CN109339868B - 一种热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型，包括：转轴、工作叶片涡轮盘、工作叶片、导向叶片、机匣和固定件；工作叶片涡轮盘固定套设在转轴上，工作叶片涡轮盘的圆周上设置有多组工作叶片；机匣与工作叶片涡轮盘平行且间隔预设距离，机匣上设置有环形的通道，通道与工作叶片的位置相对应；导向叶片为多组，固定设置在通道内；固定件与机匣固定连接，用于将机匣固定到预设位置；转轴和工作叶片涡轮盘同轴，工作叶片和导向叶片上涂覆有热障涂层。本发明用于热障涂层高温、冲蚀、CMAS腐蚀、高速旋转、湍流、尾迹、热斑等复杂工况的模拟试验与测试，包括：工作叶片热障涂层的模拟考核与导向叶片热障涂层检测。

Description

一种热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机高压涡轮部件热障涂层测试与考核领域，特别涉及一种航空发动机的热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型。
背景技术
燃气涡轮发动机是体现国家科技水平与核心竞争力的重要标志，高涡轮前燃气进口温度是先进燃气涡轮发动机的一大特征，承温、承载最为苛刻的高压涡轮叶片是最核心部件，迫切需要热障涂层这一热防护材料。然而，涡轮叶片热障涂层除了承受高温、高速的燃气冲击外，还需承受外界颗粒冲蚀、CMAS腐蚀，以及工作叶片、导向叶片相互运动、与高温燃气交互作用等所产生的热斑、尾迹、湍流等复杂效应，致使涂层发生极难预测的失效。为此，研制热障涂层服役工况的试验模拟测试平台是这一研究领域的重要手段，而模拟平台运行的关键是需要有能模拟热障涂层服役工况的试验模型件，能实现各种复杂载荷的模拟，并尽可能的节省试验成本，保障试验安全。
目前国内外研究较为成熟的是导向叶片等静止件热障涂层的试验模拟测试平台，通过产生高温、高速的燃气来冲击静止件热障涂层的表面，分析和考核其性能。在这类试验模拟测试平台中，所用的试验件大多是简单片状、圆筒状的热障涂层试样，涡轮叶片热障涂层多为单个(联)叶片。随着工作叶片上热障涂层的应用需求越来越迫切，模拟考核与分析的要求也越来越高，研制考虑工作叶片高速旋转工作状态的试验模拟测试平台也成为必然。在这类试验模拟装置中，如何制备能模拟热障涂层实际工况的涡轮模型件也是需要考虑的重要方面。
在实际发动机中，高温燃气需经过导向叶片导流，改变方向与速度后流向工作叶片热障涂层，并与高速旋转的工作叶片热障涂层发生交互作用，产生尾迹、湍流、热斑等复杂载荷效应。因此，发明一种模型件的设计方法，是热障涂层复杂服役环境模拟的必要基础，为分析导向叶片热障涂层失效和破坏机理的重要手段，为设计和优化导向叶片热障涂层提供重要参考。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型，通过采用涡轮模型提供了高速旋转的热障涂层工作叶片和热障涂层导向叶片，模拟出热障涂层导向叶片在复杂的服役环境的失效破坏，为分析导向叶片热障涂层失效和破坏机理的重要手段，模拟了各种服役工况，大幅节省了热障涂层服役工况模拟试验的成本，提高了试验的可靠性与安全性，为设计和优化导向叶片热障涂层提供重要参考。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型，包括：转轴、工作叶片涡轮盘、工作叶片、导向叶片、机匣和固定件；所述工作叶片涡轮盘固定套设在所述转轴上，所述工作叶片涡轮盘的圆周上设置有多组所述工作叶片；所述机匣与所述工作叶片涡轮盘平行且间隔预设距离，所述机匣上设置有环形的通道，所述通道与所述工作叶片的位置相对应；所述导向叶片为多组，固定设置在所述通道内；所述固定件和所述机匣固定连接，用于将所述机匣固定到预设位置；所述转轴和工作叶片涡轮盘同轴；所述工作叶片和所述导向叶片上涂覆有热障涂层；所述工作叶片和所述导向叶片中空，设有冷却通道。
进一步地，所述工作叶片与所述工作叶片涡轮盘榫接。
