本發(fā)明涉及航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，特別是大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片突加不平衡實(shí)驗(yàn)的研究。

背景技術(shù)：

自人類首次實(shí)現(xiàn)載人動力飛行技術(shù)以來，航空工業(yè)技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。航空發(fā)動機(jī)作為飛機(jī)的“心臟”，在航空技術(shù)的發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用。在民用大涵道比航空發(fā)動機(jī)中，發(fā)動機(jī)一旦遭到外物(例如飛鳥、石塊冰塊、破輪胎塊、金屬零件及工具等)撞擊發(fā)生風(fēng)扇葉片脫落(Fan Blade Off)，出現(xiàn)非包容事件，將會嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的正常工作，對飛機(jī)的飛行安全造成致命的威脅，對人員和財產(chǎn)造成難以估量的損失。例如，碎片會隨氣流向后流動而打壞風(fēng)扇后面的部件，使發(fā)動機(jī)停車；碎片夾在葉尖與機(jī)匣間被轉(zhuǎn)子帶著旋轉(zhuǎn)，會由摩擦引起發(fā)動機(jī)失火；風(fēng)扇轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生很大的不平衡力，引起發(fā)動機(jī)振動加大；折斷的葉片如果打穿機(jī)匣，還會打壞飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)等。

對葉片飛脫及以后的振動進(jìn)行大量研究是十分必要的，而不平衡加載裝置則是研究葉片飛脫的先決條件。在SCI期刊“Theoretical and experimental investigation on the sudden unbalance and rub-impact in rotor system caused by blade off”(Mechanical Systems and Signal Processing 76-77(2016)111–135)中，不平衡加載裝置是用伸縮彈簧錘打斷模擬葉片以構(gòu)造不平衡量。該不平衡加載裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且可重復(fù)性不好。

在EI期刊“柔性轉(zhuǎn)子-擠壓油膜阻尼器系統(tǒng)突加不平衡響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究”(航空動力學(xué)報,1989,4(1)：68～69.)中，使用切向擊斷法的模擬葉片需要制造一個細(xì)頸，在加工上比較復(fù)雜，并且可重復(fù)性不好，成本較高；在期刊“Transient Vibration of High Speed Lightweight Rotor Due to Sudden Imbalance”(Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers Series C,1990,Vol.56(522),pp.275-283)中使用一個銷子定位，但是會有碰撞沖擊，模擬效果不好，不能準(zhǔn)確模擬葉片不平衡量。因此，一種成本低廉，可重復(fù)性好并且能夠準(zhǔn)確模擬葉片飛脫轉(zhuǎn)速和不平衡量的不平衡加載裝置具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可重復(fù)性差的不足，本發(fā)明提出了一種航空發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)器突加不平衡的加載裝置。

本發(fā)明包括蓋板、墊板和彈性夾具，其中：所述彈性夾具包括兩個夾持臂，各夾持臂的一端均為與航空發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)器風(fēng)扇盤固連的連接板，另一端為夾持端；所述夾持端的端面為與模擬葉片夾持面配合的斜面。所述墊板固定在該航空發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)器風(fēng)扇盤的盤面上，并使該墊板的一個側(cè)表面與該葉根端的端面貼合。所述蓋板的一端固定在該墊板的上表面，并使該蓋板的另一端蓋在轉(zhuǎn)配后的模擬葉片葉根表面的上方。

所述彈性夾具中的兩個夾持臂結(jié)構(gòu)相同、方向相反。所述夾持端端面的斜面沿夾持臂的長度方向延伸，在該夾持端形成了尖角。

所述彈性夾具中的兩個夾持臂的中部彎折，彎折的角度以滿足該彈性夾具的安裝即可。完整后的夾持臂的夾持端垂直于所述模擬葉片的側(cè)表面。

所述彈性夾具在所述航空發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)器風(fēng)扇盤盤面的位置以與之配合的模擬葉片的葉尖與該風(fēng)扇盤的邊緣平齊或略超出風(fēng)扇盤的邊緣為宜。

