CN109253940A - 一种用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置，包括试验测试台，以及分别与试验测试台连接的感应线圈加热系统、温度测试采集系统、冷却系统、试验控制平台，其中试样固定在夹具上，冷却气体通过第一冷却气体通道、第二冷却通道对试样表面、端部、内部进行冷却，热电偶设置在试样的表面半径为3.5mm、6.5mm、8.5mm、试样内环四处，热电偶连接温度显示仪、计算机主机，感应线圈内环设有感应线圈冷却水通道，冷却水从感应线圈一侧流入，另一侧流出。本发明优点：能模拟不同工作状态下涡轮叶片所处交变循环温度的热疲劳工作环境，且对涡轮叶片材料的热疲劳失效机理和可靠性提供非常重要的实验数据。

Description

一种用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置

技术领域

本发明涉及高温部件检测设备领域，特别是涉及一种用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置。

背景技术

近年来，由于航空材料研制工作的迫切需要，传统的热疲劳测试方法、测试条件简单，提供信息少，无法满足日益增长的现代科研需要。而由高热负荷引起的材料的热损伤问题日益突出，已经引起个各国研究机构的高度重视，并分别基于激光加热、石英灯、高温辐射，电阻加热器、高温燃烧气等加热方法建立起相应的实验平台，进行热疲劳实验研究。尽管这些方法能够模拟高热负荷的实验环境，但是在人力、物力耗费很大，实验设备要求高，而且缺乏或无法实时获得试样的关键信息；此外，由于采取加热方法的限制，很多试验装置无法实现快速变化的热负荷环境，因此通过设计相关试验装置和模拟试验，如何经济有效地对高温部件热疲劳失效行为进行表征，将是科研工作者直接面对的现实工程问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置，并在实验过程中实现对多个热疲劳参数进行原位测试，为高温部件的热疲劳性能以及可靠性评估提供有效地解决办法。

本发明采用如下技术方案：一种用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置，包括感应线圈加热系统、温度测试采集系统、冷却系统、试验控制平台；

所述感应线圈加热系统采用对称结构的双向环绕加热方式，包括特制的感应线圈、交流电源，感应线圈加热范围为25℃～1200℃，每秒加热温度可达50℃～100℃，感应线圈可以根据加热对象的不同尺寸，制作成不同的形状，交流电源连接感应线圈，感应线圈冷却水通道连接冷却系统的冷却水箱，冷却水主要用于感应线圈的冷却，且从感应线圈一侧流入，另一侧流出，达到冷却效果防止感应线圈损坏；

所述温度测试采集系统包括热电偶、温度显示仪、温度采集软件，所述热电偶与温度显示仪、计算机连接；

所述冷却系统包括空气压缩机、冷却水箱、电磁阀、第一冷却通道、第二冷却通道，冷却气体先经过冷却气体入口，由试样四周表面的喷气口进入后分布到试样表面及端部，另一股冷却气体以一定的流动速率经第一冷却气体通道的气管、第二冷却气体通道的气管进入试样内部，使试样内环保持为某一稳定温度，形成一定的温度梯度，形成了大梯度的内外温差梯度及热应力，诣在模拟飞机起飞、巡航、反推时涡轮不同工作状态下的温度历史；

所述第一冷却通道、第二冷却通道均呈十字架状，第一冷却通、第二冷却通道为上下分布，第一冷却通道左侧、右侧、顶端各设有冷却气体入口，第二冷却通道左侧、右侧、底端各设有冷却气体入口，第一冷却通道下表面的左侧、右侧各设有一个喷气口，第二冷却通道上表面的左侧、右侧各设有一个喷气口，第一冷却通道底端左右两侧面各固定安装有一个定位板，第一冷却通道上的定位板呈并排分布，第二冷却通道顶端左右两侧面各固定安装有一个定位板，第二冷却通道上的定位板呈并排分布，上下分布的定位板之间均设有热电偶固定装置，热电偶固定装置内侧置于试样内，试样连接在第一冷却通道、第二冷却通道之间的间隙内，上端的定位板下表面与热电偶固定装置之间的间隙内均设有感应线圈，感应线圈内环设有感应线圈冷却水通道；

所述试验控制平台包括计算机、冷却系统控制开关、急停开关、冷却系统工作指示灯、温度显示仪，冷却系统控制开关通过电磁阀与冷却系统连接，冷却系统工作指示灯与冷却系统内部连接。

