一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速試驗轉接裝置的制作方法
本實用新型涉及液體火箭發動機渦輪泵轉子高溫超速疲勞試驗領域，是一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速疲勞試驗轉接裝置，主要應用于長懸臂結構的盤軸一體式渦輪盤超速疲勞試驗。
背景技術：
渦輪泵轉子是液體火箭發動機的動力核心，是輸送液氫液氧推進劑的關鍵組件，其運行狀態的好壞將直接影響液體火箭發動機的性能和可靠性。由于渦輪泵轉子轉速高、動能大，實際工作狀態受高溫、振動等多種復雜因素影響，對其進行動力學特性及振動分析十分重要。然而，仿真分析無法準確模擬渦輪泵轉子的復雜工況，普通試驗研究也難以實現對高溫高速狀態的模擬，因此，超速疲勞試驗對渦輪泵轉子系統的動力學特性及結構強度可靠性研究顯得尤為重要。
超速疲勞試驗是利用高速旋轉所產生的強大離心力，在超出旋轉構件實際而定工作轉速1或1.25倍的試驗轉速下，對高速旋轉件預加載荷，來驗證、提高旋轉構件工作安全可靠性的一種試驗方法，主要應用于轉子系統的質量控制和工作轉速的驗證、轉子系統的極限強度試驗和轉子系統的疲勞試驗等方面
由于試驗在高溫高速下進行，并且進行試驗的渦輪盤存在較大懸臂，對試驗的定位和對中要求極高，而對轉子系統的穩定性控制也是一個難題。現有試驗裝置僅僅能滿足常溫狀態下的超速和疲勞試驗，對中精度較差，可達到試驗轉速較低，并且裝置上不具備去重帶。
技術實現要素：
本實用新型解決的技術問題為：克服現有技術不足，提供一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速試驗轉接裝置，為了進行液體火箭發動機渦輪泵轉子高溫超速疲勞試驗，滿足長懸臂渦輪盤的超速疲勞試驗對接要求，設計了一種轉接裝置，起到將試驗臺驅動軸與渦輪盤進行定位、對接、緊固，傳扭的作用，對中精度較高，同時考慮裝置轉動慣量的要求。該裝置材料需要滿足600℃高溫和35000r/min轉速下的強度要求，并且裝置不能因為高溫膨脹而松脫，同時要確保超速疲勞試驗件的動態穩定性。設計時還需滿足低速動平衡去重的要求。
本實用新型解決的技術方案為：一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速疲勞試驗轉接裝置，包括：渦輪盤連接件(1)；定位塊(2)、M10內六角螺釘(3)；C型平鍵(4)；
渦輪盤連接件(1)包括：驅動法蘭連接段(101)和懸臂渦輪盤連接段(102)；驅動法蘭連接段為中空圓柱體，懸臂渦輪盤連接段為中空圓柱體；
驅動法蘭連接段(101)的一個端面與外部的驅動軸通過法蘭連接，并通過螺釘固定，使外部驅動軸能夠帶動渦輪盤連接件(1)轉動；定位塊(2)的第一定位圓柱體(2021)與外部的驅動軸配合，實現渦輪盤連接件(1)和外部的驅動軸定位；驅動法蘭連接段(101)的一個端面設有一個圓柱形凹槽；
懸臂渦輪盤連接段(102)的一個端面和驅動法蘭連接段(101)的另一個端面貼合，懸臂渦輪盤連接段(102)的另一個端面設有圓柱形凹槽，且圓柱形凹槽的直徑大于懸臂渦輪盤連接段(102)的內壁的直徑，在圓柱形凹槽內壁上設置有兩個安裝C型平鍵(4)的矩形鍵槽，且矩形鍵槽的尺寸與C型平鍵(4)匹配；C型平鍵(4)為一端帶有弧形面的長方體，與弧形面(401)對應的一端為平面端(402)；
C型平鍵(4)的平面端(402)插入矩形鍵槽內，弧形面(401)從矩形鍵槽伸出；兩個C型平鍵(4)伸出的弧形面(401)作為渦輪盤轉子的安裝端；
