鸟弹试验装置和鸟弹试验方法与流程

1.本发明涉及一种鸟弹试验装置和鸟弹试验方法。


背景技术：

2.航空发动机的鸟撞试验是适航条款规定必须进行的航空发动机性能试验。在发动机适航取证时，需经过严格的试验验证其满足适航条款要求，其中有条款指出在开展鸟撞验证试验时，应充分考虑鸟弹的撞击点位置。因此，对于鸟撞试验，完善其鸟弹精确打击试验件指定位置的试验技术是民用航空发动机研制过程中的关键问题。
3.目前，国内外鸟撞试验均有开展，相关的试验装置及试验方法更多的是针对飞机整机的鸟撞所设计，没有考虑航空发动机高速旋转过程中的试验可重复性问题，或难以达到高速转动试验件的精确打击要求。
4.在发明人了解的一些相关技术中，鸟弹试验装置仅能够对静止的飞机整机实施精准的打击，对于具有高速转动的叶片，无法确保对要求的打击点实施精准打击，并保证试验的可重复性。
5.在此需要说明的是，该背景技术部分的陈述仅提供与本发明有关的背景技术，并不必然构成现有技术。


技术实现要素：

6.本发明提供一种鸟弹试验装置和鸟弹试验方法，以精确控制鸟撞试验的鸟弹打击点。
7.本发明第一方面提供一种鸟撞试验装置，包括：
8.真空仓；
9.风扇试验件，设置在真空仓内且包括转轴和沿转轴的周向设置的多个叶片，转轴绕其轴线可转动地设置以带动多个叶片转动；
10.鸟弹发射装置，包括高压气体瓶、炮筒和设置在炮筒内的鸟弹，炮筒的第一端与高压气体瓶连接，炮筒的第二端与真空仓连接，鸟弹设置在炮筒内以在高压气体的冲击下离开炮筒并打击多个叶片中的预设目标叶片；
11.气路通断阀和控制器，气路通断阀设置在高压气体瓶和炮筒的第一端之间以控制高压气体瓶与炮筒之间气路的通断，控制器被配置为向气路通断阀发射开启信号以使高压气体冲击鸟弹，且控制器还被配置为根据预设目标叶片在风扇试验件上所处的实际角度位置控制开启信号的发射时间以使鸟弹击中预设目标叶片。
12.在一些实施例中，控制器被配置为根据预设目标叶片的初始角度位置和从控制器发射开启信号到鸟弹打击到风扇试验件的过程中风扇试验件转过的角度计算在控制器发射开启信号时预设目标叶片的目标角度位置，当预设目标叶片的实际角度位置为目标角度位置时，控制器发射开启信号。
13.在一些实施例中，从控制器发射开启信号到鸟弹打击到风扇试验件的过程中风扇
试验件转过的角度通过从控制器发射开启信号到鸟弹打击到风扇试验件的过程所花费的时间和风扇试验件的转速来计算获取。
14.在一些实施例中，从控制器发射开启信号到鸟弹打击到风扇试验件的过程所花费的时间包括从发射开启信号到气路通断阀的阀门开启所需的第一时间、鸟弹飞过炮筒所需的第二时间以及鸟弹从炮筒的第二端到打击到风扇试验件的第三时间。
15.在一些实施例中，鸟弹打击预设目标叶片的角度误差小于多个叶片中每个叶片覆盖的角度值。
16.在一些实施例中，多个叶片的数量小于等于18。
17.在一些实施例中，控制器被配置为根据预设目标叶片的编号计算获得预设目标叶片的初始角度位置。
18.本发明第二方面提供一种基于上述鸟撞试验装置的鸟撞试验方法，包括如下步骤：
19.确定多个叶片中一个叶片为预设目标叶片并计算预设目标叶片在风扇试验件上的初始角度位置；
20.获取从控制器发射开启信号到鸟弹打击到风扇试验件的过程中风扇试验件转过的角度；
21.根据初始角度位置和风扇试验件转过的角度计算在发射信号时预设目标叶片的目标角度位置；以及
22.对预设目标叶片的实际角度位置进行实时检测，当预设目标叶片的实际角度位置为目标角度位置时，控制器发射开启信号。
