轮盘加温装置和试验装置的制作方法

1.本发明涉及航空发动机试验领域，具体涉及加温装置。


背景技术：

2.轮盘是航空发动机的关键转动部件之一，主要包含了涡轮盘、压气机盘、风扇盘以及与盘连成一体的鼓筒与封严篦齿。轮盘的破裂碎片会击穿发动机机匣，对航空发动机造成非包容性的破坏，也可能会击穿座舱和油箱，对飞机的飞行安全和乘员的生命安全造成严重威胁。因此，发动机轮盘的强度设计算法验证、减重、适航取证等操作都需进行轮盘超转破裂试验和低循环疲劳试验。
3.为减小试验驱动扭矩、功率和防止轮盘破裂试验碎片的破坏，轮盘超转破裂试验和低循环疲劳试验通常都是在带有防护装置的真空舱内进行。由于试验条件与发动机真实工作状态的不同，试验条件下没有气动载荷和腔压，只有离心载荷和温度载荷。发动机轮盘在真实工作状态下轮缘温度通常高压盘心温度，盘心和轮缘的温度差异可达一两百度，温度场较复杂。
4.试验时通常采用换算至常温或均温环境下开展，因此在上述环境的测试下，试验温度场与轮盘真实工作温度场差异较大。这些不同将引起轮盘在试验状态与真实工作状态的应力、变形分布不同，因此检验结果比较有限，无法真实反映轮盘各位置的状态，现有方法是通过如转接段、配重块等陪试件设计和转速换算，近似模拟发动机轮盘载荷，对考核轮盘的应力和变形分布进行调整，但调整的范围有限，试验状态轮盘载荷与发动机轮盘实际工作载荷存在一定差异。
5.因此，为减小试验件设计工作，需要在试验中增加一种盘强度试验温度梯度加温装置。出于试验安全考虑，现有的轮盘加热试验方案，通常是在真空状态辐射自然冷却，缺少额外的冷却措施，试验件冷却时间久，试验效率低。
6.基于此，有必要提出一种轮盘加温装置，能简单有效的实现轮盘的加温，并能迅速降温，从而解决上述问题。


技术实现要素：

7.本发明的一个目的是提供一种轮盘加温装置，能够简单有效的实现轮盘的加温，并具有较佳的冷却效果。
8.为实现上述目的的轮盘加温装置用于加热轮盘，轮盘包括轮缘、盘辐板和盘心。该装置包括加热件和冷却件。所述加热件包括多路加热单元，形成环形高温区域，所述轮缘位于试验空间的环形高温区域内，以接收所述加热单元的热辐射获取热量并升温；所述冷却件包括隔热环、多个冷却水套和多个通气管路，所述隔热环设置在所述盘辐板两侧，用于阻挡所述环形高温区域的热量传递至所述盘心，所述冷却水套和所述通气管路设置在所述盘辐板和/或所述盘心附近，用于所述冷却盘辐板和/或所述盘心。
9.在一个或多个实施例中，所述冷却水套包括上冷却水套、下冷却水套和盘心冷却
水套。
10.在一个或多个实施例中，所述冷却水套包括水箱、供水口和回水口，所述供水口的高度低于所述回水口。
11.在一个或多个实施例中，所述冷却水套内的冷却介质可进行更换，所述冷却水套和所述通气管路内的流体流量可调节。
12.在一个或多个实施例中，所述冷却水套和所述通气管路距所述轮盘的轴向距离可调节。
13.在一个或多个实施例中，各所述冷却水套和各所述通气管路设置成能够同时工作或部分工作。
14.在一个或多个实施例中，所述通气管路和所述冷却水套位于所述隔热环所形成的隔热腔内部。
15.本发明的另一目的在于提供一种轮盘试验装置，包括保温单元、转接段和轮盘加温装置。所述保温单元用于提供试验空间，所述转接段位于所述试验空间内，用于夹持所述轮盘。
16.在一个或多个实施例中，所述加热单元通过安装架设置在所述保温单元的内壁面上，以在所述试验空间内形成所述环形高温区域，所述轮盘加温装置的所述隔热环、所述冷却水套和所述多个通气管路可移动地设置在所述安装架上。
17.在一个或多个实施例中，所述转接段的轴线与所述轮盘的轴线一致，并设置成能够带动所述轮盘转动。
18.在一个或多个实施例中，该装置还包括真空泵，用于将所述试验空间抽成真空。
19.上述轮盘加温装置凭借多个加热单元形成的环形高温区域，能够实现对轮盘轮缘的有效加热，同时还凭借隔热环、多个冷却水套和多个通气管路多个冷却件，同时增强对盘心和盘辐板的降温程度，结构简单，操作方便，具有较佳的冷却效果，并能使盘心和轮缘之间形成较大的温度梯度，满足航空发动机轮盘超转破裂试验和低循环疲劳试验的需求，还可以在上述试验结束后加速试验件冷却，从而有效提高试验效率。