定位塊(2)為包括防止M10內六角螺釘(3)松動段(201)和定位段(202)，防止螺釘(3)松動段為圓柱體，定位段(202)為兩個定位圓柱體，分別為第一定位圓柱體(2021)和第二定位圓柱體(2022)，第一定位圓柱體(2021)的直徑小于第二定位圓柱體(2022)，第二定位圓柱體(2022)位于第一定位圓柱體(2021)和防止M10內六角螺釘(3)松動段(201)之間；第二定位圓柱體(2022)和驅動法蘭連接段(101)的一個端面設有的圓柱形凹槽配合實現渦輪盤連接件(1)和定位塊(2)的定位，防止M10內六角螺釘(3)松動段(201)和定位段(202)均位于驅動法蘭連接段(101)內；
M10內六角螺釘(3)位于渦輪盤連接件(1)內，M10內六角螺釘(3)包括螺帽和螺柱，螺帽與定位塊(2)的防止松動段(201)靠近且有一定間隙，螺柱從懸臂渦輪盤連接段(102)的另一個端面的圓柱形凹槽內伸出，能夠與外部渦輪盤轉子連接。
為了保持高速狀態下的穩定性，避免升速過程中出現自激勵振動，本試驗裝置與外部懸臂渦輪盤轉子裝配后整體的軸向轉動慣量Iz與徑向轉動慣量Ix的關系為：
為了保持高速狀態下的穩定性，避免試驗轉速下發生共振，本試驗裝置與外部懸臂渦輪盤轉子裝配后整體的二階臨界轉速ω2、三階臨界轉速ω3與試驗轉速Ω的關系為：130％ω2<Ω<70％ω3。
渦輪盤連接件(1)為鈦合金材料，定位塊(2)為不銹鋼材料，M10內六角螺釘(3)為鈦合金材料。由于不銹鋼的線膨脹系數大于鈦合金的線膨脹系數，因此確保了高溫狀態下M10內六角螺釘(3)不會因自身膨脹度小于螺紋孔膨脹度而松脫。
渦輪盤連接件(1)的懸臂渦輪盤連接段(102)的直徑d1與驅動法蘭連接段(101)的直徑d2的關系為：d1/d2＝2～2.5。這種結構尺寸設計關系，能夠增加渦輪盤連接件(1)于外部懸臂渦輪盤轉子的對接部位的結構強度，同時可以將懸臂渦輪盤連接段(102)的外表面作為動平衡去重區域。
本實用新型與現有技術相比的優點在于：
(1)本實用新型的試驗轉接裝置材料需要在高溫高速狀態下具有良好的性能，結構穩定，不會因為高溫膨脹而松脫，設計時也許考慮系統穩定性及臨界轉速避開工作轉速等問題。
(2)本實用新型的試驗裝置已經多次成功應用于渦輪盤的高溫超速疲勞試驗中，試驗結果良好，裝配可靠性高。
(3)本實用新型結構重量輕。本試驗裝置的主要部件都采用鈦合金加工，既能確保材料在高溫高速下具備足夠的強度，又滿足裝置軸系轉動慣量的要求，同時減輕了結構整體的重量，便于安裝分解。
(4)本實用新型定位精度高。本試驗裝置的定位塊裝配以及與渦輪盤軸頭的配合都為過盈配合，徑向與軸向配合精度可以達到0.03mm以下，確保了試驗件與試驗臺驅動軸的對中度。
(5)本實用新型耐高溫設計。高溫超速試驗的試驗溫度可達600℃以上，在高溫狀態下材料的強度會顯著降低，常溫下的結構設計強度與配合精度在高溫下都無法達到。本試驗裝置設計時考慮了材料在高溫下的膨脹對結構強度與配合精度的影響，使其在高溫下仍然可以滿足設計要求，具備足夠的可靠性與安全性。
(6)本實用新型防松脫設計。試驗裝置內的M10內六角螺釘起到了固定渦輪盤連接件與渦輪盤軸頭間配合的作用，防止試驗件在高溫高速下發生意外松脫的可能性，確保了試驗的安全性。
(7)本實用新型高速穩定性好。由于超速試驗驅動軸為單點懸掛式支撐，這種支撐方式相對于長懸臂結構的轉子而言，轉子自身在高速狀態下擺動較大，很難控制系統的高速穩定性。本試驗裝置在設計時考慮了如何控制旋轉系統重心及其轉動慣量，提高了系統在高速狀態下的穩定性。
(8)本實用新型裝置臨界轉速避開工作轉速。由于本試驗裝置用于高速工況(n>35000r/min)，設計時考慮到使試驗系統的臨界轉速避開工作轉速，使其具有足夠的剛度和穩定性，避免由于轉子振動造成共振，產生干擾頻率。
