǒng)(Mechanical ACC,M-ACC)及其改進(jìn)型，相對于傳統(tǒng)的采用冷氣對機(jī)匣進(jìn)行沖擊冷卻的方式(Thermal ACC,T-ACC)，其采用液壓裝置、伺服電機(jī)的方式，對機(jī)匣進(jìn)行徑向可控的變形量調(diào)整并詳細(xì)設(shè)計了相關(guān)的試驗方案，其試驗方案考慮了溫度場與壓力場，且對作動器的熱防護(hù)問題進(jìn)行了詳細(xì)敘述，并于2005年給出了部分試驗數(shù)據(jù)及在試驗中出現(xiàn)的問題及解決方法；Mattern提出了一種電磁式作動器，并對其效果進(jìn)行了驗證；Justak等人設(shè)計了一種控制渦輪葉尖間隙的自適應(yīng)雙層封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，外層為分段的密封面，作為第一級密封，內(nèi)層采用可變形金屬軟片作為第二級密封，其利用氣體在密封結(jié)構(gòu)中的壓降作為自適應(yīng)驅(qū)動力，來保證在整個飛行循環(huán)中轉(zhuǎn)靜子間隙保持在0.127-0.254mm；Knipser等人比較了基于機(jī)械式(M-ACC)與冷氣式(T-ACC)的兩種ACC系統(tǒng)，其認(rèn)為，T-ACC系統(tǒng)較為簡單，但發(fā)動機(jī)從T-ACC系統(tǒng)中獲得的性能增長并不是線性的，使用T-ACC系統(tǒng)會增加耗油率，并且，由于熱慣性的影響，T-ACC系統(tǒng)應(yīng)用于閉環(huán)控制時響應(yīng)速度慢，會增加碰磨的可能性，而為了減小碰磨的概率只得犧牲間隙控制的范圍。而M-ACC系統(tǒng)從發(fā)動機(jī)的出功中抽取的功率可以忽略不計，且不需要犧牲間隙控制范圍，適用于閉環(huán)、精確控制。但是，使用M-ACC系統(tǒng)后，機(jī)匣在高溫下除了溫度引起的內(nèi)應(yīng)力外會額外多一項來自于M-ACC系統(tǒng)的應(yīng)力，這會增加機(jī)匣的蠕變，減少循環(huán)壽命，即使用M-ACC系統(tǒng)后，提高了單次飛行任務(wù)中的燃油經(jīng)濟(jì)性，但縮短了其熱端部件的循環(huán)壽命。

對于主動間隙控制系統(tǒng)中的核心問題——沖擊換熱下機(jī)匣的溫度場及位移場的研究。在國外，最具代表性的就是NASA于1979年開展的針對JT9D-70/59的高壓渦輪ACC系統(tǒng)的研究，其在高壓渦輪機(jī)匣內(nèi)部設(shè)計安裝了封嚴(yán)支撐結(jié)構(gòu)，利用旋轉(zhuǎn)燃?xì)饧訙卦O(shè)備作為熱源來模擬主流燃?xì)?，在ACC系統(tǒng)的作用下，測量了機(jī)匣的溫度場與機(jī)匣的變形場，試驗中發(fā)現(xiàn)周向熱變形并不均勻，最大徑向熱變形為2.84mm，最小徑向熱變形為1.93mm。但是，旋轉(zhuǎn)燃?xì)饧訙卦O(shè)備所需費(fèi)用高昂，且在該試驗中未考慮機(jī)匣前后兩端的約束。在國內(nèi)，徐逸鈞等設(shè)計和搭建了可控變形機(jī)匣的模型試驗臺，利用石英加熱管作為加熱裝置模擬燃?xì)庵髁?，利用?shù)顯百分表測量了機(jī)匣的熱變形量，開展了ACC系統(tǒng)的效果驗證，但是，其采用的加熱方案為定熱流方案，與實際發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)有所差別。

