CN105890881B - 一种模拟燃气环境下的热疲劳试验装置 - Google Patents

一种模拟燃气环境下的热疲劳试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟燃气环境下的热疲劳试验装置，属于航空发动机技术领域。所述装置包括燃烧器、夹具、夹具支撑台、可移动平台、支撑架、鼓风机、炉体和排气装置。燃烧器、鼓风机和夹具都集成在炉体上，所述支撑架上固定炉体，并通过可移动平台连接夹具支撑台，夹具支撑台上固定夹具，燃烧器和排气装置位于炉体侧面；试验时圆管试验件内始终通过鼓风机提供高压冷却空气，用于在圆管试验件内外产生温度梯度，以模拟热障涂层和高温合金的真实工作环境。本发明真实的模拟发动机热端部件载荷谱，试验时能快速调整试验件在燃气火焰中的位置；装置结构紧凑、节能和便于运输。

Description

一种模拟燃气环境下的热疲劳试验装置
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，是一种能模拟航空发动机热端部件真实工作环境、适用于航空煤油燃烧的热疲劳试验装置。该试验装置能实现室温～1300℃燃气的试验条件，可用于模拟航空发动机冷状态、启动、最大状态、停车等各个工作状态。从而研究发动机热端部件在燃气环境下的热疲劳行为，也可用于研究热障涂层在燃气环境下的氧化或热疲劳行为。
背景技术
现代先进航空发动机热端部件的工作温度(Tt4)已经接近1600℃，高压涡轮导向器使用的高温合金基体被气膜和热障涂层隔绝后的温度为900℃～1050℃。目前研究热障涂层和高温合金的氧化行为都是在大气环境下(空气静止情况下使用电阻丝加热或者电涡流加热)进行的，而燃气中包含S和未充分雾化的燃油液滴，这些大气试验环境下没有的成分对高温合金和热障涂层的氧化有很重要的影响；高速燃气对热障涂层也有冲蚀作用，所以在大气环境下研究高温合金和热障涂层系统的氧化或热疲劳行为所得到的损伤数据已经不能达到工程应用的要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种模拟燃气环境下的热疲劳试验装置，该试验装置可以进行高温合金和带热障涂层的高温合金圆管试验件的氧化或热疲劳试验。本发明提供的模拟燃气环境下的热疲劳试验装置，包括燃烧器、夹具、夹具支撑台、可移动平台、支撑架、鼓风机、炉体和排气装置。夹具是本发明最重要部分，它的作用是支撑圆管试验件和为圆管试验件提供冷却空气通道。炉体是整个试验装置的支撑机构，燃烧器、鼓风机和夹具等都集成在炉体上，所述支撑架上固定设置炉体，支撑架带有脚轮方便运输和移动。燃烧器位于炉体侧面，用于产生高温燃气，其空气流量和油门大小均可调。鼓风机固定在支撑架上，位于炉体下方，通过进气管为圆管试验件提供高压冷却空气。通过控制加温、保温、降温时间和温度值来实现温度循环。试验时燃烧器产生圆柱形火焰，通过时间继电器来控制燃烧器工作的时间。燃烧器工作时实现试验件的加热和保温功能，燃烧器停机即完成降温的功能。通过加热、保温和降温得到简易的梯形温度循环。试验时圆管试验件内始终通有高压冷却空气，用于在圆管试验件内外产生温度梯度，以模拟热障涂层和高温合金的真实工作环境。
本发明的优点在于：
1、本发明试验装置很好的模拟了真实的发动机热端部件载荷谱；
2、本发明试验装置试验件安装在L型的滑轨支架上，试验时能快速调整试验件在燃气火焰中的位置；
3、本发明试验装置试验件内通空气冷却，能实现热障涂层沿厚度方向的温度梯度；
4、本发明试验装置能够实现三根试验件同时开展试验，提高了试验效率；
5、本发明试验装置结构紧凑、节能和便于运输。
附图说明
图1为本发明的热疲劳试验装置整体结构示意图；
图2为本发明中圆管试验件的夹具结构示意图；
图3为本发明中圆管试验件的夹具的爆炸图；