优选地，所述上端的定位板下表面外侧与热电偶固定装置之间的间隙内均设有一个密封橡胶塞，下端的定位板上表面外侧与热电偶固定装置之间的间隙内均设有一个密封橡胶塞。

优选地，所述试样内部设有夹具，夹具上端与第一冷却通道相连，夹具下端与第二冷却通道相连。

优选地，所述第一冷却通道竖直中心线、第二冷却通道竖直中心线均设有通孔，通孔内设有气管，且第一冷却通道底端的气管与夹具上端固定连接，第二冷却通道顶端的气管与夹具下端固定连接。

优选地，所述热电偶采用B型铂铑热电偶，分别在试样的表面半径R为3.5mm、6.5mm、8.5mm、试样内环处各设置一支热电偶。

优选地，所述热电偶固定装置固定安装热电偶，且热电偶固定装置靠近夹具一侧外围包裹绝缘层。

优选地，所述下端的定位板下表面设有支架，支架下表面与地面接触。

本发明具有的优点：用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置的感应线圈加热系统升温和降温速率快，可达到航空发动机内高温材料的工作温度，温度控制精度高，容易实现工艺自动控制，热效率高，从根本上解决了电热片，电热圈等电阻式通过热传导方式加热的效率低下的问题。该加热系统是采用对称结构的双向环绕加热方式，使试样表面受热较均匀，再通过机械传动装置控制感应线圈到试样表面的距离，可以方便地调节加热区域和加热温度，模拟高温热疲劳服役环境。加热系统的特点是：加热速率快温度范围宽，热效率高，无须燃料运输、存储；安全方便，操作简单，行业适应范围广便于实现与其他测试仪器一起协调测试。

本发明所述用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置有两种不同类型的冷却装置，一种是对试样表面及内部的冷却，试样表面的冷却由不均匀速率的压缩空气冷却，而内部由一定速率的压缩空气冷却，通过热电偶测量温度使内部保持在某一稳定温度；另一种是对感应加热线圈的冷却，通入一定流量的冷却水对感应线圈冷却，冷却水流量由电磁阀控制和测量。

综上所述，本发明突出的优点：能模拟航空发动机不同工作状态下涡轮叶片所处交变循环温度的热疲劳工作环境，获得针对性的实验结果，为预测涡轮叶片的服役寿命提供重要的实验数据；能够实时测试试样的温度、三维变形场、热疲劳裂纹萌生与扩展情况、冷却气流量的关键信息，这将对发动机涡轮叶片材料的热疲劳失效机理和可靠性提供非常重要的实验数据。

附图说明

图1是本发明一种用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置的试样测试平台示意图。

图2是本发明一种用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置的实验控制平台结构示意图。

图3是本发明一种用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置的试样温度分布图。

图4是本发明一种用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置的试样受力及裂纹形成。

附图标记说明:1、试样 2、定位板 3、感应线圈 4、密封橡胶塞 5、感应线圈冷却水通道 6、喷气口 7、夹具 8、热电偶固定装置 9、冷却气体出口 10、冷却气体入口 11、计算机 12、电源指示灯 13、电源开关 14、冷却系统控制开关 15、急停开关 16、温度采集系统指示灯 17、冷却系统工作指示灯 18、温度显示仪 19、第一冷却通道 20、第二冷却通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1、图2、图3、图4，一种用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置，包括感应线圈加热系统、温度测试采集系统、冷却系统、试验控制平台；

所述感应线圈加热系统采用对称结构的双向环绕加热方式，包括特制的感应线圈(2)、交流电源，感应线圈(2)加热范围为25℃～1200℃，每秒加热温度可达50℃～100℃，感应线圈(2)可以根据加热对象的不同尺寸，制作成不同的形状，交流电源连接感应线圈(2)，感应线圈冷却水通道(5)连接冷却系统的冷却水箱，冷却水主要用于感应线圈(2)的冷却，且从感应线圈(2)一侧流入，另一侧流出，达到冷却效果防止感应线圈(2)损坏；

所述温度测试采集系统包括热电偶、温度显示仪(18)、温度采集软件，所述热电偶与温度显示仪(18)、计算机(11)连接；

所述冷却系统包括空气压缩机、冷却水箱、电磁阀、第一冷却通道(19)、第二冷却通道(20)，冷却气体先经过冷却气体入口(10)，由试样(1)四周表面的喷气口(6)进入后分布到试样(1)表面及端部，另一股冷却气体以一定的流动速率经第一冷却气体通道(19)的气管、第二冷却气体通道(20)的气管进入试样(1)内部，使试样(1)内环保持为某一稳定温度，形成一定的温度梯度，形成了大梯度的内外温差梯度及热应力，诣在模拟飞机起飞、巡航、反推时涡轮不同工作状态下的温度历史；

