CN108663198B - 涡轮叶片的测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种涡轮叶片的测试系统，包括：测试单元，用于承载涡轮叶片并形成测试环境；空气压缩单元，用于产生压缩空气；燃气发生器，用于利用压缩空气形成高温高压燃气并输入测试单元；环境模拟单元，用于向燃气发生器输入腐蚀气体原材料以在测试单元中形成腐蚀环境；加载单元，用于向所述涡轮叶片施加机械载荷；控制单元，用于控制空气压缩单元、燃气发生器及环境模拟单元的输出；以及测量单元，用于对测试单元及涡轮叶片进行测量。本发明提供的涡轮叶片的测试系统能够模拟真实环境的情况下对涡轮叶片进行测试。
Description
技术领域
本发明涉及涡轮叶片的测试系统，尤其涉及一种用于测试燃气轮机涡轮叶片在燃气环境中承受热冲击与机械载荷的耦合作用下的性能的测试系统。
背景技术
先进燃气轮机，包括航空涡轮发动机和地面燃气轮机等叶片所用材料在高温环境中的耐久性是燃气轮机热端零部件设计的关键技术瓶颈之一。涡轮叶片作为燃气轮机的主要部件之一，承担着将高温、高压燃气的部分热能转换为旋转的机械功以带动压气机与其它附件工作的任务。实际工作中，涡轮前端承受着高温高压，再加上在某些特殊大气条件下随空气进入流道的蒸汽、盐分等影响，其工作环境十分恶劣。因此，先进燃气轮机的高温部件用材料极端条件下的力学行为和零件服役性能是设计的基础和关键。
当前的热冲击或烧蚀试验，主要是针对涡轮导叶的典型工作载荷，进行相应高温合金材料试验及典型特征零件考核验证，由于工作特点及特性差异，尚不能对以温度载荷和机械载荷为主的涡轮转子叶片进行类似的考核。然而实际上，涡轮转子叶片的高温耐久性对整机可靠性的影响以及评估的困难程度远远超过涡轮导叶，尤其是在高温高压的燃气腐蚀环境中，热载荷和机械载荷等多损伤机理耦合作用下的疲劳寿命评估方法，亟需解决。
发明内容
综上所述，确有必要提供一种用于热冲击与疲劳耦合作用下涡轮转子叶片的测试系统。
一种涡轮叶片的测试系统，包括：测试单元，用于承载涡轮叶片并形成测试环境；空气压缩单元，用于产生压缩空气；燃气发生器，用于利用压缩空气形成高温高压燃气并输入测试单元；环境模拟单元，用于向燃气发生器输入腐蚀气体原材料以在测试单元中形成腐蚀环境；加载单元，用于向所述涡轮叶片施加机械载荷；控制单元，用于控制空气压缩单元、燃气发生器及环境模拟单元的输出；以及测量单元，用于对测试单元及涡轮叶片进行测量。
在其中一个实施例中，所述空气压缩单元输入的气体为空气及尾气，包括混合器及压缩装置，所述混合器用于对空气及尾气进行混合，所述压缩装置用于对混合后的气体进行压缩。
在其中一个实施例中，所述燃气发生器包括燃烧室、点火装置、燃料供给系统、扰流器及过渡段相互连接。
在其中一个实施例中，所述环境模拟单元向燃烧室输入的腐蚀气体原材料，所述腐蚀气体原材料与所述燃气相互作用形成燃气腐蚀气体。
在其中一个实施例中，所述腐蚀气体原材料包括水蒸气、盐溶液及氢气。
在其中一个实施例中，所述测试单元设置有温度测量孔、压力测量孔及数字图像相关技术应变测量视窗。
在其中一个实施例中，所述加载单元包括单轴拉压装置、双轴拉扭复合加载装置中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述测量单元包括温度测量模块、DIC变形测量模块、空气流量测量模块、压力测量模块及空气流速测量模块。
在其中一个实施例中，所述测量单元进一步包括仪表环设置于燃气发生器中，对盐含量及湿度进行测量。
