用于涡轮测试台或用于涡轮机的旋转部件、包括所述部件的涡轮测试台以及使用所述测试台的方法

摘要

本发明涉及一种意在被旋转的旋转部件(60)，包括意在围绕旋转轴(24)被紧密调节的毂(62)，以及从毂的轴向端部径向向外延伸的本体(14)。为了使临界速度增加至能够保持紧固，毂(62)包括三个相对厚的环形区域(68，66，70)，该三个厚的环形区域通过两个相对薄的环形区域(64a，64b)彼此分开，以这种方式使得，当旋转部件受到离心力(F)时，两个相对薄的环形区域(64a，64b)形成用作双枢轴的特许变形区域。这种部件能够有利地用作在涡轮测试台或涡轮机中进行平衡的活塞。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于涡轮测试台或用于涡轮机的旋转部件，该旋转部件被旋转，特别是以可能引起该部件显著变形的角速度旋转，并且包括用于紧密地安装到能旋转的轴上的毂，以及从毂径向向外延伸的本体。

本发明还涉及一种涡轮测试台，涡轮测试台包括形成平衡活塞的这种旋转部件，该平衡活塞是承受加压流体的压力以将轴向载荷施加到待测试涡轮的部件。

最后，本发明涉及一种用于通过这种测试台来测试涡轮(例如，用于飞行器涡轮机的涡轮)的方法。

背景技术

通常，承受快速旋转运动的上述类型的旋转部件趋于变形，使得部件的本体相对于部件的轴径向向外偏离并随之驱动毂的部件，从而导致部件相对于旋转轴的不希望的松动。

该问题例如涉及涡轮机测试台或其他类型的旋转机器(例如涡轮机)中使用的平衡活塞。

这个问题由图1至图3示出。

图1示出了涡轮测试台8内的这种平衡活塞。该平衡活塞采用旋转部件10的形式，旋转部件包括毂12、从毂12(例如从毂的轴向端部15)径向向外延伸的本体14、以及头部16，头部形成在本体14的径向外端部处并具有密封唇18，密封唇有时被称为“刀口式密封件”。

毂具有径向内表面19，该径向内表面包括环形槽20和两个圆柱形支承座22a、22b，这两个圆柱形支承座通过环形槽20彼此分开并且通常通过收缩而紧密地安装到所述台的转子轴24。该转子轴24被连接到涡轮的转子轴。圆柱形支承座包括第一圆柱形支承座22a和第二圆柱形支承座22b，第一圆柱形支承座相对于环形槽20位于与本体14相同的轴向侧上，第二圆柱形支承座22b位于相对的轴向侧上。

头部16的密封唇18与由台的定子元件28承载的圆柱形轨道26配合，以形成迷宫式密封件。在使用中，这种密封件旨在将加压气体限制在平衡活塞10的一侧上，使得密封件能将气体压力转换成抵抗涡轮的轴向载荷。替代地，可使用其他类型的旋转式密封件，例如刷条密封件或耐磨涂层密封件。

图2示出了使用中的旋转部件10。由于其高速旋转，该部件因离心效应而变形。更确切地说，部件的本体14径向向外偏离并且由此驱动第一圆柱形支承座22a，并且渐增地驱动整个毂，并且因此特别是渐增地驱动第二圆柱形支承座22b，从而在两个圆柱形支承座22a、22b中的每个与转子轴24之间产生间隙。旋转部件10的变形进一步引起头部16的倾斜，这可能会损害旋转式密封件的密封。

因此，存在旋转部件10从转子轴24松开的风险，如图3所示，图3是横坐标为转子轴24的转速(单位为转/分钟)并且纵坐标为相对于转子轴24的间隙(单位为毫米)的曲线图。该曲线图包括：

-第一曲线C1，该第一曲线与第一圆柱形支承座22a和转子轴24之间的接触区域32的第一轴向端部30a(图2a)相关，第一轴向端部30a位于与第二圆柱形支承座22b相对的一侧，

-第二曲线C2，第二曲线与第一圆柱形支承座22a和转子轴24之间的接触区域32的第二轴向端部30b(图2a)相关，第二轴向端部30b位于第二圆柱形支承座22b一侧，

