CN103149149A - 高温高速防钛火材料特性测试试验机及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高速防钛火材料特性测试试验机及试验方法，包括试验台基座、驱动部分、微进给机构、调压试验舱、润滑部分、模拟叶盘部分、气体加热器及控制部分；模拟叶盘部分包括轮盘，轮盘的边缘部位设有试验叶片；微进给机构包括精密丝杠传动部分，试样工装连接在精密丝杠传动部分，试样工装的夹持端正对轮盘的边缘部位；模拟叶盘部分置于调压试验舱内，气体加热器的出气口与调压试验舱的进气口连接，调压试验舱的进气口正对刮擦试验位置。可以模拟真实工况下的对磨和刮擦，较好地用于钛合金钛火故障的机理、阻燃钛合金阻燃机理及合金元素作用机理、阻燃涂层的作用机理、材料阻燃条件下的高温强度研究和阻燃性能评价方法的研究。

Description

高温高速防钛火材料特性测试试验机及试验方法

技术领域

本发明涉及一种防钛火材料特性测试试验设备，尤其涉及一种高温高速防钛火材料特性测试试验机及试验方法。

背景技术

作为先进战斗机的动力装置，要达到高单位推力、不加力超声速巡航、提供矢量推力的飞机非常规机动能力要求，高推重比（推力重量比10左右）是发动机达到设计要求的一个关键技术指标。而要发动机整机设计达到推重比10一级的技术要求，关键制约因素之一是结构重量；民用发动机也要求有低的重量，重量越低，飞机耗油率就越低，飞机使用成本也就随之下降。

钛合金由于具有高的比强度、抗蚀性和耐热性等优异性能而在航空发动机工业中获得了广泛应用。目前，世界上大约3/4钛合金用于航空航天和军工产品。我国先进战机的动力装置，也不可避免地采用了大量的钛合金，其中压气机部件的大部分零件就采用了钛合金材料。但是，钛及普通钛合金存在致命的持续燃烧敏感问题，有容易着火燃烧的特性，会导致钛火故障。着火的原因是：在没有封严涂层或是机匣上的封严涂层磨穿情况下，叶片与机匣摩擦而着火。

现今先进的发动机要求更高的推力，更轻的重量，发动机核心机高压压气机的温度、压力、气流速度也就更高，转、静子间隙更小，发生钛火的可能性也就越大。

目前，在防钛火设计技术研究方面，为了降低钛合金燃烧的几率，降低钛合金燃烧的损毁，国内外根据已取得的研究成果，研究了多种防钛火设计技术：

如：在发动机设计方面，转、静子部件由钛-钛结构改为钛-钢结构；在钛合金表面涂覆阻燃涂层；增加转子叶尖与机匣的间隙，等等。

针对航空发动机防钛火的研究衍生出多种试验方法及相关设备：如早期的美国小型风洞钛火试验研究平台，俄国的钛火燃烧特性测试装置等。但是它们的共同不足是与实际工况的高温高速、大气流压力、高气流量刮擦等方面还有很大距离。

有研究表明，当刮擦线速度逐渐提高时，阻燃材料的阻燃机理会逐渐地转变，特别在刮擦线速度超过100m/s时，而现有试验设备不能良好地模拟实际装置零件运行环境下的刮擦特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种能有效覆盖真实工况下钛火故障测试的高温高速防钛火材料特性测试试验机及试验方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的高温高速防钛火材料特性测试试验机，包括试验台基座、驱动部分、微进给机构、调压试验舱、润滑部分、模拟叶盘部分、气体加热器及控制部分；