所述第一冷却通道(19)、第二冷却通道(20)均呈十字架状，第一冷却通、第二冷却通道(20)为上下分布，第一冷却通道(19)左侧、右侧、顶端各设有冷却气体入口(10)，第二冷却通道(20)左侧、右侧、底端各设有冷却气体入口(10)，第一冷却通道(19)下表面的左侧、右侧各设有一个喷气口(6)，第二冷却通道(20)上表面的左侧、右侧各设有一个喷气口(6)，第一冷却通道(19)底端左右两侧面各固定安装有一个定位板(2)，第一冷却通道(19)上的定位板(2)呈并排分布，第二冷却通道(20)顶端左右两侧面各固定安装有一个定位板(2)，第二冷却通道(20)上的定位板(2)呈并排分布，上下分布的定位板(2)之间均设有热电偶固定装置(8)，热电偶固定装置(8)内侧置于试样(1)内，试样(1)连接在第一冷却通道(19)、第二冷却通道(20)之间的间隙内，上端的定位板(2)下表面与热电偶固定装置(8)之间的间隙内均设有感应线圈(3)，感应线圈(3)内环设有感应线圈冷却水通道(5)；

所述试验控制平台包括计算机(11)、冷却系统控制开关(14)、急停开关(15)、冷却系统工作指示灯(17)、温度显示仪(18)，冷却系统控制开关(14)通过电磁阀与冷却系统连接，冷却系统工作指示灯(17)与冷却系统内部连接。

优选地，所述上端的定位板(2)下表面外侧与热电偶固定装置(8)之间的间隙内均设有一个密封橡胶塞(4)，下端的定位板(2)上表面外侧与热电偶固定装置(8)之间的间隙内均设有一个密封橡胶塞(4)。

优选地，所述试样(1)内部设有夹具(7)，夹具(7)上端与第一冷却通道(19)相连，夹具(7)下端与第二冷却通道(20)相连。

优选地，所述第一冷却通道(19)竖直中心线、第二冷却通道(20)竖直中心线均设有通孔，通孔内设有气管，且第一冷却通道(19)底端的气管与夹具(7)上端固定连接，第二冷却通道(20)顶端的气管与夹具(7)下端固定连接。

优选地，所述热电偶采用B型铂铑热电偶，分别在试样的表面半径R为3.5mm、6.5mm、8.5mm、试样(1)内环处各设置一支热电偶。

优选地，所述热电偶固定装置(8)固定安装热电偶，且热电偶固定装置(8)靠近夹具(7)一侧外围包裹绝缘层。

优选地，所述下端的定位板(2)下表面设有支架，支架下表面与地面接触。

本发明是这样实现的：

第一步，制备试样(1)，采用等离子喷涂工艺，在某型号涡轮叶片材料表面喷涂热障涂层隔热材料，厚度约为50μm。

第二步，用夹具(7)固定试样(1)；将三支热电偶固定在试样(1)半径分别为3.5mm、6.5mm、8.5mm处，另取一支热电偶固定于试样(1)内环处，每支热电偶分别连接到温度测试采集系统的温度显示仪(18)上。

第三步，打开感应线圈(3)的冷却水开关，打开试样(1)表面及内部通道的冷却气体控制开关，使得冷却水和冷却气体正常通入，使试样(1)表面和内部形成高温度梯度。

第四步，接通交流电源，调节传输功率，并通过温度控制开关使试样(1)表面迅速升温，升温速率为50℃/s，使表面温度稳定在最高温度(如1100℃)，并保持一定时间(如3分钟)，在具体实施例中，每一个热循环时间包含：加热时间,保持时间和冷却时间，设定循环次数(如1000次)，控制参数还包含：最高温度、最低温度、加热速率、冷却速率。

第五步，在热疲劳实验过程中，实时测试和记录试样(1)的温度场变化、应变场分布，并待实验完成后，分析和整理实验数据，判断试样(1)的失效机理。

由于试样(1)内环通入一定速率的冷却气体，使内环保持为某一稳定温度(模拟叶片内部冷却)，冷却气体量由电磁阀控制，温度由热电偶采集再传输到温度显示仪(18)；由于试样(1)温度从试样(1)边缘至中心是逐渐下降的，这种温度分布不均匀的现象使轮盘在各不同半径处的材料热膨胀程度不一致，导致圆片试样最大半径处的膨胀或收缩受到约束，产生周向热应力，萌生径向裂纹，以模拟涡轮叶片叶尖热裂纹萌生及扩展。

