CN103091238B - 一种热障涂层涡轮叶片动静态服役环境一体化的试验平台 - Google Patents

Abstract

一种热障涂层涡轮叶片动静态服役环境一体化的试验平台，属于航空发动机热障涂层涡轮叶片服役环境模拟装置技术领域。试验平台包括动旋转电动机(1)、底板(2)、旋转轴(3)，动态试样夹具、圆盘状静态试样夹具等；旋转轴(3)一端固定在底板(2)上的旋转电动机(1)上，另一端穿过底板上带孔的旋转轴支撑端(5)；动、静态试样夹具分别安装在旋转轴(3)和支撑板(16)上。本发明的静态试样夹具设置了多种形状试样的连接口，动态模块能模拟航空发动机涡轮叶片强离心力的作用，而且动态和静态模块可以在一个试验平台上进行转换，从而实现了热障涂层涡轮叶片动静态环境一体化的模拟，为正确理解热障涂层失效机理提供重要的试验平台。

Description

一种热障涂层涡轮叶片动静态服役环境一体化的试验平台

技术领域

本发明涉及一种热障涂层涡轮叶片动静态服役环境一体化的试验平台，尤其涉及的是一种用于模拟航空发动机涡轮叶片热障涂层作为导向叶片静止即静态、工作叶片即高速旋转工作状态的试验平台，属于航空发动机热障涂层服役环境模拟装置技术领域。

背景技术

航空发动机是飞机的动力装置，被誉为飞机的“心脏”。近年来，随着航空事业的发展，对发动机性能要求不断提高，航空发动机不断向高涵道比、高推重比、高涡轮进口温度方向发展，发动机高温部件的工作温度越来越高，发展到第四代战斗机，航空发动机的燃气进口温度已经达到了1700 °C左右，而目前最先进的镍基高温合金的极限服役温度小于1150 °C。仅仅依靠冷却技术和高温合金技术已经无法满足燃气涡轮发动机迅速发展的技术要求，由此人们提出了热障涂层的概念，即将耐高温、高隔热的陶瓷材料涂覆在基体合金表面，以降低合金表面工作温度从而提高发动机的热效率。经历了几十年的高速发展，先进的热障涂层材料可以有效提高涡轮叶片使用温度200~300 °C左右。热障涂层的应用在提高发动机工作温度的同时，不仅能提高部件的抗腐蚀能力，而且可以减少燃油消耗，延长热端部件的使用寿命。因此，热障涂层技术是航空发动机热端部件热防护领域的重要发展方向。

然而，在实际服役中，航空发动机内涡轮导向叶片、燃烧室内壁、喷嘴等静态高温部件长期处于高温、高燃气冲蚀、腐蚀、高次热疲劳的恶劣服役环境，此外涡轮动叶片则需要承受很大的离心力。这些复杂的服役环境使得热障涂层发生开裂、脱落、界面分离等失效，并最终导致涂层的脱落，从而对航空发动机的安全运行造成致命威胁。因此，发展热障涂层服役环境的试验模拟技术，研究其失效的规律和机理，是热障涂层优化设计与安全应用的重要手段。热障涂层材料主要应用在静止的导向叶片以及高速旋转的涡轮叶片上，离心力的作用对热障涂层的失效性能有重要的影响。因此，要正确的理解热障涂层的破坏机理，必须对热障涂层导向叶片的静止状态、工作叶片高速旋转的状态同时进行模拟。

目前国内外航天工作者主要通过高温风洞实验、单管燃烧器、热冲击试验、红外加热结合材料力学性能试验机试验、发动机试车台整机实验等。如成来飞等人公开了一种航空发动机材料热端环境实验模拟方法与装置(专利公开号：CN1546974A)，装置将常压亚音速风洞和材料性能试验机相结合实现平板热障涂层试样的热震实验。宫声凯等人公开了一种热障涂层服役环境模拟装置及模拟环境控制方法(专利公开号：CN1699994)，利用红外加热和材料性能试验机相结合对空心圆柱形热障涂层试样进行热-力耦合实验。尽管这些方法能够模拟航空发动机高温以及机械载荷的服役环境，但这些设备大多都只针对某一特定形状(如平板状、圆盘状和圆筒状等)的试样进行实验模拟，不能在同一装置上对这几种试样都进行模拟实验以分析几何形状对热障涂层失效的影响。同时，目前还没有一台装置能够模拟实际动态叶片高速旋转而产生强离心力的服役环境。因此，设计既能实现热障涂层应用的静态部件各种复杂形状的模拟、又能实现动态叶片高速旋转服役环境的模拟是热障涂层服役环境试验模拟技术发展的必然需求。