附图说明
20.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
21.图1是轮盘加温装置的一个实施例的示意图。
22.图2是轮盘的一个实施例的示意图。
23.图3a是上冷却水套的一个实施例的结构示意图。
24.图3b是图3a中a-a方向的剖面图。
25.图4a是下冷却水套的一个实施例的结构示意图。
26.图4b是图4a中b-b方向的剖面图。
27.图5是盘心冷却水套的一个实施例的结构示意图。
28.附图标记说明
29.10、加热单元
30.11、第一加热单元
31.12、第二加热单元
32.13、第三加热单元
33.14、环形高温区域
34.20、通气管路
35.30、隔热环
36.31、升降装置
37.40、冷却水套
38.41、水箱
39.42、供水口
40.43、回水口
41.50、保温单元
42.60、转接段
43.70、安装架
44.80、舱体
45.90、舱盖
46.100、轮盘
47.101、轮缘
48.102、盘辐板
49.103、盘心
50.401、上冷却水套
51.4011、上冷却水套水箱
52.4012、上冷却水套供水口
53.4013、上冷却水套回水口
54.402、下冷却水套
55.4021、下冷却水套水箱
56.4022、下冷却水套供水口
57.4023、下冷却水套回水口
58.403、盘心冷却水套
59.4031、盘心冷却水套水箱
60.4032、盘心冷却水套供水口
61.4033、盘心冷却水套回水口
具体实施方式
62.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
63.在下述描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方
位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。此外，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
64.发动机轮盘试验中，盘心和轮缘的温度差异较大，温度场较复杂。本公开的轮盘加温装置能够实现轮盘的有效加热和及时冷却，并为轮盘提供满足试验要求的温度梯度分布，用于支撑发动机轮盘强度设计算法验证、减重试验等后续环节；且具有出色的冷却性能，能够实现轮盘的快速冷却，节约试验周期。
65.参照图2所示，轮盘100包括轮缘101、盘辐板102和盘心103，在试验中，轮盘100被夹持固定，轮盘100的轴线方向与附图1中的上下方向一致，轮盘的径向方向与附图1中的左右方向一致。
66.轮盘加温装置参照图1理解，该装置包括多个加热件和冷却件，用于实现轮盘的加热和冷却，并为轮盘提供合适的温度梯度。
67.加热件包括加热单元10，多路加热单元10形成环形高温区域14，轮缘101 位于环形高温区域14开口处，以接收加热单元10的热辐射获取热量并升温。
68.图1所示的实施例示出了第一加热单元11、第二加热单元12和第三加热单元13围成的环形高温区域14。需要说明的是，此处使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不分主次，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
69.加热单元10可以为加热丝，也可以为其他加热部件。优选地，加热单元 10的温度可调节，以进而调节环形高温区域14内的温度。轮盘100径向外侧的轮缘101接收来自环形高温区域14的热辐射而升温，并逐步向径向内侧传递至盘辐板102和盘心103。