綜上所述，在國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行的、提出概念并設(shè)計試驗方案的ACC系統(tǒng)的技術(shù)性驗證試驗，均將研究重點放在了有、無ACC系統(tǒng)作用時機(jī)匣的溫度場、位移場的變化規(guī)律上。本試驗方案針對機(jī)匣變形測量中的約束問題與機(jī)匣變形測量中的熱源模擬問題加以改進(jìn)，來驗證主動間隙控制系統(tǒng)對機(jī)匣徑向變形的調(diào)節(jié)效果，為主動間隙控制的設(shè)計工具和設(shè)計方法驗證提供翔實的試驗數(shù)據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點和不足，本發(fā)明旨在提供一種沖擊換熱下機(jī)匣熱變形測量裝置，所述裝置可以有效模擬沖擊換熱下機(jī)匣所受約束狀態(tài)，并且可以有效模擬并測量沖擊換熱下機(jī)匣的溫度場，此外還可以有效測量沖擊換熱下機(jī)匣變形場。本試驗方案的特點為，考慮了試驗機(jī)匣的上下端約束作用，在分析ACC系統(tǒng)中機(jī)匣所處熱環(huán)境的基礎(chǔ)上，采用加熱環(huán)與自動溫控機(jī)相結(jié)合的方式，采用定溫加熱的方式模擬主流燃?xì)狻?/p>

為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種沖擊換熱下機(jī)匣熱變形測量裝置，包括試驗臺、試驗機(jī)匣、上輔助機(jī)匣和下輔助機(jī)匣，其特征在于，

--所述試驗機(jī)匣的上端固定設(shè)置所述上輔助機(jī)匣，下端固定設(shè)置所述下輔助機(jī)匣，所述試驗機(jī)匣、上輔助機(jī)匣和下輔助機(jī)匣同軸布置，

其中，

所述上輔助機(jī)匣與試驗機(jī)匣之間、所述下輔助機(jī)匣與試驗機(jī)匣之間均通過緊固件固定連接在一起，三者之間的安裝狀態(tài)與實際安裝狀態(tài)保持一致；

所述試驗機(jī)匣的外表面布置沖擊式冷卻管路，所述沖擊式冷卻管路與實際安裝狀態(tài)一致；

--所述上輔助機(jī)匣的上端為無約束的自由狀態(tài)，所述下輔助機(jī)匣下端通過若干周向布置的測試棒固定支撐在所述試驗臺的支架上，各所述測試棒的上下兩端分別與所述下輔助機(jī)匣下端、試驗臺的支架固定連接，各所述測試棒的內(nèi)側(cè)表面粘貼應(yīng)變片，所述應(yīng)變片用以監(jiān)測各所述測試棒的軸向變形量，各所述測試棒的軸向變形量可轉(zhuǎn)化為所述下輔助機(jī)匣下端的徑向變形量；

--在所述試驗機(jī)匣、上輔助機(jī)匣和下輔助機(jī)匣的內(nèi)腔沿著軸向方向設(shè)置多個加熱環(huán)以模擬機(jī)匣內(nèi)部熱源，并用多通道溫度控制系統(tǒng)對每個加熱環(huán)進(jìn)行單獨(dú)控制以模擬機(jī)匣的溫度場，在所述試驗機(jī)匣、上輔助機(jī)匣和下輔助機(jī)匣的內(nèi)外壁點焊設(shè)置若干熱電偶以測量各機(jī)匣的溫度場，

其中，

所述加熱環(huán)包括加熱環(huán)支架，所述加熱環(huán)支架為薄壁圓筒狀結(jié)構(gòu)，其周向外表面上形成U形凹槽所述U形凹槽中布置有加熱單元，且所述加熱單元和U形凹槽的底面之間設(shè)有耐高溫彈性材料，用以使所述加熱單元在各個工況下均緊貼機(jī)匣內(nèi)壁。

優(yōu)選地，所述上輔助機(jī)匣、下輔助機(jī)匣的材料及結(jié)構(gòu)與實際安裝的機(jī)匣材料及結(jié)構(gòu)保持一致。

本發(fā)明的沖擊換熱下機(jī)匣熱變形測量裝置中，將所述加熱環(huán)支架設(shè)置為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其目的是為了方便整個加熱環(huán)的加工及后續(xù)調(diào)整。

優(yōu)選地，整個加熱環(huán)，包括其加熱環(huán)支架、加熱單元及加熱單元底部的耐高溫彈性材料，均采用分瓣結(jié)構(gòu)，其目的是為了保證加熱環(huán)支架溫度升高后不會變形，同時方便加熱單元發(fā)生損壞后及時調(diào)整與更換，并且有利于周向加熱溫度均勻。