所述试验台基座包含驱动部分基座和微进给机构基座；

所述模拟叶盘部分包括轮盘，所述轮盘的边缘部位设有试验叶片，所述轮盘的边缘部位与所述模拟叶片相对的一侧设有叶片配重；

所述微进给机构包括精密丝杠传动部分，试样工装连接在所述精密丝杠传动部分，所述试样工装的夹持端正对所述轮盘的边缘部位；

所述模拟叶盘部分置于所述调压试验舱内，所述气体加热器的出气口与所述调压试验舱的进气口连接，所述调压试验舱的进气口正对刮擦试验位置。

本发明的上述的高温高速防钛火材料特性测试试验机进行刮擦试验的方法，包括步骤：

将对磨刮擦试样安装到试样工装上，调整试样至适合的位置，并确定进给动作的原点；

操作控制部分电源，使得设备上电并保持，微进给机构水冷却器工作并保持；

操作润滑部分控制，使得润滑部分正常运转并保持；

操作叶盘转速控制，使得轮盘及模拟叶片升速至目标转速并保持；

操作气体加热器控制，使得调压试验舱的压力、气体流量达到设定的目标值；

操作微进给控制，使得对磨刮擦试样以设定的进给速率进行径向进给运动；

通过调压试验舱的监控窗观察试验过程，试验完成后，关闭各设备，拆卸模拟叶片及对磨刮擦试样，对其模拟叶片和对磨刮擦试样进行测量，并记录数据。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例中提供的高温高速防钛火材料特性测试试验机及试验方法，可以模拟真实工况下的对磨和刮擦，较好地用于钛合金钛火故障的机理，阻燃钛合金阻燃机理及合金元素作用机理，阻燃涂层的作用机理，材料阻燃条件下的高温强度研究和阻燃性能评价方法的研究。刮擦线速度在0～350m/s范围内，调压仓内压力调节范围0～5MPa，调压仓空气流量调节0～10kg/s，刮擦温度环境在0～800℃范围内，刮擦碰摩入侵速率在1.5μm～2250μm范围；能有效覆盖真实工况下钛火故障测试。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高温高速防钛火材料性能测试试验机的结构示意图；

图2为图1的放大示意图；

图3为本发明实施例中气体加热器的结构示意图；

图4为本发明实施例中控制部分的结构示意图；

图5为本发明实施例一中驱动部分的结构示意图；

图6为本发明实施例二中驱动部分的结构示意图；

图7为本发明实施例中模拟叶片-对磨刮擦试样刮削示意图。

图中：1、气体流量传感器，2、叶片配重，3、高温轴承，4、轮盘，5、过压保护阀，6、润滑液箱体，7、润滑液回流口，8、循环泵，9、压力传感器，10、测力传感器，11、试样工装，12、模拟叶片，13、对磨刮擦试样，14、热电偶，15、调压试验舱防爆口，16、控制面板，17、叶盘转速控制单元，18、润滑部分控制单元，19、试验数据打印，20、微进给控制单元，21、调压舱控制单元，22、控制电源，23、控制柜体，24、加热器罐体，25、加热器部件，26、电加热部件，27、气体加热器控制单元，28、精密丝杠传动，29、伺服电机，30、调压试验舱舱体，31、监控窗，32、水冷却器，33、大带轮，34、皮带，35、小带轮，36、驱动电机，37、阻尼器，38、柔性主轴，39滚动轴承，40、高速轴承，41、中间轴，42、电机主轴。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的高温高速防钛火材料特性测试试验机，其较佳的具体实施方式是：

包括试验台基座、驱动部分、微进给机构、调压试验舱、润滑部分、模拟叶盘部分、气体加热器及控制部分；

所述试验台基座包含驱动部分基座和微进给机构基座；

所述模拟叶盘部分包括轮盘，所述轮盘的边缘部位设有试验叶片，所述轮盘的边缘部位与所述模拟叶片相对的一侧设有叶片配重；

所述微进给机构包括精密丝杠传动部分，试样工装连接在所述精密丝杠传动部分，所述试样工装的夹持端正对所述轮盘的边缘部位；

所述模拟叶盘部分置于所述调压试验舱内，所述气体加热器的出气口与所述调压试验舱的进气口连接，所述调压试验舱的进气口正对刮擦试验位置。

所述轮盘的边缘部位与所述模拟叶片相对的一侧设有叶片配重。

所述模拟叶片和叶片配重通过销钉安装到所述轮盘的边缘。

所述驱动部分包括电机，电机的主轴依次通过带传动装置和柔性主轴与所述轮盘的转动轴连接。所述带传动装置包括装于电机主轴上的主动大带轮和装于所述柔性主轴一端的从动小带轮，所述柔性主轴的另一端与所述轮盘的转动轴连接，所述主动大带轮与从动小带轮之间通过皮带连接，所述柔性主轴装有挤压橡胶O型圈阻尼器。