在所述模擬葉片葉根處的兩側(cè)表面分別加工有“V”形的凹槽，該凹槽兩側(cè)的內(nèi)表面形成了所述的夾持面。

本發(fā)明具有成本低廉，可重復(fù)性好，實(shí)施方便并能夠準(zhǔn)確的模擬葉片的飛脫轉(zhuǎn)速和不平衡量等特點(diǎn)。為航空發(fā)動機(jī)特別是大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的葉片脫落、斷裂實(shí)驗(yàn)及測試提供了關(guān)鍵性技術(shù)，使得大量的成本低廉且可重復(fù)性強(qiáng)的突加不平衡實(shí)驗(yàn)成為可能，從而為研究風(fēng)扇葉片脫落提供了更多的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為模擬實(shí)驗(yàn)提供了思路和方法，為發(fā)動機(jī)突加不平衡后的熔斷與降載提供了模型基礎(chǔ)，可以說是突加不平衡實(shí)驗(yàn)展開的先決條件。

本發(fā)明設(shè)計的不平衡加載裝置包括彈性夾具、模擬葉片、蓋板、墊板等幾部分。彈性夾具、蓋板由螺栓固定在盤上，模擬葉片固定在由彈性夾具、徑向蓋板、軸向蓋板構(gòu)成的榫槽中。這里夾具、蓋板以及模擬葉片均用鋼材加工而成。

當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，離心力較小，帶有彈性的夾具則會限制葉片使其不會飛出；當(dāng)達(dá)到設(shè)計轉(zhuǎn)速時，模擬葉片離心力較大，夾具將不能提供足夠向心力，模擬葉片克服向心力，從裝置中脫離。該裝置通過改變模擬葉片的質(zhì)量、重心所在半徑、榫頭寬度、榫頭頂角(或榫頭半頂角)等參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)不平衡載荷和不平衡載荷加載的轉(zhuǎn)速。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明取得的有益效果是：

1.不平衡加載裝置中模擬葉片與彈性夾具在飛出前以榫槽相互耦合，從很大程度上模擬了真實(shí)葉片的燕尾型榫槽。在飛脫時，用離心力的作用飛脫，無附加力，無外界的動力沖擊，不會引入額外的動能，從而不會影響斷裂葉片的飛行姿態(tài)和飛行軌跡，與真實(shí)情況較為接近；

2.經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所做出來的實(shí)驗(yàn)與理論飛脫轉(zhuǎn)速比較吻合，如圖7所示，散點(diǎn)代表實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速，實(shí)線代表理論轉(zhuǎn)速，虛線為理論轉(zhuǎn)速的上下5％誤差限?？梢郧宄目吹綄?shí)驗(yàn)飛脫轉(zhuǎn)速與理論飛脫轉(zhuǎn)速相比誤差在5％以內(nèi)，并且數(shù)據(jù)穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)證明，所應(yīng)用的模擬葉片飛脫的轉(zhuǎn)子不平衡加載裝置具有較好的可重復(fù)性和可靠性，并且飛脫的不平衡量和平衡轉(zhuǎn)速能夠準(zhǔn)確控制；

3.結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可實(shí)施性強(qiáng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明與模擬轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)器風(fēng)扇盤的配合示意圖。

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圖2的A-A向視圖。

圖4是去掉蓋板的配合示意圖。

圖5是在低轉(zhuǎn)速時模擬葉片的受力示意圖。

圖6是在高轉(zhuǎn)速時模擬葉片的受力示意圖。

圖7是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證飛脫轉(zhuǎn)速與理論飛脫轉(zhuǎn)速對比圖。圖中：

1.彈性夾具；2.風(fēng)扇盤；3.配重；4.模擬葉片；5.蓋板；6.墊板；7.實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速；

8.理論轉(zhuǎn)速；9.理論轉(zhuǎn)速的上下5％誤差限。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例是一種不平衡加載裝置，包括彈性夾具1、模擬葉片4、蓋板5和墊板6。本實(shí)施例應(yīng)用在西北工業(yè)大學(xué)的模擬轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)器上，用于提供不平衡量。