发明内容

为解决现有热障涂层试验模拟装置中试样形状单一、试样角度固定、缺少离心力作用等棘手难题，本发明提供了一种热障涂层涡轮叶片动静态服役环境一体化的试验平台，为正确理解热障涂层的失效机理提供帮助。

本发明采用的技术方案为：测试平台包括动态模块和静态模块。其中动态模块包括旋转电动机、底板、旋转轴、动态试样夹具、带孔的旋转轴支撑端、石英密封室、导轨、传动电机、动态模块冷却气体入口、支座。涡轮叶片强离心力的动态服役环境模拟通过高速旋转电动机带动固定在空心旋转轴的试样高速旋转来实现。静态模块包括静态试样夹具固定孔、圆盘状静态试样夹具、石英密封室、支撑板。圆盘状静态试样夹具由中心轴、旋转圆盘和刻有角度的刻度盘组成，旋转圆盘上有四个不同形状的试样接口，可安装条状，盘状，圆柱和真实涡轮叶片形状四种不同形状的试样，中心轴前端为空心结构，冷却气体可经空心轴再由管道可进入试样接口对试样进行冷却，旋转圆盘上有角度指示线并可绕中心轴旋转，由指示线所指刻度盘的角度即可知试样与水平线或竖直线之间的夹角，实现试样与水平方向角度的调节。动、静态模块之间可进行更换，完成热障涂层分别应用在燃烧室、导向叶片等静态服役以及涡轮叶片等动态服役的模拟。耐高温、耐腐蚀、可以自由拆卸的石英室，将喷枪喷嘴前端、试样夹具及试样封闭，可以防止实验中颗粒的溅射、腐蚀气体对试验装置以及操作人员的伤害。

所述高速旋转电动机可由变频器直接控制，也可以通过上位机软件操作控制变频器调节旋转参数。最高旋转速度可达15000 r/min。

所述石英密封室可固定在支座上也可以安装在支撑板上，左右两边各留有一孔，用以连接试样加载装置如高温燃气喷枪。此时，由高温燃气喷枪所加载的高温燃气等载荷可以进入石英密封室冲击到试样上。密封室上端有废气出口和各种检测设备连接孔。

所述旋转轴一端连接在固定在底板的电动机上，另一端穿过支座与带孔的旋转轴支撑端连接，以保证旋转轴高速旋转时不发生偏移。旋转轴为空心结构，冷却气体可通入其中进入动态试样架，再进入试样冷却通道。底板安装在导轨上，可由电机控制前后移动。

所述静态圆盘状试样夹具由中心轴、可围绕中心轴转动的旋转圆盘和固定在中心轴上并标有角刻度的刻度盘组成，夹具可通过静态圆盘状试样夹具固定孔自由的装卸在试验台上，夹具上设置有四个不同形状试样的试样接口，可安装条状，盘状，圆柱状和真实涡轮叶片形状的试样。旋转圆盘可绕中心轴转动，由旋转圆盘指示线所指刻度盘的角度值即可知试样与水平或竖直方向的夹角。

本发明能够模拟高性能航空发动机涡轮叶片强离心力的作用，同时可以模拟燃烧室、导向叶片静止的静态服役环境，通过与试样加载装置的结合，实现涡轮叶片热障涂层在极端服役条件下的动、静态环境一体化模拟。

本发明解决了现有热障涂层试验模拟装置中试样形状单一、试样角度固定、缺少离心力作用等棘手难题，提供了热障涂层涡轮叶片动静态服役环境一体化的试验平台，为正确理解热障涂层的失效机理提供重要的试验平台。

附图说明

图1是本发明整体示意图；

图2是本发明动态模块的结构示意图；

图3是本发明圆盘状静态试样夹具结构示意图；

图4是本发明石英密封室结构示意图。

图中标号：1—高速旋转电动机；2—底板；3—旋转轴；4—动态试样夹具；5—带孔的旋转轴支撑端；6—石英密封室；7—导轨；8—传动电机；9—静态夹具固定孔；10—旋转圆盘；11—静态试样；12—喷枪导轨；13—喷枪；14—动态模块冷却气体入口；15—支座、16—支撑板、17—中心轴、18—旋转圆盘、21—指示线；22—静态试样接口；23—刻度盘；31—石英室废气出口；32—检测设备连接端；33—与试样加载装置如喷枪的连接孔；34—旋转轴孔。