在其中一个实施例中，进一步包括冷却单元及废气排放单元；所述冷却单元用于系统冷却，并且将冷却后的尾气输入空气压缩单元，所述废气排放单元用于废气排放。
相对于目前技术，本发明提供的涡轮叶片的测试系统，利用压缩系统、燃烧室系统、环境模拟装置及加载单元，能够很好地模拟真实环境，且在高温高压的燃气腐蚀环境中，热载荷和机械载荷等多损伤机理耦合作用下对涡轮叶片进行测试。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的涡轮叶片热冲击与疲劳耦合的测试系统。
主要元件符号说明
涡轮叶片的测试系统 100
空气压缩单元 10
混合器 11
压缩装置 12
测速计 13
燃气发生器 20
燃烧室 21
扰流器 22
燃料供给装置 23
扰流器 24
环境模拟单元 30
测试单元 40
加载单元 50
控制单元 60
测量单元 70
冷却单元 80
废气排放单元 90
废气处理装置 91
排气装置 92
气体流量计 101
逆止阀 102
排气单元 103
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明提供的涡轮叶片的测试系统。
请参阅图1，本发明实施例提供的涡轮叶片的测试系统100，包括空气压缩单元10、燃气发生器20、环境模拟单元30、测试单元40、加载单元50、控制单元60及测量单元70。所述空气压缩单元10用于提供压缩空气至燃气发生器20；所述燃气发生器20用于向测试单元40提供高温燃气；所述环境模拟单元30用于在测试单元40中形成腐蚀环境；所述测试单元40用于形成测试环境并承载待测试试件；所述加载单元50用于向测试单元40中的待测试试件提供机械载荷；所述控制单元60用于控制所述空气压缩单元10输出的压缩气体，以及燃气发生器20输出的高温燃气；所述测量单元70用于对测试单元40中的测试环境及待测试试件进行测量。
具体的，所述空气压缩单元10用于提供稳定的、满足试验压力要求的压缩空气。所述空气压缩单元10可包括混合器11及压缩装置12，所述混合器11用于混合系统尾气与空气，即所述空气压缩单元10可利用用于冷却燃气发生器20的二次气流供给的尾气和空气混合形成压缩气体。所述空气压缩单元10的输入气体的来源一部分为空气，另外一部分为系统产生的尾气，二者通过混合器11混合后进入压缩装置12，压缩后形成高压气体提供给燃气发生器20。空气主要是为了补充燃料燃烧所必需的氧气，排气和空气的比例可以按照燃油燃烧所需的氧气量可以进行调整。进一步，所述空气压缩单元10可包括测速计13，用于实时监测尾气与空气的比例，以实现按需输入。
所述燃气发生器20为待测试试件提供高温燃气环境，所述燃气发生器20包括燃烧室21、点火装置22、燃料供给系统23、扰流器24和过渡段25相互连接，燃烧室21中产生的高温燃气经过扰流器24和过渡段25送至试验段，为试验件提供高温高压的高速冲击气流。所述燃料供给系统23用于提供燃料至燃烧室21，所述燃烧室21内壁可采用耐烧砖砌成，耐受温度可达2000℃以上。所述燃烧室21能够产生燃油当量比从贫油到富油的宽广范围，燃气温度700-1800℃，并可模拟循环工况和稳态工况工作。所述扰流器24用于对燃烧室21产生的高温燃气进行均匀混合。所述燃气发生器20在计算机的控制下可控地混合燃料和压缩气体来产生与航空发动机燃烧室中相似的燃气化学成分和温度环境，并提供给待测试试件所在的测试单元。