優(yōu)選地，所述加熱環(huán)對各所述機(jī)匣沒有約束，并起到熱源的作用。

優(yōu)選地，為了在全溫度工況范圍內(nèi)實現(xiàn)加熱環(huán)零約束的要求，所述加熱環(huán)的直徑應(yīng)略小于機(jī)匣所需加熱位置內(nèi)徑，且所述加熱環(huán)所選材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)小于機(jī)匣材料的熱膨脹系數(shù)，其目的在于，在高溫下，加熱環(huán)與各所述機(jī)匣仍保持一定的間隙。

優(yōu)選地，所述沖擊式冷氣管路的安裝狀態(tài)與實際安裝狀態(tài)一致。

優(yōu)選地，各所述機(jī)匣外設(shè)置有接觸式測量傳感器以測量各所述機(jī)匣在各種工況下的徑向變形量。

本發(fā)明的沖擊換熱下機(jī)匣熱變形測量裝置中，在加熱單元下部埋入耐高溫彈性材料，其目的在于，當(dāng)機(jī)匣溫度升高后與加熱環(huán)支架之間間隙變大，利用該耐高溫材料的彈性，使加熱單元在各個工況下均緊貼機(jī)匣內(nèi)壁，準(zhǔn)確模擬內(nèi)熱源。本發(fā)明的沖擊換熱下機(jī)匣熱變形測量裝置中，采取在試驗機(jī)匣進(jìn)氣方向的前、后兩端加裝輔助機(jī)匣，其目的是為了準(zhǔn)確模擬試驗機(jī)匣在安裝狀態(tài)下所受到的結(jié)構(gòu)約束以及溫度場的約束，其中，上輔助機(jī)匣上端的結(jié)構(gòu)約束狀態(tài)為自由狀態(tài)，下輔助機(jī)匣下端的結(jié)構(gòu)約束狀態(tài)為可監(jiān)測的約束狀態(tài)。為準(zhǔn)確模擬試驗機(jī)匣的約束狀態(tài)，上下兩端輔助機(jī)匣的安裝方式，例如通孔的個數(shù)、方位及所用螺栓的預(yù)緊力矩，應(yīng)與實際安裝狀態(tài)一致；上下兩端輔助機(jī)匣的材料選擇應(yīng)與實際安裝的前后機(jī)匣材料一致。

本發(fā)明的沖擊換熱下機(jī)匣熱變形測量裝置中，對于下輔助機(jī)匣下端約束為可監(jiān)測狀態(tài)主要采取如下手段：考慮到高溫的影響，為避免下端輔助機(jī)匣與試驗臺直接接觸，采用在其底部周向加裝測試棒作為過渡；測試棒內(nèi)表面粘貼應(yīng)變片，通過標(biāo)定，將應(yīng)變片監(jiān)測到的測試棒軸向變形轉(zhuǎn)化為下輔助機(jī)匣下端的徑向變形。

同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的沖擊換熱下機(jī)匣熱變形測量裝置，其顯著優(yōu)點在于：(1)現(xiàn)有技術(shù)中試驗機(jī)匣的結(jié)構(gòu)約束不準(zhǔn)確，本發(fā)明采取在試驗機(jī)匣進(jìn)氣方向的前、后兩端加裝輔助機(jī)匣，可以準(zhǔn)確模擬試驗機(jī)匣在安裝狀態(tài)下所受到的結(jié)構(gòu)約束；(2)本發(fā)明的下輔助機(jī)匣下端的約束為可監(jiān)測的狀態(tài)，考慮到高溫的影響，下端輔助機(jī)匣應(yīng)避免與試驗臺直接接觸，采用加裝測試棒作為過渡，測試棒內(nèi)部粘貼應(yīng)變片，通過標(biāo)定，可將應(yīng)變片監(jiān)測到的測試棒軸向變形轉(zhuǎn)化為下輔助機(jī)匣下端的徑向變形；(3)本發(fā)明的加熱環(huán)可在全溫度工況范圍內(nèi)實現(xiàn)對機(jī)匣的零約束。(4)本發(fā)明中加熱環(huán)對機(jī)匣的定溫加熱方式可以準(zhǔn)確模擬試驗機(jī)匣的熱源。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的沖擊換熱下機(jī)匣熱變形測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明的沖擊換熱下機(jī)匣熱變形測量裝置，包括試驗臺10、試驗機(jī)匣20、上輔助機(jī)匣30和下輔助機(jī)匣40。其中，試驗機(jī)匣20的上端固定設(shè)置上輔助機(jī)匣30，下端固定設(shè)置下輔助機(jī)匣40，試驗機(jī)匣20、上輔助機(jī)匣30和下輔助機(jī)匣同軸布置40，并且，上輔助機(jī)匣30與試驗機(jī)匣20之間、下輔助機(jī)匣40與試驗機(jī)匣20之間均通過緊固件固定連接在一起，三者的材料以及相互之間的安裝狀態(tài)與實際安裝狀態(tài)保持一致。