进一步地，所述工作叶片涡轮盘的外壁沿圆周方向设有多组榫槽；所述工作叶片与所述工作叶片涡轮盘连接的一端设置有与所述榫槽形状相匹配的榫头。
进一步地，相邻两组所述工作叶片的夹角相同；和/或，相邻两组所述导向叶片的夹角相同。
进一步地，所述工作叶片为3组；和/或，所述导向叶片为3组。
进一步地，每组所述工作叶片的数量为3个。
进一步地，每组所述导向叶片的数量为至少2个。
进一步地，每组所述工作叶片的数量与每组所述导向叶片的数量之比为3:2。
进一步地，所述导向叶片与所述工作叶片的夹角为θ，所述θ为：
Figure BDA0001899395320000031
式中，U表示工作叶片转动切向线速度，W表示气流进入工作叶片的相对速度，V表示气流流向工作叶片的绝对速度。
所述工作叶片涡轮盘(102)的半径与所述工作叶片(101)径向长度之和大于或等于旋转半径r，所述旋转半径r为：
Figure BDA0001899395320000032
式中，v表示所述工作叶片(101)线速度，n表示所述工作叶片(101)转速。
进一步地，所述导向叶片与机匣一体成型。
进一步地，所述转轴与所述工作叶片涡轮盘通过螺栓固定连接。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
通过采用涡轮模型提供了高速旋转的热障涂层工作叶片和静止的热障涂层导向叶片，模拟出导向叶片热障涂层在复杂的服役环境的失效破坏，为分析导向叶片热障涂层失效和破坏机理的重要手段，模拟了各种服役工况，大幅节省了热障涂层服役工况模拟试验的成本，提高了试验的可靠性与安全性，为设计和优化导向叶片热障涂层提供重要参考。
附图说明
图1是本发明实施例提供的热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型的结构主视图；
图2是本发明实施例提供的热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型的结构侧视图。
附图标记：
101、工作叶片，102、工作叶片涡轮盘，103、转轴，104、导向叶片，105、机匣，106、通道，107、固定件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1是本发明实施例提供的热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型的结构主视图。
图2是本发明实施例提供的热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型的结构侧视图。
请参照图1和图2，本发明实施例提供一种热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型，包括：工作叶片101、工作叶片涡轮盘102、转轴103、导向叶片104、机匣105和固定件107；工作叶片涡轮盘102固定套设在转轴103上，工作叶片涡轮盘102的圆周上设置有多组工作叶片101；机匣105与工作叶片涡轮盘102平行且间隔预设距离，机匣105上设置有环形的通道106，通道106与工作叶片101的位置相对应；导向叶片104为多组，固定设置在通道106内；固定件107与机匣105固定连接，用于将机匣105固定到预设位置；转轴103和工作叶片涡轮盘102同轴；工作叶片101和导向叶片104上涂覆有热障涂层。本发明通过采用涡轮模型提供了高速旋转的热障涂层工作叶片和静止的热障涂层导向叶片，模拟出导向叶片热障涂层在复杂的服役环境的失效破坏，为分析导向叶片热障涂层失效和破坏机理的重要手段，模拟了各种服役工况，大幅节省了热障涂层服役工况模拟试验的成本，提高了试验的可靠性与安全性，为设计和优化导向叶片热障涂层提供重要参考。
转轴103与工作叶片涡轮盘102连接端相对的一端与外界驱动电机连接，在驱动电机的带动下高速旋转，进而带动工作叶片涡轮盘102高速旋转，模拟出发动机涡轮叶片工作时高速旋转状态。