所述环境模拟单元30用于向燃烧室21提供水蒸气、盐溶液和氢气等腐蚀气体原材料，以形成腐蚀气体，模拟真实的燃气腐蚀环境。所述水蒸气、盐溶液、氢气及高温燃气相互作用并经过扰流器24充分混合后，形成燃气腐蚀气体进入测量单元40，形成稳定、真实的燃气腐蚀测试环境。可以理解，所述环境模拟单元30输入的腐蚀气体原材料还可以根据腐蚀环境的需要进行选择，并不限于以上所举。
所述测试单元40用于装载待测试试件例如涡轮转子叶片，进一步，所述测试单元40为一可拆解更换单元，可以根据待测试试件的形状、体积进行更换，以实现10mm-200mm尺寸的试件、零件等测试。所述测试单元40进一步设置有温度测量孔、压力测量孔及数字图像相关技术(DIC)应变测量视窗，以利于后续温度、压力及形变的测量。
所述加载单元50用于向待测试试件施加载荷，以模拟试件的真实受力载荷，所述加载单元50可包括单轴拉压装置、双轴拉扭复合加载装置等进行对待测试试件加载单轴、拉扭等机械载荷。所述加载单元50施加的机械载荷范围为轴向±500kN，扭向±500Nm。进一步，所述加载单元50可单独使用，以进行复杂载荷的材料力学试验。
所述控制单元60用于对空气压缩单元10进行空气流量控制，对燃气发生器20及环境模拟单元30进行控制，以获得相对真实的燃气腐蚀环境。所述控制单元60可隔离设置，以在独立的控制室进行操控。
所述测量单元70用于对测试单元40中的测试环境进行测量，包括温度测量模块、DIC变形测量模块、空气流量测量模块、压力测量模块、空气流速测量模块等。进一步，所述测量单元70可通过设置于燃气发生器20中的仪表环71进行盐含量测量及湿度测量，以更加准确、真实的模拟现实环境。
上述涡轮叶片的测试系统，利用压缩系统和燃烧室系统给燃气轮机涡轮叶片及材料测试装置提供高温高压气流，并利用环境模拟装置通过计算控制向燃气中添加水蒸气、盐分和氢气，以提供腐蚀、氢脆等环境，同时可以利用加载单元给试件提供单轴、拉扭等机械载荷，能够很好地模拟真实环境，且在高温高压的燃气腐蚀环境中，热载荷和机械载荷等多损伤机理耦合作用下对涡轮叶片进行测试。
进一步，所述涡轮叶片的测试系统100可包括冷却单元80及废气排放单元90，所述冷却单元80用于对测试单元40及燃气发生器20中的燃烧室21进行冷却，冷却单元80所用的冷却气体可输出至空气压缩单元10再利用，形成压缩空气；经冷却单元80冷却后的废气输出至废气排放单元90。进一步，在冷却单元80与空气压缩单元10之间可设置一逆止阀102，用于防止气体逆流。所述废气排放单元90用于将测试单元40产生的气体进行排放。具体的，所述废气排放单元90可包括废气处理装置91及排气装置92，所述废气处理装置91对测试中产生的各种废气进行无害化处理，通过排气装置92排出。进一步，所述废气处理装置91与排气装置92之间可设置逆止阀102，以防止气体逆流。
进一步，可进一步包括气体流量计101设置于空气压缩单元10与燃气发生器20之间，用于实施监测输入燃气发生器20的压缩气体的流量。
进一步，可进一步包括排气单元103设置于冷却单元80与测试单元40之间，用于将测试单元40中产生的气体排出测试单元40。
本发明提供的涡轮转子叶片的测试系统，利用压缩系统和燃烧室系统给燃气轮机涡轮叶片及材料测试装置提供高温高压气流，并利用环境模拟装置通过计算控制向燃气中添加水蒸气、盐分和氢气，以提供腐蚀、氢脆等环境，通过过渡段向试件高速喷出高温高压气流形成热冲击，同时可以利用加载单元给试件提供单轴、拉扭等机械载荷，以对尤其是陶瓷基复合材料(CMC)、镍基高温合金等先进材料及叶片的多因素耦合损伤机理和服役性能进行测试，特别是腐蚀环境下热冲击与疲劳载荷耦合作用下的寿命测试评估。