具体实施方式

下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。

发明通过电动机带动试样高速旋转模拟涡轮叶片的强离心力。根据不同实验模拟要求调整电机的转速；并在试样内部通冷却气体，模拟动叶片热梯度环境，试样外部通过试样加载装置——喷枪添加冲蚀颗粒和腐蚀气体模拟航空发动机内叶片的冲击和化学腐蚀氛围；同时动、静态模块之间可进行更换。如要进行静态模拟，移开动态模块并安装好静态模块，此时圆盘状静态试样夹具可以调节试样的角度，以分析不同冲蚀角度对热障涂层破坏行为的影响。耐高温、耐腐蚀、可以自由拆卸的石英密封室，将喷枪喷嘴前端、试样夹具及试样封闭，防止颗粒四处飞散及腐蚀气体对试验装置以及操作人员的伤害。此时，可以实现各种服役环境作用下热障涂层分别应用在燃烧室、导向叶片等静态服役以及涡轮叶片等动态服役状态的模拟。

如图1所示，图1是本发明的整体示意图。本试验装置结构包括动态和静态两个模块，其中动态模块包括旋转电动机(1)、底板(2)、旋转轴(3)、动态试样夹具(4)、带孔的旋转轴支撑端(5)、石英密封室(6)、导轨(7)、传动电机(8)、动态模块冷却气体入口(14)、支座(15)。静态模块包括静态试样夹具固定孔(9)、圆盘状静态试样夹具(10)；石英密封室(6)、支撑板(16)。通过更换动态和静态模块可实现热障涂层动静态服役环境模拟的一体化。

高速旋转电动机可由变频器直接控制，也可以通过上位机软件操作控制变频器调节旋转参数。可控制电动机的启动时间、急停时间、旋转时间、旋转速度并可进行启动--稳定--停止--启动的循环工作，其中最高旋转速度可达15000 r/min。

如图2所示，图2是本发明动态模块的结构示意图。旋转轴一端连接在固定在底板上的电动机上，另一端穿过支座与带孔的旋转轴支撑端连接，以保证旋转轴高速旋转时不发生偏移。旋转轴为空心结构，冷却气体可通入其中进入动态夹具，再进入试样冷却通道。底板安装在导轨上，可由传动电机控制其前后移动。

图3是本发明圆盘状静态试样夹具结构示意图。如图3所示，圆盘状静态试样夹具可自由装卸在试验台上，其中旋转圆盘上安有四个不同形状的试样接口，可安装条状，盘状，圆柱和真实涡轮叶片形状的试样。带角度指示线的旋转圆盘可绕中心轴旋转，且中心轴上固定有一标有角度的刻度盘，由此调节试样的角度。

图4是本发明石英密封室结构示意图。如图4所示，石英密封室可以自由拆卸，可以分别安装在动态模块的支座上或者静态模块的支撑板上，左右两边各留有一孔(33)，用以连接试样加载装置如高温燃气喷枪。密封室上端有废气出口(31)和各种检测设备连接孔(32)。

动、静态模拟的控制方法步骤为：

动态模拟：取下静态模块，将动态模块移动到固定位置，安装好试样并紧固，将石英室安装在支座上，对各模拟参数进行设定，以及动态信号采集进行参数设定。连接好各装置，在旋转轴中通入冷却气体，根据实验温度将喷枪移动到一定位置，在喷枪与石英密封室之间由管道连接密封。启动所需模拟条件的装置，启动高速旋转电动机，电动机的启动时间，旋转时间和急停时间由软件进行控制，并可由软件控制进行循环工作。记录实验数据，完成实验。

静态模拟：启动传动电机将动态模块向后移动至一定位置，将试样安装到与之对应的圆盘支架界面上，将整个静态支架安装到实验平台的静态支架孔并紧固。安装好支撑板，将石英密封室从动态模块卸下后罩住静态支架并把密封室固定在支撑板上，调整旋转圆盘至实验所需角度并固定，连接好各装置，对各模拟参数进行设定，以及动态信号采集进行参数设定。根据实验温度将喷枪移动到一定位置，在喷枪与石英室之间由管道连接密封，启动各装置开始实验。实验完成后可拆下密封室和静态支架。