可选的，工作叶片101与工作叶片涡轮盘102榫接。优选的，工作叶片涡轮盘102的外壁沿圆周方向设有多组榫槽；工作叶片101与工作叶片涡轮盘102连接的一端设置有与榫槽形状相匹配的榫头。榫接是榫头插入榫槽的结合方式，依靠材料的摩擦力和材料的结构将两块材料固定在一起，连接牢靠。
相邻两组工作叶片101的夹角相同；和/或，相邻两组导向叶片104的夹角相同。
工作叶片101为3组；和/或，导向叶片104为3组。
每组工作叶片101的数量为3个。
每组导向叶片104的数量为至少2个。
每组工作叶片101的数量与每组导向叶片104的数量之比为3:2。
导向叶片104与工作叶片101的夹角为θ，θ为：
Figure BDA0001899395320000051
式中，U表示工作叶片101转动切向线速度，W表示气流进入工作叶片101的相对速度，V表示气流流向工作叶片101的绝对速度。
工作叶片101和导向叶片104之间的夹角满足速度三角形原理，三条边分别是牵连速度(沿旋转的切向，即工作叶片101转动切向线速度U)、相对速度(沿叶片方向，即气流进入工作叶片101的相对速度W)和绝对速度(前两个的矢量和，即气流流向工作叶片101的绝对速度V)，相对速度W与绝对速度为V的夹角θ即为导向叶片与工作叶片之间的夹角。在本发明实施例的一个实施方式中，当相对速度W为510m/s，绝对速度V为340m/s，切向线速度U为400m/s，可得θ为51.5°。
工作叶片涡轮盘102的半径与工作叶片101径向长度之和大于或等于旋转半径r，旋转半径r为：
Figure BDA0001899395320000061
式中，v表示工作叶片101线速度，n表示工作叶片101转速。在本发明实施例的一个实施方式中，转轴转速为2万转/分或线速度400米/秒，可知旋转最大外直径382mm，工作叶片涡轮盘102的直径可为300mm左右，工作叶片101长度100mm左右。
可选的，导向叶片104与机匣105一体成型。通过对导向叶片104和机匣105采用同一材料一体成型制造，提高了导向叶片104相对于机匣105的位置和角度的准确性和稳定性，提高了涡轮模型整个装置在试验过程中的测试的可靠性。
导向叶片104与机匣105的角度可以在设计和制造时进行调整，以满足对不同类型的导向叶片104进行模拟测试的需求。
可选的，工作叶片101为中空结构，中空结构的工作叶片101与外界冷却气体回路连通，以使工作叶片101在试验结束后尽快冷却。和/或，导向叶片104为中空结构，中空结构的导向叶片104与外界冷却气体回路连通，以使导向叶片104在试验结束后尽快冷却。
在本发明实施例的一个实施方式中，转轴103与工作叶片涡轮盘102通过螺栓固定连接。转轴103和工作叶片涡轮盘102采用螺栓连接，提高了工作叶片涡轮盘102在高速旋转过程中的动平衡，提高了涡轮模型整个装置在试验过程中的安全性。
在本发明实施例的一个具体例中，涡轮模型设置有三组工作叶片101和三组导向叶片104，每组工作叶片101的数量和每组导向叶片104的数量比例为3:2。其中，每组导向叶片104数量为2个，形成气流流道。每组工作叶片101的数量3个；其中，中间的工作叶片101为真实的待试验叶片，两侧的工作叶片101为模拟叶片。依据动力学平衡原理，各组工作叶片101之间的夹角为120°；类似的，各组导向叶片104之间的夹角也为120°。相邻两个工作叶片101相对于工作叶片涡轮盘102中心的夹角为15°，相邻两个导向叶片104相对于机匣105中心的夹角均为15°。
综上所述，本发明旨在保护一种热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型，包括：转轴、工作叶片涡轮盘、工作叶片、导向叶片、机匣和固定件；工作叶片涡轮盘固定套设在转轴上，工作叶片涡轮盘的圆周上设置有多组工作叶片；机匣与工作叶片涡轮盘平行且间隔预设距离，机匣上设置有环形的通道，通道与工作叶片的位置相对应；导向叶片为多组，固定设置在通道内；固定件与机匣固定连接，用于将机匣固定到预设位置；转轴和工作叶片涡轮盘同轴；工作叶片和导向叶片上涂覆有热障涂层。上述技术方案具备如下效果：