本发明提供的涡轮转子叶片的测试系统具有以下有益效果：
1)能够实现热冲击环境和机械载荷环境耦合加载，以及叶片的动载荷测量等，实现更多结构强度试验；
2)通过计算机的控制，可控地混合燃料和空气来产生与航空发动机燃烧室中相似的燃气化学成分和温度环境；并且，试验设备模拟的燃气压力以及速度水平可以根据当前的航空发动机水平进行调整；
3)可以模拟燃气轮机涡轮叶片的工作环境中的温度、压力、热冲击、机械疲劳载荷等真实工况；
4)测试单元可更换，可实现10-200mm尺寸的试件、零件试验；
5)能够避免感应、辐射加热等对材料、形状的局限性，可实现不同材料(CMC/单晶/高温合金/高强钢/其他金属非金属材料)的标准、异形试件的研究与验证；
6)实现废气回收以补充进气，减少压缩气源消耗量，减小试验成本(尤其是蠕变-疲劳试验)和废气排放；
7)能够真实的模拟在有水蒸气、盐雾、氢脆等杂质的燃气环境中，承受热冲击与机械载荷的耦合作用下的服役性能，根本上改变目前涡轮强度设计依赖经验数据和事后修正的现状。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种涡轮叶片的测试系统，其特征在于，包括：
测试单元，用于承载涡轮叶片并形成测试环境；所述测试单元为一可拆解更换单元，用于根据待测试试件的形状、体积进行更换；
空气压缩单元，用于产生压缩空气；所述空气压缩单元输入的气体为空气及尾气，包括混合器及压缩装置，所述混合器用于对空气及尾气进行混合，所述压缩装置用于对混合后的气体进行压缩；
燃气发生器，用于利用压缩空气形成高温高压燃气并输入测试单元；所述燃气发生器包括燃烧室、点火装置、燃料供给系统、扰流器及过渡段相互连接；所述燃烧室的燃气温度为700-1800℃，用于模拟循环工况和稳态工况工作，所述燃气发生器在计算机的控制下可控地混合燃料和压缩气体，并模拟航空发动机燃烧室中的燃气化学成分和温度环境，以提供所述测试单元；
环境模拟单元，用于向燃气发生器输入腐蚀气体原材料以在测试单元中形成腐蚀环境；
加载单元，用于向所述涡轮叶片施加机械载荷；
控制单元，用于控制空气压缩单元、燃气发生器及环境模拟单元的输出；以及
测量单元，用于对测试单元及涡轮叶片进行测量。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片的测试系统，其特征在于，所述环境模拟单元向燃烧室输入的腐蚀气体原材料，所述腐蚀气体原材料与所述燃气相互作用形成燃气腐蚀气体。
3.如权利要求2所述的涡轮叶片的测试系统，其特征在于，所述腐蚀气体原材料包括水蒸气、盐溶液及氢气。
4.如权利要求1所述的涡轮叶片的测试系统，其特征在于，所述测试单元设置有温度测量孔、压力测量孔及数字图像相关技术应变测量视窗。
5.如权利要求1所述的涡轮叶片的测试系统，其特征在于，所述加载单元包括单轴拉压装置、双轴拉扭复合加载装置中的至少一种。
6.如权利要求1所述的涡轮叶片的测试系统，其特征在于，所述测量单元包括温度测量模块、DIC变形测量模块、空气流量测量模块、压力测量模块及空气流速测量模块。
7.如权利要求6所述的涡轮叶片的测试系统，其特征在于，所述测量单元进一步包括仪表环设置于燃气发生器中，对盐含量及湿度进行测量。
8.如权利要求1所述的涡轮叶片的测试系统，其特征在于，进一步包括冷却单元及废气排放单元；所述冷却单元用于系统冷却，并且将冷却后的尾气输入空气压缩单元，所述废气排放单元用于废气排放。
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