本发明能够模拟高性能航空发动机内强离心力的作用，静态试样夹具设置了多种形状试样的连接口，且试样角度可调。通过更换动态和静态模拟模块，可实现热障涂层涡轮叶片动、静态服役环境的一体化模拟。解决了现有热障涂层试验模拟装置中试样形状单一、角度固定、缺少离心力作用等棘手难题，为正确理解热障涂层的失效机理，提供重要的试验平台。

Claims (5)

1.一种热障涂层涡轮叶片动静态服役环境一体化的试验平台，其特征在于，该试验平台包括动态模块和静态模块两部分：

动态模块：包括旋转电动机(1)、底板(2)、旋转轴(3)、动态试样夹具(4)、带孔的旋转轴支撑端(5)、石英密封室(6)、导轨(7)、传动电机(8)、动态模块冷却气体入口(14)、支座(15)；

静态模块：包括静态试样夹具固定孔(9)、圆盘状静态试样夹具(10)、石英密封室(6)、支撑板(16)；

动态模块的结构：整个模块通过底板(2)安装在导轨(7)上，在传动电机(8)的推动下可沿着导轨前后移动；底板上固定有高速旋转电动机(1)，支座(15)，带孔的旋转轴支撑端(5)，旋转轴穿过支座(15)中所预留的孔分别连接在高速电机和支撑端(5)上，在支座(15)内旋转轴的中间安装有动态试样夹具(4)，石英密封室(6)可固定在支座上也可自由拆卸，石英密封室上端开有废气出口(31)和检测设备连接孔(32)；试验台可以通过传动电机(8)和导轨(7)以及支撑座(15)的移动来调节动态试样夹具的位置，保证与高温燃气喷枪(13)呈现所需要的角度、高度和距离；

利用传动电机(8)将动态模块向后移动之后，可以安装或拆卸静态模块；所述静态模块的结构为：在试验台上安装上可拆卸并可以沿各个方向移动的支撑板(16)，然后将可自由拆卸的圆盘状静态试样夹具(10)安装在静态试样夹具固定孔(9)，石英密封室(6)固定在支撑板(16)上也可自由拆卸；此时，通过调节支撑板的位置可以调节静态试样圆盘夹具(10)的位置。

2.根据权利要求1所述的一种热障涂层涡轮叶片动静态服役环境一体化的试验平台，其特征在于，所述旋转轴(3)为一空心轴，一端连接在固定在底板(2)上的旋转电动机(1)上，另一端穿过支座(15)连接在底板(2)上的带孔旋转轴支撑端(5)上，以保证旋转轴高速旋转时不发生偏移，旋转轴前端为空心结构，冷却气体通过冷却气体入口(15)和带孔的旋转轴支撑端(5)充入到旋转轴(3)中再进入动态试样夹具(4)，从而到达试样冷却通道。

3.根据权利要求1所述的一种热障涂层涡轮叶片动静态服役环境一体化的试验平台，其特征在于，所述石英密封室(6)既可安装在支座(2)上也可安装在支撑板(16)上，且支座(2)和支撑板(16)的高度均可调，使得石英密封室(6)所处的高度与高温燃气喷枪(13)的高度一致；动态模拟时石英密封室(6)对动态试样夹具(4)以及所覆盖的一段旋转轴(3)进行密封，静态模拟时石英密封室将整个静态夹具密封，以防止试样试验时腐蚀气体的挥发、冲蚀颗粒的飞溅。

4.根据权利要求1所述的一种热障涂层涡轮叶片动静态服役环境一体化的试验平台，其特征在于，所述圆盘状静态试样夹具(10)可自由装卸在试验台上的静态试样夹具固定孔(9)上，且高度可调，圆盘状静态试样夹具主要由刻有角刻度的刻度盘(23)、中心轴(17)和旋转圆盘(18)组成，旋转圆盘(18)上设置有四个不同形状的试样接口(22)，可安装条状，盘状，圆柱和真实涡轮叶片形状的试样；而且，旋转圆盘(18)上可绕中心轴(17)旋转，由旋转圆盘(18)上的指示线所指刻度盘角度即可知试样与冲蚀粒子之间的角度，中心轴前端为空心结构，冷却气体可经空心轴再由管道可进入试样接口对试样进行冷却。

5.根据权利要求1所述的一种热障涂层涡轮叶片动静态服役环境一体化的试验平台，其特征在于，所述旋转电动机最高旋转速度为15000r/min。