70.由于发动机轮盘在真实工作状态下轮缘温度通常高压盘心温度，因此需要对轮盘进行及时降温。冷却件包括隔热环30、多个冷却水套40和多个通气管路20。隔热环30设置在盘辐板102两侧，用于阻挡环形高温区域14的热量传递至盘心103。冷却水套40和通气管路20设置在盘辐板102和/或盘心103附近，用于冷却盘辐板102和/或盘心103。
71.在一个实施例中，隔热环30设置在盘辐板102的上下两侧，用于阻挡向盘心103处热辐射的辐射路径。隔热环30可选择诸如多孔材料，凭借孔隙隔热，如泡沫材料、纤维材料等；也可选择热反射材料，通过较高的反射系数反射热量，如具有金属涂层的聚酰亚胺；还可以选择真空隔热材料，利用材料的内部真空达到阻隔对流来隔热。隔热环30形成隔热腔，从而阻隔环形高温区域14的热量传递至盘心103和部分盘辐板102，通过减少热量达到冷却的效果。
72.此外，冷却件还包括多个冷却水套40和多个通气管路20。多个冷却水套40和多个通气管路20设置在盘辐板102和/或盘心103附近，通过从水套或管路中流动的流体介质增加热对流以带走热量，实现盘心103和盘辐板102的进一步冷却。
73.冷却水套40是通过将水套设置在盘辐板102和/或盘心103附近，水套内的冷却水通过热传导的方式将水套壁面冷却，冷却的壁面再通过对流的方式带走盘辐板102和/或盘心103的热量。通气管路20提供空气流动的通道，通气管路20的尾端用于将空气通入盘辐板102和/或盘心103附近，空气直接通过热对流的方式带走盘辐板102和/或盘心103的热量。
通过两种冷却方式的叠加，能够进一步增强冷却效果。相比于只有一个冷却部件，将水冷和气冷的方式进行叠加，具有出色的冷却效果，且设置简单，操控方便。
74.在一个实施例中，冷却水套40包括上冷却水套401、下冷却水套402和盘心冷却水套403。图3a和图3b示出了上冷却水套401的结构，上冷却水套 401设置在盘辐板102上方；图4a和图4b示出了下冷却水套402的结构，下冷却水套402设置在盘辐板102下方；图5示出盘心冷却水套403的结构，盘心冷却水套403的轴线与盘心103一致。通过设置多个不同位置的冷却水套40，能够对轮盘100不同位置实现冷却，并提高冷却效率。
75.在一个实施例中，冷却水套40包括水箱41、供水口42和回水口43，供水口42的高度低于回水口43，用于增加冷却水在水套中的停留时间，此外还可以避免产生冷却水套通水方向错误但不易发现的问题，避免通入的循环水立即流出，保证冷却水的冷却效果。
76.具体的，结合图3a至图5所示，上冷却水套401包括上冷却水套水箱4011、上冷却水套供水口4012和上冷却水套回水口4013；下冷却水套402包括下冷却水套水箱4021、下冷却水套供水口4022和下冷却水套回水口4023；盘心冷却水套403包括盘心冷却水套水箱4031、盘心冷却水套供水口4032和盘心冷却水套回水口4033。
77.水箱41在图3b和图4b中为环形腔体，中间部分用于供其他部件穿过。每个冷却水套都是低点供水、高点回水，通过将冷却水套40内的循环水从高点回水，避免通入的循环水立即流出，保证冷却水在轮盘附近保持一定时间，从而带走一定热量，实现较佳的冷却效果。
78.在一个实施例中，通气管路20和冷却水套40位于隔热环30所形成的隔热腔内部，凭借隔热腔进一步阻挡辐射热量，从而提高冷却效果。
79.为调节轮盘100各处的温度梯度，增加或减少轮盘热量的散失，冷却水套 40内的冷却介质可进行更换，冷却水套40和通气管路20内的流体流量可调节。例如需要强化散热时将冷却水套40内的冷却介质更换成温度更低或比热容更大的冷却介质；或者增加冷却水套40和通气管路20内的流体流量，以增加单位时间内带走的热量。
80.此外，还可以将冷却水套40和通气管路20距轮盘100的轴向距离设置成可调节，如通过图1所示的升降装置31，升降装置31可选择能升降的螺纹杆结构。在需要增加散热时，减小冷却水套40和通气管路20与轮盘100的轴向距离，能够进一步促进散热，减少冷却时间。