图4为本发明中夹具冷却通道示意图；
图5为本发明中炉体支撑结构调节示意图。
图中：
1.燃烧器； 2.夹具； 3.夹具支撑台； 4.调节手柄； 5.支撑架；
6.鼓风机； 7.炉体； 8.排气装置； 9.钢丝滑轮； 10.夹具滑动导轨；
11.钢丝； 12.可移动平台；
2-1.排气管； 2-2.进气管； 2-3.试验件； 2-4.热电偶安装套筒A；
2-5.可移动支座； 2-6.滑道； 2-7.调节螺栓； 2-8.夹具安装螺栓；
2-9.试验件固定长螺栓； 2-10.下集气腔； 2-11.上集气腔；
2-12.热电偶安装套筒B； 2-13.深孔； 2-14.径向孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种模拟燃气环境下的热疲劳试验装置，如图1所示，所述的试验装置包括燃烧器1、夹具2、夹具支撑台3、可移动平台12、支撑架5、鼓风机6、炉体7和排气装置8。所述的支撑架5底部设置万向轮脚轮，便于运输和移动。在所述的支撑架5上固定设置有炉体7，炉体7的左右两个侧面上固定设置有燃烧器1和排气装置8，燃烧器1产生的高温燃气加热完试验件2-3后经由排气装置8排出。优选的，所述的燃烧器1和排气装置8同轴设置。炉体7底部的支撑架5上可前后滑动连接方式连接夹具支撑台3，所述的夹具支撑台3上左右滑动方式连接可移动平台12，所述夹具2通过连接螺栓2-8固定在可移动平台12上。所述鼓风机6固定在支撑架5上，位于炉体7下方，用于产生试验件2-3内腔冷却所需的高压冷却空气。实验时，将夹具支撑台3推入炉体7内，使得夹具2上的试验件2-3正对燃烧器1的火焰出口，通过可移动平台12相对夹具支撑台3的左右移动调整试验件2-3距离所述火焰出口的距离；试验结束后，夹具支撑台3可以向前滑动，带动夹具2上试验件2-3离开炉体7。
如图1所示，夹具支撑台3为L型结构，底面的上下表面分别固定可移动平台12和支撑架5，所述的夹具支撑台3相对于支撑架5可以前后滑动，所述的可移动平台12相对于夹具支撑台3可以左右滑动。在所述的夹具支撑台3的侧面有三个开口，最上方的开口为观察窗，玻璃密封；中间的开口用于夹具2上的进气管2-2与鼓风机6的连接，以及排气管2-1与大气环境的连通，并且所述的中间的开口为左右方向长条开口，以便与在可移动平台12左右移动的过程中，提供有效的、足够的量程。最下面的开口包括左右两个，分别固定一个钢丝导轨9，钢丝导轨9上布置钢丝11。
所述钢丝11的两端分别固定在可移动平台12的左右两侧，如图5所示，所述钢丝11通过4个钢丝导轮9形成一个水平面的矩形环，其中两个钢丝导轨9固定在夹具支撑台3的侧壁开口上，另外两个固定在夹具支撑台3的底面上，可移动平平台12可滑动连接在夹具支撑台3的两个平行导轨上，当钢丝11在水平方向运动，可移动平台12会受到钢丝11的左右牵引，产生沿着导轨的左右滑动，达到左右移动夹具2的目的，使得夹具2距离燃烧器1的位置可调，本发明中称为粗调，调整距离为300mm。
所述夹具2结构如图2和图3所示，所述的夹具2包括试验件固定长螺栓2-9、热电偶安装套筒A2-4、热电偶安装套筒B2-12、进气管2-2及下集气腔2-10、排气管2-1及上集气腔2-11、可移动支座2-5及其滑道2-6、调节螺栓2-7和夹具安装螺栓2-8，所述的夹具安装螺栓2-8用于将可移动平台12和滑道2-6之间的固定连接。所述的滑道2-6上设置有可移动支座2-5，所述的可移动支座2-5可以沿着滑道2-6左右滑动。所述的调节螺栓2-7的一端螺纹连接在可移动支座2-5上，另一端伸出炉体7侧壁，通过在炉体7外侧转动调节螺栓2-7可以实现可移动支座2-5在滑道2-6上左右方向60mm的调节范围，即实现对试验件2-3和燃烧器1的火焰出口距离的微调节。