所述电机的主轴也可以通过中间轴直接与所述轮盘的转动轴连接。

所述精密丝杠传动部分连接有伺服电机，所述试样工装设有热电偶和水冷却器，所述试样工装与所述精密丝杠传动部分之间设有测力传感器。

所述气体加热器包括加热器基座、加热器罐体、电加热装置及过压保护阀；

所述调压试验舱设有防爆口、监控窗、压力传感器。

本发明的上述的高温高速防钛火材料特性测试试验机进行刮擦试验的方法，其较佳的具体实施方式包括步骤：

将对磨刮擦试样安装到试样工装上，调整试样至适合的位置，并确定进给动作的原点；

操作控制部分电源，使得设备上电并保持，微进给机构水冷却器工作并保持；

操作润滑部分控制，使得润滑部分正常运转并保持；

操作叶盘转速控制，使得轮盘及模拟叶片升速至目标转速并保持；

操作气体加热器控制，使得调压试验舱的压力、气体流量达到设定的目标值；

操作微进给控制，使得对磨刮擦试样以设定的进给速率进行径向进给运动；

通过调压试验舱的监控窗观察试验过程，试验完成后，关闭各设备，拆卸模拟叶片及对磨刮擦试样，对其模拟叶片和对磨刮擦试样进行测量，并记录数据。

试验过程中包括以下试验参数制定：

由需要进行试验模拟的叶尖线速度，再根据轮盘-模拟叶片的直径，换算成轮盘主轴转速，即试验的目标转速；

由需要进行试验模拟的单次叶片试样-对磨刮擦试样刮削深度，再根据轮盘-主轴的转速及轮盘安装模拟叶片的数量得每秒钟刮削次数，单次刮削深度乘以每秒钟刮削次数换算成试样进给的速率；

根据试验叶片的使用温度，制定气体加热器的加热温度；

根据试验叶片的工作压力，制定调压试验舱的保持压力；

根据试验叶片的工作环境的气体流速，制定气体加热器的气体流量。

本发明可以用于测试涡轮机叶片与试样高温高速刮擦工况下的阻燃性能，尤其在航空涡轮发动机防钛火故障研究领域，较好地用于钛合金钛火故障的机理，阻燃钛合金阻燃机理及合金元素作用机理，阻燃涂层的作用机理，材料阻燃条件下的高温强度研究和阻燃性能评价方法的研究。

具体实施例，如图1至图7所示。

本发明包括两个要素：试验机和试验方法。

本发明的一个要素提供了一种高温高速防钛火材料特性测试试验机，该试验机采用模拟叶片及防钛火材料平面对磨刮擦试样作为试验对象，模拟叶片安装在轮盘上，轮盘-模拟叶片转子系统由驱动部分驱动至所需要的转速，从而使得叶片叶尖达到所需线速度；对磨刮擦试样安装在试样工装上面，由微进给机构驱动试样部件径向进给运动，采用精密滚珠丝杠平台，可以使得试样进行微米级稳定的进给运动。有气体加热器提供高温高速气体加热试样，同时，使调压试验舱达到0～5MPa内的指定目标压力，产生0～10kg/s内的指定目标气体流速。使得试验机达到模拟发动机工况条件的要求。

本发明的另一个要素提供了一整套防钛火材料特性测试的试验方法，以旋转叶片在一定的线速度运动状态下与对磨刮擦试样的径向相对位移作为刮削载荷，以“叶尖线速度”、“模拟叶片温度”、冲击气流速度、调压试验舱的压力，“叶片-材料试样单次刮削量”作为相对独立的重要影响因素，考核模拟叶片与对磨刮擦试样刮擦阻燃特性，同时可以为阻燃机理研究提供有力的基础数据。试验设备及试验方法保证了可靠的模拟全工况的刮擦试验，可以获得与实际动静结构配副材料刮擦特性相一致的结果。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、发明设置模拟叶片-材料试样刮擦形式，使得试样及模拟叶片具有等同于实际涡轮发动机中封严配副的刮擦特性。

2、本发明的模拟叶片叶尖线速度能够在高达350m/s的状态下进行试验，该线速度能够模拟大多数涡轮发动机中的高速线速度要求。

3、本发明装置能够进行“单叶片+配重”或者多叶片形式的刮擦试验。

4、本发明装置能够使得试样在进给速率1.5-2250μm/s的范围内无级调节，由于采用伺服电机和精密丝杠传动，在保证进给速率满足模拟涡轮发动机各种工况下的刮擦特性的同时，也保证了进给速率的稳定性和试验的可靠性。