(9)本實用新型增加去重帶。本試驗裝置設計時在渦輪盤連接件外側增加了低速動平衡去重帶，可在系統低速動平衡時直接在裝置外側進行去重，保證了試驗件的設計完整性，也便于對系統進行低速動平衡，提高系統的高速穩定性。
附圖說明
圖1為本實用新型提供的一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速試驗轉接裝置應用裝配圖；
圖2為本實用新型提供的渦輪盤連接件結構圖；
圖3為本實用新型提供的定位塊；
圖4為本實用新型提供的C型平鍵；
圖5為本實用新型提供的M10內六角螺釘結構圖；
圖6為本實用新型的轉接裝置對試驗件進行測試所得的試驗數據示意圖。
具體實施方式
本實用新型的基本思路為：一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速試驗轉接裝置，包括渦輪盤連接件(1)、定位塊(2)、M10內六角螺釘(3)、C型平鍵(4)，主要應用于高溫狀態下的懸臂渦輪盤轉子的超速疲勞試驗，起到將試驗臺驅動軸與渦輪盤進行定位、對接、緊固、傳扭的作用，裝置的設計充分考慮了高溫結構強度和旋轉軸系的轉動慣量的要求。本實用新型結構重量輕，定位效果良好，具有耐高溫(600℃)和放松脫等功能，在高速(35000r/min)狀態下裝置穩定性強，試驗測試效果良好，同時設計有去重帶，便于試驗前的動平衡去重。
下面結合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步詳細描述：
如圖1所示，一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速疲勞試驗轉接裝置，包括：渦輪盤連接件(1)；定位塊(2)；M10內六角螺釘(3)；C型平鍵(4)。渦輪盤連接件(1)為鈦合金材料，定位塊(2)為不銹鋼材料，M10內六角螺釘(3)為鈦合金材料。由于不銹鋼的線膨脹系數大于鈦合金的線膨脹系數，因此確保了高溫狀態下M10內六角螺釘(3)不會因自身膨脹度小于螺紋孔膨脹度而松脫。
如圖2所示，渦輪盤連接件(1)包括：驅動法蘭連接段(101)和懸臂渦輪盤連接段(102)；驅動法蘭連接段為中空圓柱體，懸臂渦輪盤連接段為中空圓柱體。渦輪盤連接件(1)的懸臂渦輪盤連接段(102)的直徑d1與驅動法蘭連接段(101)的直徑d2的關系為：d1/d2＝2～2.5。這種結構尺寸設計關系，能夠增加渦輪盤連接件(1)于外部懸臂渦輪盤轉子的對接部位的結構強度，同時可以將懸臂渦輪盤連接段(102)的外表面作為動平衡去重區域。
驅動法蘭連接段(101)的一個端面與外部的驅動軸通過法蘭連接，并通過螺釘固定，使外部驅動軸能夠帶動渦輪盤連接件(1)轉動；定位塊(2)的第一定位圓柱體(2021)與外部的驅動軸配合，實現渦輪盤連接件(1)和外部的驅動軸定位；驅動法蘭連接段(101)的一個端面設有一個圓柱形凹槽。
懸臂渦輪盤連接段(102)的一個端面和驅動法蘭連接段(101)的另一個端面貼合，懸臂渦輪盤連接段(102)的另一個端面設有圓柱形凹槽，且圓柱形凹槽的直徑大于懸臂渦輪盤連接段(102)的內壁的直徑，在圓柱形凹槽內壁上設置有兩個安裝C型平鍵(4)的矩形鍵槽，且矩形鍵槽的尺寸與C型平鍵(4)匹配；C型平鍵(4)為一端帶有弧形面的長方體，與弧形面(401)對應的一端為平面端(402)。
如圖4所示，C型平鍵(4)的平面端(402)插入矩形鍵槽內，弧形面(401)從矩形鍵槽伸出；兩個C型平鍵(4)伸出的弧形面(401)作為渦輪盤轉子的安裝端。