所述的热电偶安装套筒A2-4和热电偶安装套筒B2-12用于安装高温热电偶以实时测量冷却空气在进/出圆管试验件2-3的温度。下集气腔2-10、上集气腔2-11、热电偶安装套筒2-4与圆管试验件2-3之间无机械连接，五者通过试验件固定长螺栓2-9压紧，防止试验件2-3松动，具体为：上集气腔2-11具有上下三个通孔，下集气腔2-10上表面上有和试验件固定长螺栓2-9连接的螺纹孔，试验时，试验件固定长螺栓2-9的螺纹端依次穿过上集气腔2-11、热电偶安装套筒A2-4、试验件2-3、热电偶安装套筒B2-12和下集气腔2-10，并螺纹连接在所述的下集气腔2-10上。所述夹具2可以同时进行3根试验件2-3的氧化或热疲劳试验，具体试验件2-3的数量与上集气腔2-11上通孔的数量相应一致。所述下集气腔2-10通过进气管2-2连接鼓风机6，所述的上集气腔2-11通过排气管2-1与大气环境连通。
所述的试验件固定长螺栓2-9有两方面的作用，一是串联上集气腔2-11、热电偶安装套筒A2-4、试验件2-3、热电偶安装套筒B2-12和下集气腔2-10，并通过试验件固定长螺栓2-9与下集气腔2-10螺纹连接固定压紧；二是试验件固定长螺栓2-9还设计有一部分冷却气体通道。如图4所示，试验件固定长螺栓2-9的螺纹端外径小于试验件2-3内径，实施例中选取试验件固定长螺栓2-9的螺纹段外径为10mm，试验件2-3外径15mm。所述试验件固定长螺栓2-9的螺纹端沿轴向加工有直径为6mm、深度为20mm的深孔2-13，所述深孔2-13有4个径向孔2-14，所述径向孔2-14的直径为Φ3(直径单位为mm)，所述四个径向孔2-14与所述深孔2-13相通。所述试验件固定长螺栓2-9的中段光杆段直径为Φ8，与试验件2-3的内径(本实施例中选取试验件2-3的内径为Φ11)形成一个环型冷却腔。冷却空气从进气管2-2进入下集气腔2-10，而后沿试验件固定长螺栓的螺纹段的深孔和径向孔进入所述的环型冷却腔，为试验件2-3冷却降温；然后气体经过上集气腔2-11汇集后经排气管2-1排出。所述热电偶安装套筒A2-4和热电偶安装套筒B2-12的结构相同，并且直径与试验件2-3相同。
图5是本发明提供的试验装置的俯视图，夹具2固定在可以左右滑动的可移动平台12上，可移动平台12左右滑动方式连接在夹具支撑台3上，可移动平台12的左右滑动通过钢丝11牵引在夹具支撑台3的导轨上滑动实现，使试验件2-3可停在燃烧器1喷出的火焰柱内的任意位置，以获得所需的稳定氧化温度。所述的夹具支撑台3可前后滑动的连接在支撑架5上，二者之间用重型滑轨连接。
本发明中所述的炉体7为双层结构，采用201不锈钢制造，双层结构之间填充隔热石棉。当夹具支撑台3将夹具2推到炉体7内部的同时，夹具2上的试验件2-3位于燃烧器1的火焰出口，夹具支撑台3刚好密封炉体7前部并锁紧。
具体使用时，首先将L型支撑台3拉出至炉体7外侧，组装好试验件2-3并安装到夹具2上。连接鼓风机6出气口和夹具2上的进气管2-2，确认无误后将夹具支撑台3推入炉体7内，并用炉体7两侧锁扣锁紧。打开燃烧器1，调整钢丝11的水平位移，直至试验件2-3两端热电偶显示温度与实验温度的温度差为大于10度小于20度，停止调整钢丝11；转动调节螺栓2-7，直到测试温度与实验温度的温度差小于10度，停止转动调节螺栓2-7，开始氧化试验。进行热疲劳试验时，可以在所述的燃烧器1上设置时间继电器，来控制燃烧器1的工作时间。

Claims (7)

1.一种模拟燃气环境下的热疲劳试验装置，其特征在于：包括燃烧器、夹具、夹具支撑台、可移动平台、支撑架、鼓风机、炉体和排气装置；