通过采用涡轮模型提供了高速旋转的热障涂层工作叶片和静止的热障涂层导向叶片，模拟出导向叶片热障涂层在复杂的服役环境的失效破坏，为分析导向叶片热障涂层失效和破坏机理的重要手段，模拟了各种服役工况，大幅节省了热障涂层服役工况模拟试验的成本，提高了试验的可靠性与安全性，为设计和优化导向叶片热障涂层提供重要参考。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型，其特征在于，包括：工作叶片(101)、工作叶片涡轮盘(102)、转轴(103)、导向叶片(104)、机匣(105)和固定件(107)；
所述工作叶片涡轮盘(102)固定套设在所述转轴(103)上，所述工作叶片涡轮盘(102)的圆周上设置有多组所述工作叶片(101)；
所述机匣(105)与工作叶片涡轮盘(102)平行且间隔预设距离，所述机匣(105)上设置有环形的通道(106)，所述通道(106)与所述工作叶片(101)的位置相对应；
所述导向叶片(104)为多组，固定设置在所述通道(106)内；
所述固定件(107)与所述机匣(105)固定连接，用于将所述机匣(105)固定到预设位置；
所述转轴(103)与所述工作叶片涡轮盘(102)同轴；
所述工作叶片(101)和所述导向叶片(104)上涂覆有热障涂层；
所述导向叶片(104)与所述工作叶片(101)的夹角为θ，所述θ为：
Figure FDA0002415557140000011
式中，U表示所述工作叶片(101)转动切向线速度，W表示气流流入所述工作叶片(101)的相对速度，V表示气流流向所述工作叶片(101)的绝对速度；
所述工作叶片涡轮盘(102)的半径与所述工作叶片(101)径向长度之和大于或等于旋转半径r，所述旋转半径r为：
Figure FDA0002415557140000012
式中，v表示所述工作叶片(101)线速度，n表示所述工作叶片(101)转速；
所述导向叶片(104)与机匣(105)一体成型。
2.根据权利要求1所述的热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型，其特征在于，
所述工作叶片(101)与所述工作叶片涡轮盘(102)榫接。
3.根据权利要求2所述的热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型，其特征在于，
所述工作叶片涡轮盘(102)的外壁沿圆周方向设有多组榫槽；
所述工作叶片(101)与所述工作叶片涡轮盘(102)连接的一端设置有与所述榫槽形状相匹配的榫头。
4.根据权利要求1所述的热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型，其特征在于，
相邻两组所述工作叶片(101)的夹角相同；和/或，
相邻两组所述导向叶片(104)的夹角相同。
5.根据权利要求4所述的热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型，其特征在于，
所述工作叶片(101)为3组；和/或，
所述导向叶片(104)为3组。
6.根据权利要求5所述的热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型，其特征在于，
每组所述工作叶片(101)的数量为3个。
7.根据权利要求5所述的热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型，其特征在于，
每组所述导向叶片(104)的数量为至少2个。
8.根据权利要求1所述的热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型，其特征在于，
每组所述工作叶片(101)的数量与每组所述导向叶片(104)的数量之比为3:2。
9.根据权利要求1所述的热障涂层服役工况模拟试验用涡轮模型，其特征在于，
所述转轴(103)与所述工作叶片涡轮盘(102)通过螺栓固定连接。
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