如圖3所示，定位塊(2)為包括防止M10內六角螺釘(3)松動段(201)和定位段(202)，防止M10內六角螺釘(3)松動段為圓柱體，定位段(202)為兩個定位圓柱體，分別為第一定位圓柱體(2021)和第二定位圓柱體(2022)，第一定位圓柱體(2021)的直徑小于第二定位圓柱體(2022)，第二定位圓柱體(2022)位于第一定位圓柱體(2021)和防止M10內六角螺釘(3)松動段(201)之間；第二定位圓柱體(2022)和驅動法蘭連接段(101)的一個端面設有的圓柱形凹槽配合實現渦輪盤連接件(1)和定位塊(2)的定位，防止M10內六角螺釘(3)松動段(201)和定位段(202)均位于驅動法蘭連接段(101)內。
如圖5所示，M10內六角螺釘(3)位于渦輪盤連接件(1)內，M10內六角螺釘(3)包括螺帽和螺柱，螺帽與定位塊(2)的防止松動段(201)靠近且有一定間隙，螺柱從懸臂渦輪盤連接段(102)的另一個端面的圓柱形凹槽內伸出，能夠與外部渦輪盤轉子連接。
本實用新型能夠測試懸臂渦輪盤轉子，所述的懸臂渦輪盤轉子包括：渦輪盤和旋轉軸；待測試的渦輪盤轉子的渦輪盤上靠近旋轉軸處有和本實用新型的裝置的配合的連接端，連接端有內螺紋孔，待測試的渦輪盤轉子的連接端插入懸臂渦輪盤連接段(102)的另一個端面的圓柱形凹槽，M10內六角螺釘(3)能夠與渦輪盤轉子的內螺紋孔配合，使渦輪盤轉子能夠與渦輪盤連接件(1)連接并通過M10內六角螺釘(3)固定，實現徑向定位；渦輪盤連接件(1)的懸臂渦輪盤連接段(102)的另一個端面與待測試的渦輪盤轉子的渦輪盤貼合，待測試的渦輪盤轉子的渦輪盤上靠近連接端處為平面，實現軸向定位。
渦輪盤連接件(1)與待測試的渦輪盤轉子的旋轉軸同軸，且渦輪盤連接件(1)能夠帶動待測試的渦輪盤轉子轉動。
為了保持高速狀態下的穩定性，避免升速過程中出現自激勵振動，本試驗裝置與外部懸臂渦輪盤轉子裝配后整體的軸向轉動慣量Iz與徑向轉動慣量Ix的關系為：本試驗裝置與外部懸臂渦輪盤轉子裝配后整體的二階臨界轉速ω2、三階臨界轉速ω3與試驗轉速Ω的關系為：130％ω2<Ω<70％ω3。
本實用新型的試驗裝置連接電機驅動法蘭端與被測試驗件連接端，使電機輸出軸能夠帶動試驗件轉動。
測試方法為：
(1)將本實用新型的試驗裝置與懸臂渦輪盤轉子進行裝配對接；
(2)將上述裝配好的試驗裝置與試驗臺電機取驅動法蘭進行對接裝配；
(3)關閉試驗臺真空防爆倉，對倉內抽真空；
(4)待真空度達到試驗要求，啟動驅動電機，將電機輸出軸的轉速設定在500r/min運轉，開始對試驗件進行加熱；
(5)待加熱溫度升至試驗要求溫度(600℃)后，將電機輸出軸的轉速提高至試驗要求轉速；
(6)監測試驗振動數據，達到試驗要求的運轉時間后停止試驗。
利用一種用于懸臂渦輪盤的高溫超速疲勞試驗轉接裝置對試驗件進行測試，所得某次試驗數據如圖6所示。圖6中橫坐標為試驗時間，縱坐標依次分別為溫度、振動位移和轉速，圖6中三條曲線分別轉速從500r/min升至接近28000r/min時的溫度、振動位移和轉速曲線。從圖中曲線可以明顯看出當試驗件升速至約5000r/min時，試驗件出現振動峰值，但峰值較小，表明試驗件在高速狀態下不平衡量較小，對中精度較高。當越過振動峰值后，轉速逐漸升高至試驗轉速，試驗件振動量級逐漸降低，振動曲線平穩，表明在所設定的試驗轉速下，驗證了所設計的裝置結構固有頻率能夠有效避開試驗件的工頻與固有頻率，具有足夠的剛度和穩定性，避免由于轉子振動造成共振，產生干擾頻率。待試驗件運轉時間達到試驗要求后，試驗結束，整個試驗過程的試驗曲線平穩，表明本實用新型的試驗裝置在600℃高溫下，結構強度強、配合精度高，在高溫狀態下未發現試驗裝置與試驗件連接松脫的現象，驗證了本實用新型試驗裝置的安全可靠。
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