-第三曲线C3，第三曲线与第二圆柱形支承座22b和转子轴24之间的接触区域36的第一轴向端部34a(图2a)相关，第一轴向端部34a位于第一圆柱形支承座22a一侧，

-第四曲线C4，第四曲线与第二圆柱形支承座22b和转子轴24之间的接触区域36的第二轴向端部34b(图2a)相关，第二轴向端部34b位于与第一圆柱形的支承座22a的相对的一侧。

在该曲线图中，纵坐标为0.016mm的水平线L1表示最大间隙，若超过该最大间隙，将认为损失了相关区域的夹紧(或收缩)。

因此，曲线C1和C2共同的点P1对应于当旋转速度达到9200转/分钟时第一圆柱形支承座22a的夹紧损失点P2对应于当旋转速度达到11,100转/分钟时第二圆柱形支承座22b的局部的夹紧损失的开始，而点P3对应于当旋转速度达到11,600转/分钟的临界速度时第二圆柱形支承座22b的总夹紧损失。

这种临界速度证明不足以测试某些飞行器发动机的涡轮，特别是在具有相对减小的尺寸的涡轮螺旋桨发动机的情况下，其额定运行速度可以超过18,000转/分钟，而最大超速(还需要以最大超速测试涡轮)超过30,000转/分钟。

但是，平衡活塞在使用中的夹紧损失会导致不平衡或有害振动的风险，有可能损害达到所需速度的可能性。

因此，需要一种旋转部件，该旋转部件相比现有技术的旋转部件的情况能够在更高的速度下使其保持夹紧到能旋转的轴。

发明内容

本发明的一个目的特别是为该问题提供简单、经济且有效的解决方案。

为此，本发明提供了一种旋转部件，特别是用于涡轮测试台或涡轮机的旋转部件，该旋转部件被旋转，并且包括用于被紧密地安装到能旋转的轴的毂，以及从毂的轴向端部径向向外延伸的本体。

根据本发明，毂包括从毂的轴向端部彼此轴向接续的五个环形区域，即，依次为：从本体延伸的第一环形区域、第二环形区域、第三环形区域、第四环形区域和第五环形区域，第二环形区域和第四环形区域具有的厚度小于第三环形区域和第五环形区域的厚度，使得当旋转部件受到离心力时，第二环形区域和第四环形区域形成表现为双枢轴的有利的变形区域。

因此，毂的形状能够有利于解耦由离心力引起的第五环形区域和部件的本体的各自的变形，这尤其能够在速度明显高于现有技术的旋转部件的临界速度时保持第五环形区域的夹紧。

在本发明的一个优选实施例中，旋转部件进一步包括头部，该头部形成在旋转部件的本体的径向外端部处并且具有第一密封装置，该第一密封装置是能旋转的密封件的一部分。

因此，旋转部件能够构成平衡活塞或者是作为能旋转的密封件的一部分的任何其他类型的部件。

在本发明的优选实施例中，毂具有径向内表面，该径向内表面包括环形槽以及两个圆柱形支承座，该两个圆柱形支承座通过环形槽彼此分开并且分别面向第一环形区域和第五环形区域延伸。

另外，优选地，环形槽面向第二环形区域、第三环形区域和第四环形区域延伸。

有利地，毂具有径向外表面，该径向外表面包括两个环形喉部，该两个环形喉部分别界定出第二环形区域和第四环形区域。

本发明还涉及一种涡轮测试台，该涡轮测试台包括用于支撑待测试涡轮的转子的转子轴，以及上述类型的旋转部件，该旋转部件被紧密地安装到所述转子轴并且承受加压流体的压力以对待测试的涡轮施加轴向载荷。

在这个特定的应用中，旋转部件因此构成平衡活塞。

优选地，旋转部件进一步包括头部，该头部形成在旋转部件的本体的径向外端部处并且具有第一密封装置，并且所述台进一步包括环形元件，旋转部件相对于该环形元件能旋转地移动，所述环形元件具有第二密封装置，所述第二密封装置与所述第一密封装置配合以形成能旋转的密封件。