23.基于本发明提供的各方面，鸟撞试验装置包括真空仓、风扇试验件、鸟弹发射装置、气路通断阀和控制器。风扇试验件设置在真空仓内且包括转轴和沿转轴的周向设置的多个叶片，转轴绕其轴线可转动地设置以带动多个叶片转动。鸟弹发射装置包括高压气体瓶、炮筒和设置在炮筒内的鸟弹，炮筒的第一端与高压气体瓶连接，炮筒的第二端与真空仓连接，鸟弹设置在炮筒内以在高压气体的冲击下离开炮筒并打击多个叶片中的预设目标叶片。气路通断阀设置在高压气体瓶和炮筒的第一端之间以控制高压气体瓶与炮筒之间气路的通断，控制器被配置为根据预设目标叶片在风扇试验件上所处的实际角度位置控制气路通断阀的开启时间以使鸟弹击中预设目标叶片。本发明的试验装置对预设目标叶片的目标角度位置进行预判，并在预设目标叶片在风扇试验件上所处的实际角度位置为上述目标角度位置时，发射开启信号，进而实现对预设目标叶片的精确击中。
24.通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
25.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
26.图1为本发明实施例的鸟弹试验装置的结构示意图。
27.图2为图1中风扇试验件的结构示意图。
28.图3为控制器发射开启信号时风扇试验件的示意图。
29.图4为本发明实施例的鸟弹试验方法的控制流程示意图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
32.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
33.本发明实施例的鸟撞试验装置通过精准计算从发射开启信号到鸟弹打击到预设目标叶片所需的时间预判在发射打击信号时预设目标叶片所处的角度位置，进而在预设目标叶片未到达打击点时就提前发射打击信号，从而精准控制鸟弹打击风扇试验件的打击点。
34.参考图1至图3，在一些实施例中，鸟撞试验装置包括真空仓5、风扇试验件4、鸟弹发射装置、气路通断阀7和控制器6。
35.风扇试验件4设置在真空仓5内且包括转轴和沿转轴的周向设置的多个叶片41，转轴绕其轴线可转动地设置以带动多个叶片41转动。鸟弹发射装置包括高压气体瓶1、炮筒2和设置在炮筒2内的鸟弹3，炮筒2的第一端与高压气体瓶1连接，炮筒2的第二端与真空仓5连接，鸟弹3设置在炮筒2内以在高压气体的冲击下离开炮筒2并打击多个叶片中的预设目标叶片。气路通断阀7设置在高压气体瓶1和炮筒2的第一端之间以控制高压气体瓶1与炮筒2之间气路的通断，控制器6被配置为根据预设目标叶片在风扇试验件4上所处的实际角度位置控制气路通断阀7的开启时间以使鸟弹3击中预设目标叶片。
36.从控制器6发射开启信号以开启气路通断阀7到鸟弹3真正击中预设目标叶片，风扇试验件4会持续转动，因此若想精确击中预设目标叶片，要对预设目标叶片的目标角度位
置进行预判，并在预设目标叶片在风扇试验件4上所处的实际角度位置为上述目标角度位置时，发射开启信号，进而实现对预设目标叶片的精确击中。
37.具体地，参考图2，当风扇试验件4静止不转动时，则鸟弹打击点a位于角度为零的叶片上。本实施例的风扇试验件4绕其转轴持续转动，将风扇试验件4的第n个叶片41设置为预设目标叶片，那么为了使鸟弹精准击中该预设目标叶片，需要在鸟弹到达风扇试验件4的时候，该预设目标叶片也刚好转动到该位置，从而使鸟弹打击点a刚好位于预设目标叶片上。
38.在一些实施例中，控制器6被配置为根据预设目标叶片的初始角度位置和从控制器6发射开启信号到鸟弹打击到风扇试验件的过程中风扇试验件转过的角度计算在控制器发射开启信号时预设目标叶片的角度位置。