所述不平衡加載裝置包括蓋板5、墊板6和彈性夾具1，其中：所述彈性夾具包括兩個夾持臂，各夾持臂的一端均為連接板，另一端為夾持端；所述夾持端的端面為與模擬葉片4夾持面配合的斜面。所述墊板6位于該模擬葉片的葉根一端，并與該葉根端的端面貼合。所述蓋板5的一端固定在該墊板6的上表面。

所述彈性夾具1中的兩個夾持臂結(jié)構(gòu)相同、方向相反。兩個夾持臂均為橫截面為矩形的桿狀。該彈性夾具一端的連接板上有螺孔。為使所述彈性夾具能夠方便的固定在模擬實(shí)驗(yàn)器的風(fēng)扇盤表面，使桿狀的夾持臂中部彎折，彎折的角度以滿足該彈性夾具的安裝即可。彎折后的夾持臂的夾持端垂直于所述模擬葉片的側(cè)表面。所述夾持端的端面為與模擬葉片側(cè)表面的夾持面配合的斜面，該斜面沿夾持臂的長度方向延伸，在該夾持端形成了尖角。

為使所述模擬葉片4能夠與本實(shí)施例配合，在該模擬葉片葉根處的兩側(cè)表面分別加工有“V”形的凹槽，該凹槽的兩側(cè)內(nèi)表面形成了所述的夾持面。

使用時，將所述彈性夾具1的連接段固定在風(fēng)扇盤的盤面上，將所述模擬葉片葉根處的“V”形槽與所述彈性夾具的兩個夾持端配合，使所述兩個夾持臂夾持端的尖角插入“V”形槽內(nèi)，并使各夾持端的斜面分別與模擬葉片的夾持面貼合；所述模擬葉片的葉尖與該風(fēng)扇盤的邊緣平齊或略超出風(fēng)扇盤的邊緣。將墊板6固定在所述風(fēng)扇盤的盤面上，并使該墊板的一側(cè)表面與模擬葉片葉根的端面貼合。將蓋板5的一端固定在所述墊板6的上表面，并使該蓋板的另一端蓋在該模擬葉片葉根表面上方。

當(dāng)所述風(fēng)扇盤高速轉(zhuǎn)動時，所述模擬葉片在離心力的作用下，能夠沿該風(fēng)扇盤的徑向飛脫。并通過蓋板5控制所述模擬葉片的飛脫方向，并避免該模擬葉片在風(fēng)扇盤低轉(zhuǎn)速下的軸向脫落。

圖5和圖6是本實(shí)施例在不同轉(zhuǎn)速時模擬葉片位置視圖。反應(yīng)了本實(shí)施例的設(shè)計原理與飛脫方案。在圖5中可以看出，在低轉(zhuǎn)速時，離心力F小于夾緊力Q,葉片不會脫落。當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸升高，離心力越來越大，到達(dá)圖6所示的高轉(zhuǎn)速時，彈性夾具1頂端的間距逐漸打開，葉片即將飛脫。當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，彈性夾具1的頂端距離大于模擬葉片4的底端榫頭寬度W。葉片飛脫，彈性夾具在彈性力的回復(fù)作用下，回到初始狀態(tài)，不會損壞，并能夠在下一次實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)使用。

圖7是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的飛脫轉(zhuǎn)速與理論飛脫轉(zhuǎn)速對比圖。大量實(shí)驗(yàn)得到的轉(zhuǎn)速7與理論的飛脫轉(zhuǎn)速8相比較，都在理論轉(zhuǎn)速的5％誤差限9以內(nèi)。

本實(shí)施例的不平衡加載裝置中的彈性夾具1、蓋板5和墊板6都可以使用鋼材制造。模擬葉片則可以根據(jù)飛脫轉(zhuǎn)速，飛脫質(zhì)量的不同使用鋼材和鋁材。

本實(shí)施例在模擬真實(shí)發(fā)動機(jī)葉片脫落方面具有很大的代表性和真實(shí)性，并且成本低廉，制造簡單，可靠性好，可重復(fù)性強(qiáng)，是開展突加不平衡實(shí)驗(yàn)中的先決條件。對于航空發(fā)動機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究具有重要意義。