5、本发明装置能够使得试样在800℃的状态下进行高达300m/s的磨耗试验，满足了大多数涡轮发动机中防钛火材料的试验要求。

6、本发明装置能够使得对磨刮擦试样在0～5MPa的压力环境下，进行刮擦试验，满足了大多数涡轮发动机中防钛火材料的试验要求。

7、本发明装置能够使得对磨刮擦试样在0～10kg/s的气体流速环境下，进行刮擦试验，满足了大多数涡轮发动机中防钛火材料的试验要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高温高速防钛火材料特性测试试验机，其特征在于，包括试验台基座、驱动部分、微进给机构、调压试验舱、润滑部分、模拟叶盘部分、气体加热器及控制部分；

所述试验台基座包含驱动部分基座和微进给机构基座；

所述模拟叶盘部分包括轮盘，所述轮盘的边缘部位设有试验叶片，所述轮盘的边缘部位与所述模拟叶片相对的一侧设有叶片配重；

所述微进给机构包括精密丝杠传动部分，试样工装连接在所述精密丝杠传动部分，所述试样工装的夹持端正对所述轮盘的边缘部位；

所述模拟叶盘部分置于所述调压试验舱内，所述气体加热器的出气口与所述调压试验舱的进气口连接，所述调压试验舱的进气口正对刮擦试验位置。

2.根据权利要求1所述的高温高速防钛火材料特性测试试验机，其特征在于，所述轮盘的边缘部位与所述模拟叶片相对的一侧设有叶片配重。

3.根据权利要求2所述的高温高速防钛火材料特性测试试验机，其特征在于，所述模拟叶片和叶片配重通过销钉安装到所述轮盘的边缘。

4.根据权利要求1所述的试验机，其特征在于，所述驱动部分包括电机，电机的主轴依次通过带传动装置和柔性主轴与所述轮盘的转动轴连接。

5.根据权利要求4所述的高温高速防钛火材料特性测试试验机，其特征在于，所述带传动装置包括装于电机主轴上的主动大带轮和装于所述柔性主轴一端的从动小带轮，所述柔性主轴的另一端与所述轮盘的转动轴连接，所述主动大带轮与从动小带轮之间通过皮带连接，所述柔性主轴装有挤压橡胶O型圈阻尼器。

6.根据权利要求1所述的高温高速防钛火材料特性测试试验机，其特征在于，所述驱动部分包括电机，所述电机的主轴通过中间轴与所述轮盘的转动轴连接。

7.根据权利要求1所述的高温高速防钛火材料特性测试试验机，其特征在于，所述精密丝杠传动部分连接有伺服电机，所述试样工装设有热电偶和水冷却器，所述试样工装与所述精密丝杠传动部分之间设有测力传感器。

8.根据权利要求1所述的高温高速防钛火材料特性测试试验机，其特征在于，所述气体加热器包括加热器基座、加热器罐体、电加热装置及过压保护阀；

所述调压试验舱设有防爆口、监控窗、压力传感器。

9.一种权利要求1至8任一项所述的高温高速防钛火材料特性测试试验机进行刮擦试验的方法，其特征在于，包括步骤：

将对磨刮擦试样安装到试样工装上，调整试样至适合的位置，并确定进给动作的原点；

操作控制部分电源，使得设备上电并保持，微进给机构水冷却器工作并保持；

操作润滑部分控制，使得润滑部分正常运转并保持；

操作叶盘转速控制，使得轮盘及模拟叶片升速至目标转速并保持；

操作气体加热器控制，使得调压试验舱的压力、气体流量达到设定的目标值；

操作微进给控制，使得对磨刮擦试样以设定的进给速率进行径向进给运动；

通过调压试验舱的监控窗观察试验过程，试验完成后，关闭各设备，拆卸模拟叶片及对磨刮擦试样，对其模拟叶片和对磨刮擦试样进行测量，并记录数据。

10.根据权利要求9所述的刮擦试验的方法，其特征在于，试验过程中包括以下试验参数制定：

由需要进行试验模拟的叶尖线速度，再根据轮盘-模拟叶片的直径，换算成轮盘主轴转速，即试验的目标转速；

由需要进行试验模拟的单次叶片试样-对磨刮擦试样刮削深度，再根据轮盘-主轴的转速及轮盘安装模拟叶片的数量得每秒钟刮削次数，单次刮削深度乘以每秒钟刮削次数换算成试样进给的速率；

根据试验叶片的使用温度，制定气体加热器的加热温度；

根据试验叶片的工作压力，制定调压试验舱的保持压力；

根据试验叶片的工作环境的气体流速，制定气体加热器的气体流量。

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