[发明专利]燃气轮机转子轴断裂模拟装置和燃气轮机转子实验系统

说明书

本公开涉及一种燃气轮机转子轴断裂模拟装置和燃气轮机转子实验系统，其中，燃气轮机转子轴断裂模拟装置包括：包括：转子轴，其外周壁的预设位置形成有周向凹槽；加热部件，设置在周向凹槽内；和控制部件，被配置为在转子轴达到预设转速时打开加热部件，以使转子轴在预设位置断裂。通过在转子轴的预设位置设置周向凹槽，该位置结构强度被弱化，加热部件设置在周向凹槽内，控制部件在转子轴的转速达到预设值时打开加热部件，加热部件使轴上预设位置的温度升高，该位置在温度载荷和离心载荷的双重作用下，强度受到局部弱化，在轴向力作用下，弱化的位置发生断裂，易于实现转子轴在指定位置下和指定转速下的断裂模拟。

技术领域

本公开涉及一种燃气轮机转子轴断裂模拟装置和燃气轮机转子实验系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。

航空发动机的主轴在实际运行中，可能由于超扭、共振、疲劳、腐蚀、材料缺陷和制造误差或者其他间接事件导致断裂事故的发生。虽然断轴事故发生的概率很小，但是一旦发生，就有可能导致危害性的后果。一般的燃气涡轮发动机中，主轴的一端连接涡轮转子作为驱动，另一端连接压气机作为负载。断轴事故发生时，涡轮和压气机瞬间解耦，此时涡轮仍持续受到燃烧室排出的高能气体，在负载缺失的情况下，涡轮转子转速会迅速上升。当转速超过轮盘的破裂转速时，涡轮盘就有破裂的危险，而这在发动机的设计要求及适航审定要求中都是不允许发生的。为了保证飞行安全，在发动机设计和审定中，需要确定在轴断裂情况下，发动机转子的最大可能转速，并确保该转速不会超过轮盘的破裂转速。

发动机主轴断裂后，涡轮、压气机及燃烧室的特性将在瞬间发生极大的变化，原有的平衡态被打破，发动机状态将远远地偏离设计点，基于正常工作状态和平衡方程的转速预测模型将无法预测轴断裂后的涡轮转子转速。因此，需要建立轴断裂后的瞬态预测模型，同时开展相应的试验来进行验证模型。

航空发动机由于转子转速高，工作条件恶劣，对模拟其主轴断裂事件的试验难度极大，因此需要对试验方法进行广泛而深入的研究。断轴试验能揭示轴断裂后，涡轮和压气机等部件的特性变化、转子转速上升规律和超转保护装置的有效性。

现有的发动机断轴模拟方式中，比较普遍的是采用切割方式，用硬质材料制成的刀具切割发动机转轴实现断轴。这种方式往往需要对发动机结构进行改造，以便安装切割机构及其控制机构，增加了试验的成本和复杂度。同时，改造后的发动机结构会与原构型产生差异，用该种方式模拟的断轴无法准确地再现真实发动机断轴的状态。

发明内容

本公开所要解决的一个技术问题是：提供一种燃气轮机转子轴断裂模拟装置和燃气轮机转子实验系统，能够易于实现转子轴在指定位置下和指定转速下的断裂模拟。

根据本公开的一些实施例提供的一种燃气轮机转子轴断裂模拟装置，包括：转子轴，其外周壁的预设位置形成有周向凹槽；加热部件，设置在周向凹槽内；和控制部件，被配置为在转子轴达到预设转速时打开加热部件，以使转子轴在预设位置断裂。

在一些实施例中，加热部件包括加热电阻丝，加热电阻丝缠绕在周向凹槽内。

在一些实施例中，周向凹槽设有与转子轴的内径相通的电阻丝孔，加热电阻丝被配置为从转子轴的内径穿入并通过电阻丝孔缠绕在周向凹槽内，继而从转子轴的内径穿出。

在一些实施例中，电阻丝孔包括第一电阻丝孔和第二电阻丝孔，加热电阻丝被配置为从第一电阻丝孔穿出并缠绕在周向凹槽内，继而从第二电阻丝孔穿入转子轴的内径。

在一些实施例中，加热电阻丝的与转子轴接触的引线部分由绝热材料包裹，并固定在转子轴的内径上。

在一些实施例中，还包括电滑环，控制部件通过电滑环与加热部件的引线电连接。

根据本公开的一些实施例提供的一种燃气轮机转子实验系统，包括前述燃气轮机转子轴断裂模拟装置。