最后，本发明涉及一种用于测试涡轮(例如用于飞机涡轮机的涡轮)的方法，该方法至少包括以下步骤：将涡轮安装到上述类型的测试台中，特别是将涡轮的转子连接到测试台的转子轴，然后使涡轮转子旋转，从而引起旋转部件的旋转，同时将加压气体施加到旋转部件的本体的面向涡轮的侧部，使得旋转部件对涡轮施加轴向载荷。根据该方法，旋转部件的本体在由旋转部件的旋转引起的离心力的作用下径向地向外偏离，而旋转部件的毂的第二环形区域和第四环形区域变形为双枢轴。

附图说明

通过阅读通过非限制性示例并参考附图进行的以下描述，本发明将被更好地理解，并且本发明的进一步的细节、优点和特征将显现，在附图中：

-已经描述的图1是涡轮测试台的轴向截面和透视的局部示意性半视图，该涡轮测试台包括平衡活塞，该平衡活塞由已知类型的旋转部件组成，该旋转部件包括被紧密地安装到转子轴的毂；

-已经描述的图2是图1的台的旋转部件的轴向截面的示意性半视图，该轴向部件因离心效应而变形；

-已经描述的图2a是图2的一部分的较大比例视图，示出了旋转部件的毂；

-已经描述的图3是示出了旋转部件的毂与图1的台的转子轴之间的间隙作为转子轴的旋转速度的函数随时间的变化的曲线图；

-图4是测试台的轴向截面和透视的局部示意性半视图，该测试台包括由根据本发明优选实施例的旋转部件组成的平衡活塞，该旋转部件包括被紧密地安装到转子轴的毂；

-图5是图4的一部分的较大比例视图，示出了图4的测试台的旋转部件和转子轴；

-图6是表示图5的旋转部件的机械特性的框图；

-图7是图5的旋转部件的轴向截面的示意性半视图，该旋转部件因离心效应而变形；

-图7a是图7的一部分的较大比例视图，示出了图5的旋转部件的毂；

-图7b是图7的另一部分的较大比例视图，示出了图5的旋转部件的头部；

-图8是表示旋转部件的毂与图4的台的转子轴之间的间隙作为转子轴的旋转速度的函数随时间的变化的曲线图；

-图9是表示图4的台的旋转部件的头部的变形作为转子轴的旋转速度的函数的曲线图。

在这些图中，相同的附图标记可以表示相同或类似的元件。

具体实施方式

图4示出了根据本发明的优选实施例的测试台40的部件，该部件有时被称为“测试机器”，并且基本上包括待测试的涡轮42、空气入口涡管44、空气出口涡管46、轴管47和相关的支撑器件48(具体包括用于支撑涡轮42的转子和定子的一组支承件)，以及测量装置50。轴管具体包括转子轴24(图5)。在图4中，箭头52示出了使用中的测试机器内的空气路径。

根据本发明的一个优选实施例，支撑器件48具体包括由旋转部件60(图5)形成的平衡活塞。旋转部件60总体上类似于图1和图2的已知类型的旋转部件10，但是它们之间存在区别，主要因为毂62包括五个环形区域，这五个环形区域从毂62的轴向端部15彼此轴向接续，即，依次为(在图5中从左到右)：从本体14延伸的第一环形区域68、第二环形区域64a、第三环形区域66、第四环形区域64b和第五环形区域70，使得第二环形区域64a和第四环形区域64b各自具有的厚度W2小于第三环形区域66的厚度W3和第五环形区域70的厚度W5。

通常，毂62优选地通过收缩被紧密地安装到转子轴24。为此，毂以本身已知的方式具有径向内表面19，该径向内表面包括环形槽20和两个圆柱形支承座22a、22b，这两个圆柱形支承座通过环形槽20彼此分开并被紧密地安装到转子轴24上。第一圆柱形支承座22a在第一环形区域68处轴向地延伸，而第二圆柱形支承座22b在第五环形区域70处轴向地延伸。

在本发明的优选实施例中，环形槽20面向第三环形区域延伸并且面向第二环形区域64a和第四环形区域64b延伸。因此，第三环形区域66的厚度W3大于第二环形区域64a和第四环形区域664b的厚度W2，同时小于第五环形区域70的厚度W5。