81.在一个实施例中，各冷却水套40和各通气管路20设置成能够同时工作或部分工作，通过调节多个冷却部件的工作状态，可以选择性的调节轮盘各处的温度，以使轮盘满足试验所需的温度梯度要求。
82.通过设置隔热环30、多个冷却水套40和多个通气管路20多个冷却部件，能够快速冷却轮盘，节约试验周期；还可以通过调节冷却水套40和通气管路 20内的流量、改变冷却水套40和通气管路20距轮盘的距离、选择部分冷却件的工作状态等方式调节温度场梯度，使轮盘满足多种温度梯度试验要求，提高轮盘加温装置在多种试验中的适应性。
83.上述轮盘加温装置通过在轮缘101处设置温度场，并在盘心103和/或盘辐板102处设置多个冷却件，能够在盘心103和轮缘101之间形成较大的温度梯度，可用于航空发动机轮盘超转破裂试验和低循环疲劳试验。
84.同时，多个冷却件的设置可以加速试验件冷却，提高试验效率。对于典型的发动机
内径约140mm、外径约420mm的高温合金轮盘，本装置能够实现瞬态盘心、轮缘300℃以上的瞬态温度梯度和200℃以上的稳态温度梯度。试验后保持循环水的供应和通气冷却，试验件冷却时间可缩短一半以上，有效提高了试验效率。
85.结合上述对轮盘加温装置的介绍，还可以理解到一种用于轮盘试验的轮盘试验装置。
86.该装置包括保温单元50、转接段60和上述轮盘加温装置。保温单元50 用于提供试验空间，转接段60位于试验空间内，用于夹持轮盘100。
87.此外，在保温单元50外周还包括一圈舱体80，舱体80与舱盖90配合，形成存放轮盘加温装置的空间。保温单元50优选陶瓷纤维材料，以实现较佳的保温效果。舱体80优选较厚的钢材，用于提供抗冲击能力。
88.在一个实施例中，该装置还包括真空泵，用于将试验空间抽成真空。通过将试验空间设置成真空，能够提高热辐射效率，实现轮缘101处的快速加热。
89.在一个实施例中，转接段60的轴线与轮盘100的轴线一致，并设置成能够带动轮盘转动，以进行后续发动机轮盘试验。
90.继续参照图1所示，轮盘加温装置的加热单元10通过安装架70设置在保温单元50的内表面上，以形成环形高温区域14。沿轴线对称的轮缘101分别设置在环形高温区域内，以接收辐射热。
91.在上述实施例的基础上，轮盘加温装置的隔热环30、多个冷却水套40和多个通气管路20可移动地设置在安装架70上，以调节与轮盘100的间距。
92.可以理解的是，隔热环30、冷却水套40和多个通气管路20还可以设置在盘辐板102的上下两侧，以在盘辐板的两侧共同对轮盘实现冷却，缩短冷却时间。
93.下面以一个实施例为例，结合图1对轮盘试验装置的操作过程进行说明。
94.将加热单元10、隔热环30、多个冷却水套40、多个通气管路20安装固定好，并将各冷却件设置成与试验轮盘100之间无干涉。
95.关闭舱盖90，将试验空间抽成真空。
96.开始试验时，转接段60带动轮盘100转动。
97.首先往冷却水套40中通入循环水，设置轮缘101的目标温度。
98.开启加热单元10，加热单元10为试验轮盘提供温度场，使轮盘的轮缘101 接收热辐射开始升温，并通过热传导将热传递至将盘辐板102和盘心103。
99.温度场稳定后，观察盘心103与轮缘101的温度梯度是否满足要求。
100.若温度梯度差小于预期，则加大循环水流量，缩小隔热环30、冷却水套 40与轮盘100之间的轴向距离；和/或将循环水改为温度更低、比热容更多大的冷却介质；和/或在保证真空度满足要求的情况下向通气管路20通入少量空气，空气由空气进入盘辐板102和/或盘心103附近。从而减小轮缘101往盘辐板102、盘心103的热量传递，并且带走更多热量，实现更大的温度梯度。
101.若温度梯度差大于预期，则减小循环水流量，增大隔热环30、冷却水套 40与轮盘100之间的轴向距离等逆操作，以降低温度梯度。
102.完成试验后，继续保持循环冷却水的供应，在抽真空的真空泵保持正常工作的状态下通过通气管路通入少量空气，带走盘辐板102和盘心103的热量，加速试验件冷却，减少
试验件的冷却时间。