39.参考图2，预设目标叶片的初始角度位置从控制器6发射开启信号到鸟弹打击到风扇试验件的过程中风扇试验件转过的角度为β，那么在控制器发射开启信号时预设目标叶片的目标角度位置
40.在一些实施例中，从控制器6发射开启信号到鸟弹打击到风扇试验件的过程中风扇试验件转过的角度β通过从控制器6发射开启信号到鸟弹打击到风扇试验件的过程所花费的时间和风扇试验件的转速来获取。具体地，β＝t
·
ω。
41.具体地，从控制器6发射开启信号到鸟弹打击到风扇试验件的过程所花费的时间t包括从发射开启信号到气路通断阀的阀门开启所需的第一时间t
open
、鸟弹飞过炮筒所需的第二时间t
ab
以及鸟弹从炮筒的第二端到撞击到风扇试验件的第三时间t
bc
。也就是说t＝t
open
t
ab
t
bc
。具体地，从发射开启信号到气路通断阀的阀门开启所需的第一时间t
open
指的是从开启信号被发出到气路通断阀的电池开启的时间。
42.在一些实施例中，鸟弹打击预设目标叶片的角度误差小于多个叶片中每个叶片覆盖的角度值。此处每个叶片覆盖的角度值指的是360
°
除以叶片的数量得到的角度，而不是每个叶片的实体部分覆盖的值。
43.在一些实施例中，多个叶片的数量小于等于18。
44.在一些实施例中，控制器被配置为根据预设目标叶片的编号计算获得预设目标叶片的初始角度位置。也就是说在安装时，将零号叶片安装在角度为零的位置。例如第n个叶片的初始角度位置其中n为叶片的编号。
45.本发明实施例还提供一种鸟撞试验装置的鸟撞试验方法，包括如下步骤：
46.确定多个叶片中一个叶片为预设目标叶片并计算预设目标叶片在风扇试验件上的初始角度位置；
47.获取从控制器发射开启信号到鸟弹打击到风扇试验件的过程中风扇试验件转过的角度；
48.根据初始角度位置和风扇试验件转过的角度计算在发射信号时预设目标叶片的目标角度位置；以及
49.对预设目标叶片的角度位置进行实时检测，在预设目标叶片到达目标角度位置时，控制器发射开启信号。
50.本发明实施例的鸟撞试验方法通过对风扇试验件的目标角度位置进行计算和预
判，在预设目标叶片到达目标角度位置时控制器发射开启信号，进而实现对预设目标叶片的精确打击。对预设目标叶片的精确打击可有助于对多个叶片进行重复试验。
51.具体地，对预设目标叶片的角度位置进行实时检测，可以直接利用传感器对预设目标叶片的角度位置进行直接的实时检测。也可以对整个风扇试验件的角度位置进行检测来转换得到预设目标叶片的角度位置，例如可以第零个叶片为参照来对风扇试验件的角度位置进行检测，进而也可以获得预设目标叶片的角度位置。
52.下面根据图1至图4对本发明一个具体实施例的航空发动机的鸟撞试验装置的结构和工作过程进行详细说明。
53.如图1所示，在本实施例中，航空发动机的鸟撞试验装置包括高压气瓶1、炮筒2、鸟弹3、风扇试验件4、真空仓5、控制器6、气路通断阀7、鸟弹弹托8、第一压力传感器9、第一温度传感器14、第二压力传感器11、第二温度传感器10、第三压力传感器13、第三温度传感器12和激光测速速度仪15。
54.其中高压气瓶1内存储有高压空气。炮筒2用于供鸟弹3在其中加速。鸟弹3用于模拟真实鸟。风扇试验件4包括多个叶片。真空仓5用来模拟航空发动机鸟撞试验环境。第一压力传感器9用于检测高压气瓶1内的空气压力并反馈至控制器6，第一温度传感器14用于检测高压气瓶1内的空气温度并反馈至控制器6，第二压力传感器11用于检测炮筒2内的空气压力并反馈至控制器6，第二温度传感器10用于检测炮筒2内的温度并反馈至控制器6，第三压力传感器13用于检测真空仓5内的压力并反馈至控制器6，第三温度传感器12用于检测真空仓5内的温度并反馈至控制器6，激光测速速度仪5用于对鸟弹的速度进行检测并反馈至控制器6，进一步地，该鸟撞试验装置还包括用于对风扇试验件的转速进行检测的转速传感器以及用于对风扇试验件的转动角度进行检测的角度传感器，控制器6用于接收上述各个压力传感器、温度传感器、激光测速速度仪的信号以及转速传感器和角度传感器的信号，并根据信号发出控制指令。
