[发明专利]在寿命考核试验中的盘类零件的裂纹在位监测系统和方法

说明书

公开了一种在寿命考核试验中的盘类零件的裂纹在位监测系统和监测方法，裂纹在位监测系统包括检测所述盘类零件的传感器装置(1)、采集来自所述传感器装置(1)信号的数据采集装置(2)和连接所述数据采集装置(2)的处理装置(3)，其中，传感器装置(1)包括：第一位移传感器(4)，其相对于所述寿命考核试验器的轴布置以检测所述轴的第一位移信号，第二位移传感器(5)，其与所述第一位移传感器(4)垂直且相对于所述寿命考核试验器的轴布置以检测所述轴的第二位移信号，键相传感器(6)，其相对于所述寿命考核试验器的轴的键相槽布置以检测所述键相槽的键相信号。

技术领域

本发明涉及一种盘类零件的裂纹监测技术领域，特别是一种用于在寿命考核试验中的盘类零件的裂纹在位监测系统及其监测方法。

背景技术

燃气涡轮发动机的盘类等高速旋转部件在高转速工作条件下会产生较大的离心力，如航空发动机的盘类零件是航空发动机中的耐久性关键件和断裂关键件，直接影响着航空发动机的可靠性、安全性和维护成本。盘类零件的破坏通常不能被航空发动机的机匣包容，一旦出现故障，将会导致灾难性的事故，严重危及飞机的安全飞行。例如某型号发动机的飞行过程中轮盘破裂，击穿机匣及发动机舱，使飞机动力失效，造成了严重的安全事故。盘类零件主要包括风扇盘、压气机盘、涡轮盘、鼓筒形加强盘和篦齿盘等多种类型。航空发动机设计研发过程中，会花大量的资金投入和时间成本用于计算机仿真，如航空发动机转子-轮盘的有限元模型，从而计算航空发动机的盘类零件的安全运行寿命。然而，如果没有实际的测试试验，航空发动机的转子-轮盘系统的实际特性难以准确获取，从而影响燃气轮机安全运行寿命可靠性的评估。

世界各航空大国历来十分重视轮盘的低循环疲劳试验研究，在寿命考核试验中记录轮盘的监测数据，构建轮盘疲劳试验的“大”数据库。美国普拉特·惠特尼集团公司(PrattWhitney Group)在90年代时，已经积累15000个材料低循环疲劳试验数据和1500个轮盘低循环疲劳试验数据。俄罗斯航空发动机研究院累积了100多个轮盘的超转、破裂和低循环疲劳试验数据。美国联邦航空局(FAA)要求在新型号发动机的设计阶段，或者在原有发动机的设计基础上有重大的改进时，均需要对盘类零件进行疲劳试验，从而确定航空发动机的预期寿命。我国近十年来多种新型号以及改进的航空发动机呈现出爆发式增加；此外一些在役的航空发动机需要对其盘类零件的剩余寿命进行评估，这样对燃气轮机的盘类零件的寿命考核试验造成了一定的挑战。

通常盘类零件的测试试验在一个专门设计的旋转测试设备中进行的。在试验过程中，盘类零件的转速从一个设定的转速进行加速，当速度达到一个设定值时，转速保持一段时间，然后将转速降低到一个值。这样一个“加载-保载-卸载”的过程称为一个循环次数。每一个循环对应于航空飞机的“起飞-巡航-降落”过程。通过旋转测试试验可以确定航空发动机的盘类零件的循环次数，将循环次数转换成航空发动机的安全运行小时数，从而确定了航空发动机大修时的寿命，实现了航空发动机的盘类零件在失效前能够得到检修或更换的目的。

航空发动机盘类零件通常会有两种失效方式：一是转速过高时离心载荷过大引起材料失效，从而导致轮盘破裂。二是当转速低于轮盘破裂的转速时，由于循环应力的作用引起盘类零件出现裂纹，裂纹进而扩展到一个临界值，最终引起盘类零件的失效。

目前在轮盘寿命考核试验器上主要开展两种类型的寿命考核试验：一是对于新研机种的盘类零件开展全寿命考核试验，从而对该型号的发动机进行定寿；二是在役发动机的已用盘类零件的延寿试验，实现对已用盘类零件的剩余寿命评估，如在延寿试验中，某型号航空发动机已经使用1000小时，将其盘类零件分解进行疲劳循环试验，从而确定航空发动机的延寿时间。

现有的轮盘寿命考核器尚缺少监测系统，不能实时监测轮盘的状态。会造成四个方面的影响：