103.需要说明的是，上述过程仅为一个实施例中各部件的操作过程。轮盘试验装置还可以根据具体温度要求改变操作过程，以满足轮盘的温度梯度要求和试验时间要求。
104.本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
105.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。例如升降装置的机械结构，或者冷却水套和通气管路的数目和分布方式，又或者设置远程操控系统和阀门结构，对冷却水套和/通气管路的内部流动介质按需控制等。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

技术特征：
1.轮盘加温装置，用于加热轮盘(100)，所述轮盘(100)包括轮缘(101)、盘辐板(102)和盘心(103)，其特征在于，该装置包括：加热件，包括多路加热单元(10)，用于形成环形高温区域(14)，所述轮缘(101)位于所述环形高温区域(14)内，以接收所述加热单元(10)的热辐射获取热量并升温；以及冷却件，包括隔热环(30)、多个冷却水套(40)和多个通气管路(20)，隔热环(30)设置在所述盘辐板(102)两侧，用于阻挡所述环形高温区域(14)的热量传递至所述盘心(103)，所述冷却水套(40)和所述通气管路(20)设置在所述盘辐板(102)和/或所述盘心(103)附近，用于冷却所述盘辐板(102)和/或所述盘心(103)。2.如权利要求1所述的轮盘加温装置，其特征在于，所述冷却水套(40)包括上冷却水套(401)、下冷却水套(402)和盘心冷却水套(403)。3.如权利要求1所述的轮盘加温装置，其特征在于，所述冷却水套(40)包括水箱(41)、供水口(42)和回水口(43)，所述供水口(42)的高度低于所述回水口(43)。4.如权利要求1所述的轮盘加温装置，其特征在于，所述冷却水套(40)内的冷却介质可进行更换，所述冷却水套(40)和所述通气管路(20)内的流体流量可调节。5.如权利要求1所述的轮盘加温装置，其特征在于，所述冷却水套(40)和所述通气管路(20)距所述轮盘(100)的轴向距离可调节。6.如权利要求1所述的轮盘加温装置，其特征在于，各所述冷却水套(40)和各所述通气管路(20)设置成能够同时工作或部分工作。7.如权利要求1所述的轮盘加温装置，其特征在于，所述通气管路(20)和所述冷却水套(40)位于所述隔热环(30)所形成的隔热腔的内部。8.轮盘试验装置，包括：保温单元(50)，用于提供试验空间；转接段(60)，位于所述试验空间内，用于夹持轮盘(100)；其特征在于，还包括：如权利要求1-7任一项所述的轮盘加温装置。9.如权利要求8所述的轮盘试验装置，其特征在于，所述加热单元(10)、通过安装架(70)设置在所述保温单元(50)的内壁面上，以在所述试验空间内形成环形高温区域(14)，所述轮盘加温装置的隔热环(30)、冷却水套(40)和多个通气管路(20)可移动地设置在所述安装架(70)上。10.如权利要求8所述的轮盘试验装置，其特征在于，所述转接段(60)的轴线与所述轮盘(100)的轴线一致，并设置成能够带动所述轮盘(100)转动。11.如权利要求8所述的轮盘试验装置，其特征在于，该装置还包括真空泵，用于将所述试验空间抽成真空。

技术总结
提供一种轮盘加温装置，包括加热件和冷却件，加热件包括多路加热单元，用于形成环形高温区域，轮缘位于环形高温区域内，以接收加热单元的热辐射获取热量并升温；冷却件包括隔热环、多个冷却水套和多个通气管路，隔热环设置在盘辐板两侧，用于阻挡环形高温区域的热量传递至盘心，冷却水套和通气管路设置在盘辐板和/或盘心附近，用于冷却盘辐板和/或盘心。上述轮盘加温装置能实现轮盘的快速冷却，并能满足轮盘温度梯度要求。还提供一种轮盘试验装置。置。置。


技术研发人员：刘志强 袁征宇 李从富
受保护的技术使用者：中国航发商用航空发动机有限责任公司
技术研发日：2022.03.25
技术公布日：2023/10/6