此外，在所示的示例中，第五环形区域70形成毂62的位于本体14的相对侧的自由端部。

另外，毂62具有径向外表面72，该径向外表面包括两个环形喉部74a、74b，这两个环形喉部分别界定出第二环形区域64a和第四环形区域64b。环形喉部74a、74b优选地具有呈圆形横截面的部分，但是可替代地具有其他类型的横截面，例如V形横截面。

通常，当旋转部件60受到离心力时，第二环形区域64a和第四环形区域64b形成有利的变形区域。特别地，如图6的方案所示，当考虑到旋转部件60的轴向截面半视图时，第二环形区域64a和第四环形区域64b的行为可以与双枢轴的行为相同。

因此，就在旋转部件60受到离心力时旋转部件发生变形来说，毂62的形状使得能够有利于第二圆柱形支承座22b相对于第一圆柱形支承座22a的机械行为的独立性。换言之，第五环形区域70的变形因此至少部分地与本体14和第一环形区域68的变形去相关。

因此，毂62的形状能够以高于现有技术的旋转部件所允许的速度的旋转速度保持可接受的夹紧水平。

图7示出了以20,000转/分钟的速度旋转的旋转部件60，并且示出了尽管本体14发生由离心力F引起的变形，第二圆柱形支承座22b(以及因此第五环形区域70)总是以该速度夹紧到转子轴24(也参见图7a)上。

更准确地说，图8是一种曲线图，其横坐标表示转子轴24的旋转速度，单位为转/分钟，纵坐标表示相对于转子轴24的间隙，单位为毫米。该曲线图包括：

-第五曲线C5，该第五曲线与第二圆柱形支承座22b和转子轴24之间的接触区域36的第一轴向端部34a(图7a)相关，该第一轴向端部位于第一圆柱形支承座22a一侧，

-第六曲线C6，该第六曲线与第二圆柱形支承座22b与转子轴24之间的接触区域36的第二轴向端部34b(图7a)，该第二轴向端部位于与第一圆柱形支承座22a的相对的一侧。

在该曲线图中，纵坐标为0.016mm的水平线L2表示最大间隙，超过该最大间隙，则认为损失了相关区域的夹紧(或收缩)。

因此，点P4对应于第二轴向端部34b的夹紧损失，并且因此对应于旋转部件60的夹紧损失。

同样如图7所示，相比旋转部件60静止(也参见图7b)时，旋转部件60的头部16以2,0000转/分钟的旋转速度基本上保持相同的旋转方向。旋转部件60的变形实际上引起头部16的运动，当在轴向截面中观察时，该运动基本上类似于平移。

该优点也能从图9中推导出，图9是一个曲线图，其横坐标表示转子轴24的旋转速度(单位为转/分钟)，纵坐标表示头部16的密封唇18的运动。该曲线图包括：

-第七曲线C7，该第七曲线与位于毂62的相对轴向侧上的第一端部密封唇18a(图7b)相关，

-第八曲线C8，该第八曲线与位于毂62相同的轴向侧上的第二端部密封唇18b(图7b)相关。

该曲线图表明，这两个端部密封唇18a、18b的各自的运动在测试台的整个工作范围内保持非常接近彼此，特别是约20,000转/分钟。

本发明还涉及一种用于测试涡轮42(例如用于飞行器涡轮机的涡轮)的方法，该方法至少包括将涡轮42安装到上述类型的测试台40中的步骤，特别是将涡轮的转子连接到测试台的转子轴24，然后使涡轮转子旋转，从而使由旋转部件60形成的平衡活塞旋转，同时在平衡活塞的本体14的与涡轮42相对的侧部82上施加加压气体80(图5)，使得平衡活塞向涡轮施加轴向载荷。

在该方法中，平衡活塞60的本体14在由平衡活塞的旋转引起的离心力F(图7)的作用下径向地向外偏离，然而，如上所述的，毂62的第二环形区域64a和第四环形区域64b变形为双枢轴，使得第五环形区域70的变形相对于本体14的变形受到限制。