55.气路通断阀7是快速开合的电磁阀，阀门开启，则鸟弹在高压空气的作用下飞过炮筒而实现对风扇试验件的打击。
56.鸟弹弹托8用于装载鸟弹3并在炮筒2内对鸟弹加速，加速后的鸟弹离开炮筒后近似匀速前进，最终打击在转动中的风扇试验件4上。
57.如图2所示，该风扇试验件4包括18片风扇叶片，预设目标叶片为第n片叶片，那么该叶片对应的初始角度位置为
58.图3示出控制器在发射开启信号时风扇试验件的状态，如图1所示，a位于炮筒起始端，b位于炮筒末端，c位于风扇试验件打击点。由于风扇试验件处在高速旋转状态中，需要考虑从开启信号发出到电池阀门开启的时间t
open
，鸟弹飞过炮筒的时间t
ab
，以及鸟弹脱离炮筒至撞击试验件的时间t
bc
。而试验件在这段时间内转过的角度为
·
ω。因此，为使鸟弹精准打击在预设的第n片风扇叶片，即相位的位置，开启信号发出时对应的试验件角度信息应为θ＝2πn/18-·
ω。
59.图4给出本实施例的鸟撞试验方法的流程图，具体使用方法为：根据试验要求，调整试验温度、压力、鸟弹质量均为规定的准确数值。预设鸟弹的打击点位于风扇的第n片叶片，计算出鸟弹发射时的预设目标叶片的角度信息为θ＝2πn/18-·
ω。启动风扇试验件后
再次确认试验温度、压力、鸟弹质量均为规定的准确数值。确认无误后操作人员操作鸟炮发射。控制器接收到操作人员的鸟炮发射信号后，对风扇试验件的预设目标叶片所处的角度进行判定，当所处相位为θ＝2πn/18-·
ω时，发出鸟炮发射指令，打开气路通断阀7。鸟弹随之射出，准确打击在预设的第n片叶片对应的撞击点。
60.为了保证试验的可重复性，该鸟弹试验装置的气路通断阀的电池开关的时间误差δt
open
≦0.1ms。该试验装置控制鸟炮飞出炮筒口的速度为v＝130m/s(
±
1％)，l
bc
的长度为1m，因此在匀速飞行段产生的时间误差δt
bc
《1/(130
·
(1-1％))-1/(130
·
(1 1％))＝0.15ms。本试验装置炮筒的长度l
ab
为7m，通过精确控制试验温度、气压以及鸟弹质量，能够保证鸟弹在炮筒内停留的时间误差δt
ab
《0.45ms，因此该试验装置的鸟弹撞击时间总误差δt＝δt
open
δt
ab
δt
bc
《0.6ms。
61.同时，该试验装置的转速测量误差δω＝
±
2rpm≦4/60rps，该试验装置发射的鸟炮飞行时间t《0.2s，风扇试验件的转速ω＜4000rpm。
62.基于以上数据，与之对应的撞击点相位误差为δβ＝δt
·
ω t
·
δω＜0.0006s
·
4000/60rps
·
360 0.2s
·
4/60rps
·
360＝19.2
°
＜360/18＝20
°
。即该试验装置打击点的角度误差小于一个风扇叶片所覆盖的角度值，因此该试验装置可以实现18叶片以下，4000转以下的风扇试验件的精确鸟撞试验，进而实现可重复性的鸟撞试验。本发明实施例的试验装置保证了鸟撞试验的精准打击，因此实际试验中可以大幅减少试验件叶片数量，大幅降低试验成本。
63.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。