所述的支撑架底部设置万向轮脚轮，在所述的支撑架上固定设置有炉体，炉体的左右两个侧面上固定设置有燃烧器和排气装置，燃烧器产生的高温燃气加热完试验件后经由排气装置排出；炉体底部的支撑架上可前后滑动连接方式连接夹具支撑台，所述的夹具支撑台上左右滑动方式连接可移动平台，所述夹具通过连接螺栓固定在可移动平台上；所述鼓风机固定在支撑架上，位于炉体下方，用于产生试验件内腔冷却所需的高压冷却空气；实验时，将夹具支撑台推入炉体内，使得夹具上的试验件正对燃烧器的火焰出口，通过可移动平台相对夹具支撑台的左右移动调整试验件距离所述火焰出口的距离；试验结束后，夹具支撑台向前滑动，带动夹具上试验件离开炉体；
所述夹具包括试验件固定长螺栓、热电偶安装套筒A、热电偶安装套筒B、进气管及下集气腔、排气管及上集气腔、可移动支座及其滑道、调节螺栓和夹具安装螺栓，所述的夹具安装螺栓用于可移动平台和滑道之间的固定连接；所述的滑道上设置有可移动支座，所述的可移动支座可以沿着滑道左右滑动；所述的调节螺栓的一端螺纹连接在可移动支座上，另一端伸出炉体侧壁，通过在炉体外侧转动调节螺栓实现可移动支座在滑道上左右方向的调节范围，即实现对试验件和燃烧器的火焰出口距离的微调节；所述的热电偶安装套筒A和热电偶安装套筒B用于安装高温热电偶以实时测量冷却空气在进/出圆管试验件的温度；上集气腔具有上下三个通孔，下集气腔上表面上有和试验件固定长螺栓连接的螺纹孔，试验时，试验件固定长螺栓的螺纹端依次穿过上集气腔、热电偶安装套筒A、试验件、热电偶安装套筒B和下集气腔，并螺纹连接在所述的下集气腔上；所述下集气腔通过进气管连接鼓风机，所述的上集气腔通过排气管与大气环境连通。
2.根据权利要求1所述的一种模拟燃气环境下的热疲劳试验装置，其特征在于：夹具支撑台为L型结构，底面的上表面固定可移动平台、下表面固定支撑架，所述的夹具支撑台相对于支撑架可以前后滑动，所述的可移动平台相对于夹具支撑台可以左右滑动；在所述的夹具支撑台的侧面有三个开口，最上方的开口为观察窗，玻璃密封；中间的开口用于夹具上的进气管与鼓风机的连接，以及出气管与大气环境的连通；并且所述的中间的开口为左右方向长条开口，以便于在可移动平台左右移动的过程中，提供足够的量程；最下面的开口包括左右两个，分别固定一个钢丝导轨，钢丝导轨上布置钢丝。
3.根据权利要求2所述的一种模拟燃气环境下的热疲劳试验装置，其特征在于：所述钢丝的两端分别固定在可移动平台的左右两侧，所述钢丝通过4个钢丝导轮形成一个水平面的矩形环，其中两个钢丝导轨固定在夹具支撑台的侧壁开口上，另外两个固定在夹具支撑台的底面上，可移动平台可滑动连接在夹具支撑台的两个平行导轨上，当钢丝在水平方向运动，可移动平台会受到钢丝的左右牵引，产生沿着导轨的左右滑动，达到左右移动夹具的目的，使得夹具距离燃烧器的位置可调。
4.根据权利要求1所述的一种模拟燃气环境下的热疲劳试验装置，其特征在于：所述的试验件固定长螺栓的螺纹端外径小于试验件内径，所述试验件固定长螺栓的螺纹端沿轴向加工有深孔，所述深孔有4个径向孔，所述4个径向孔与所述深孔相通；所述试验件固定长螺栓的中段光杆段与试验件的内径形成一个环型冷却腔；冷却空气从进气管进入下集气腔，而后沿试验件固定长螺栓的螺纹段的深孔和径向孔进入所述的环型冷却腔，为试验件冷却降温；然后气体经过上集气腔汇集后经排气管排出。
5.根据权利要求1所述的一种模拟燃气环境下的热疲劳试验装置，其特征在于：所述的炉体为双层结构，采用201不锈钢制造，双层结构之间填充隔热石棉；当夹具支撑台将夹具推到炉体内部的同时，夹具上的试验件位于燃烧器的火焰出口，夹具支撑台刚好密封炉体前部并锁紧。
6.根据权利要求1所述的一种模拟燃气环境下的热疲劳试验装置，其特征在于：所述的燃烧器和排气装置同轴设置。
7.根据权利要求1所述的一种模拟燃气环境下的热疲劳试验装置，其特征在于：所述热电偶安装套筒A和热电偶安装套筒B的结构相同，并且直径与试验件相同。
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