由于试样(1)内环通入一定速率的冷却气体使得温度保持在某一稳定数值，而试样(1)外表温度较高，这时中心部分的材料限制着外缘材料的正常膨胀，因而产生周向热应力。

不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，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所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置，其特征在于，包括感应线圈加热系统、温度测试采集系统、冷却系统、试验控制平台；

所述感应线圈加热系统采用对称结构的双向环绕加热方式，包括特制的感应线圈(2)、交流电源，感应线圈(2)加热范围为25℃～1200℃，每秒加热温度可达50℃～100℃，感应线圈(2)可以根据加热对象的不同尺寸，制作成不同的形状，交流电源连接感应线圈(2)，感应线圈冷却水通道(5)连接冷却系统的冷却水箱；

所述温度测试采集系统包括热电偶、温度显示仪(18)、温度采集软件，所述热电偶与温度显示仪(18)、计算机(11)连接；

所述冷却系统包括空气压缩机、冷却水箱、电磁阀、第一冷却通道(19)、第二冷却通道(20)，冷却气体先经过冷却气体入口(10)，由试样(1)四周表面的喷气口(6)进入后分布到试样(1)表面及端部，另一股冷却气体以一定的流动速率经第一冷却气体通道(19)的气管、第二冷却气体通道(20)的气管进入试样(1)内部；

所述第一冷却通道(19)、第二冷却通道(20)均呈十字架状，第一冷却通、第二冷却通道(20)为上下分布，第一冷却通道(19)左侧、右侧、顶端各设有冷却气体入口(10)，第二冷却通道(20)左侧、右侧、底端各设有冷却气体入口(10)，第一冷却通道(19)下表面的左侧、右侧各设有一个喷气口(6)，第二冷却通道(20)上表面的左侧、右侧各设有一个喷气口(6)，第一冷却通道(19)底端左右两侧面各固定安装有一个定位板(2)，第一冷却通道(19)上的定位板(2)呈并排分布，第二冷却通道(20)顶端左右两侧面各固定安装有一个定位板(2)，第二冷却通道(20)上的定位板(2)呈并排分布，上下分布的定位板(2)之间均设有热电偶固定装置(8)，热电偶固定装置(8)内侧置于试样(1)内，试样(1)连接在第一冷却通道(19)、第二冷却通道(20)之间的间隙内，上端的定位板(2)下表面与热电偶固定装置(8)之间的间隙内均设有感应线圈(3)，感应线圈(3)内环设有感应线圈冷却水通道(5)；

所述试验控制平台包括计算机(11)、冷却系统控制开关(14)、急停开关(15)、冷却系统工作指示灯(17)、温度显示仪(18)，冷却系统控制开关(14)通过电磁阀与冷却系统连接，冷却系统工作指示灯(17)与冷却系统内部连接。

2.根据权利要求1所述的用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置，其特征在于，所述上端的定位板(2)下表面外侧与热电偶固定装置(8)之间的间隙内均设有一个密封橡胶塞(4)，下端的定位板(2)上表面外侧与热电偶固定装置(8)之间的间隙内均设有一个密封橡胶塞(4)。

3.根据权利要求1所述的用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置，其特征在于，所述试样(1)内部设有夹具(7)，夹具(7)上端与第一冷却通道(19)相连，夹具(7)下端与第二冷却通道(20)相连。

4.根据权利要求3所述的用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置，其特征在于，所述第一冷却通道(19)竖直中心线、第二冷却通道(20)竖直中心线均设有通孔，通孔内设有气管，且第一冷却通道(19)底端的气管与夹具(7)上端固定连接，第二冷却通道(20)顶端的气管与夹具(7)下端固定连接。

5.根据权利要求1所述的用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置，其特征在于，所述热电偶采用B型铂铑热电偶，分别在试样的表面半径R为3.5mm、6.5mm、8.5mm、试样(1)内环处各设置一支热电偶。

6.根据权利要求1所述的用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置，其特征在于，所述热电偶固定装置(8)固定安装热电偶，且热电偶固定装置(8)靠近夹具(7)一侧外围包裹绝缘层。

7.根据权利要求1所述的用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置，其特征在于，所述下端的定位板(2)下表面设有支架，支架下表面与地面接触。