試驗機(jī)匣20的外表面布置沖擊式冷卻管路(圖中未示出)，沖擊式冷卻管路與實際安裝狀態(tài)一致，此外，各所述機(jī)匣外設(shè)置有接觸式測量傳感器以測量各所述機(jī)匣在各種工況下的徑向變形量。上輔助機(jī)匣30的上端為無約束的自由狀態(tài)，下輔助機(jī)匣40下端通過若干周向布置的測試棒50固定支撐在試驗臺10的支架上，各測試棒50的上下兩端分別與下輔助機(jī)匣40的下端、試驗臺10的支架固定連接，各測試棒50的內(nèi)側(cè)表面粘貼應(yīng)變片51，各應(yīng)變片51用以監(jiān)測各測試棒50的軸向變形量，各測試棒50的軸向變形量可轉(zhuǎn)化為下輔助機(jī)匣40下端的徑向變形量。

本發(fā)明采取在試驗機(jī)匣20進(jìn)氣方向前后兩端加裝輔助機(jī)匣的方式，以模擬機(jī)匣在安裝狀態(tài)所受的結(jié)構(gòu)約束以及溫度場約束。上下輔助機(jī)匣的上、下兩端的約束狀態(tài)應(yīng)為自由狀態(tài)或可監(jiān)測的約束狀態(tài)。

在試驗機(jī)匣20、上輔助機(jī)匣30和下輔助機(jī)匣40的內(nèi)腔沿著軸向方向設(shè)置多個加熱環(huán)60以模擬機(jī)匣內(nèi)部熱源，并用多通道溫度控制系統(tǒng)(圖中未示出)對每個加熱環(huán)60進(jìn)行單獨(dú)控制以模擬機(jī)匣的溫度場，在試驗機(jī)匣20、上輔助機(jī)匣30和下輔助機(jī)匣40的內(nèi)外壁點焊設(shè)置若干熱電偶(圖中未示出)以測量各機(jī)匣的溫度場。

加熱環(huán)60包括加熱環(huán)支架61，加熱環(huán)支架61為薄壁圓筒狀結(jié)構(gòu)，將加熱環(huán)支架設(shè)置為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其目的是為了方便整個加熱環(huán)的加工及后續(xù)調(diào)整。加熱環(huán)支架61的周向外表面上形成U形凹槽，U形凹槽中布置有加熱單元62，且加熱單元62和U形凹槽的底面之間設(shè)有耐高溫彈性材料63，用以使加熱單元62在各個工況下均緊貼機(jī)匣內(nèi)壁。在加熱單元62下部埋入耐高溫彈性材料63，其目的在于，當(dāng)機(jī)匣溫度升高后與加熱環(huán)支架之間間隙變大，利用該耐高溫材料的彈性，使加熱單元在各個工況下均緊貼機(jī)匣內(nèi)壁，準(zhǔn)確模擬內(nèi)熱源。

整個加熱環(huán)60，包括其加熱環(huán)支架61、加熱單元62及加熱單元底部的耐高溫彈性材料63，均采用分瓣結(jié)構(gòu)，其目的是為了保證加熱環(huán)支架溫度升高后不會變形，同時方便加熱單元發(fā)生損壞后及時調(diào)整與更換，并且有利于周向加熱溫度均勻。加熱環(huán)60對各所述機(jī)匣沒有約束，并起到熱源的作用。此外，為了在全溫度工況范圍內(nèi)實現(xiàn)加熱環(huán)60零約束的要求，加熱環(huán)60的直徑應(yīng)略小于各機(jī)匣所需加熱位置內(nèi)徑，且加熱環(huán)60所選材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)小于機(jī)匣材料的熱膨脹系數(shù)，其目的在于，在高溫下，加熱環(huán)與各機(jī)匣仍保持一定的間隙。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。