CN109357956A - 一种高温燃气腐蚀疲劳试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温燃气腐蚀疲劳试验系统,其设置有:高温燃烧试验台、高温燃气腐蚀环境试验箱、疲劳试验机、试验夹具、循环冷却水机、控制计算机、高频电磁感应加热炉、燃气管路系统。其中,由高温燃烧试验台产生的高温腐蚀性燃气,经过燃气管路流进高温燃气腐蚀环境试验箱,箱内的试验件经高频电磁感应加热炉加热和疲劳试验机加载,实现高温燃气腐蚀疲劳试验。本发明提供的试验系统,能够最大限度地模拟航空发动机高温部件的工作状态,克服了传统腐蚀试验方法脱离部件真实工作环境的弊端,试验结果能够更加准确地反映研究对象的腐蚀疲劳性能。
Description
技术领域
本发明涉及材料疲劳试验技术领域,特别涉及一种腐蚀疲劳试验方法,本发明将高温燃气发生器、疲劳试验机、加热设备、冷却设备有机结合,实现了高温燃气腐蚀环境下的材料疲劳试验,试验环境更加接近于发动机高温部件的实际工作环境,试验数据更加真实可靠。
背景技术
腐蚀疲劳指材料在交变载荷和腐蚀介质联合作用下的疲劳损伤现象。腐蚀疲劳不仅会出现在活化状态的金属材料,钝化状态的金属材料也会发生,更重要的是其出现的时间和位置都很难预测,因此腐蚀疲劳是一种危险性极高的破坏形式。以燃气轮机为例,工作中处于高温环境的涡轮转子部件、高压涡轮导向器以及高压涡轮包容机匣等均会遭受严重的高温腐蚀,在交变载荷的耦合作用下,这类部件的使用性能会受到极大的影响。可以说,高温腐蚀疲劳是影响高温结构完整性的主要因素之一,尤其是航空发动机,随着航空工业发展对发动机使用要求的不断提升,发动机热端部件的工作温度越来越高,使用环境也越来越严苛,高温腐蚀疲劳问题日趋突出。如何更准确地预测此类部件的使用寿命,成为航空发动机研制使用过程中亟待解决的关键问题之一。
当前,经济、可靠地预测部件的使用寿命,主要是在试验室条件下,利用各种技术手段尽可能模拟部件的真实工作状态开展多子样试验,在此基础上,进行数据统计分析获得部件的使用寿命。目前公开发表的腐蚀疲劳研究文献,大部分都是通过试验获得构件的热腐蚀性能,再结合已有的材料疲劳性能数据,分析评估腐蚀疲劳寿命,鲜有能够同时模拟机械载荷和腐蚀环境的试验方法。国内外已经发展成熟的热腐蚀试验方法主要有如下三种:
(1)浸盐法,将试样和混合盐一起放到坩埚里,在高温气体和混合盐熔体作用下快速腐蚀,最后用去除腐蚀层后的质量损失或试样横截面上的尺寸损失来确定其腐蚀速度。这种方法简单、方便,但是由于试验中盐的供应十分充足,而氧的供应受到限制,所以试验条件和材料的实际应用环境差别较大。
(2)涂盐法,将试样加热到150-200℃左右,用喷枪将一定比例的盐溶液喷到试样表面,烘干后,通过计算来控制试样的涂盐量。这种方法也比较简便,但同样和材料的实际使用环境差别较大。
(3)电化学法,将试样放在与坩埚试验类似的环境中,试样作为电极,与参考电极和辅助电极组成电化槽,测定腐蚀电流来反映腐蚀速率。这种试验方法适于研究合金的腐蚀电化学机理,但完全脱离了航空发动机真实使用环境。
上述试验方法用于部件的腐蚀疲劳性能研究,均存在如下两种缺点:其一,试验方法所模拟的腐蚀环境与部件的真实服役环境相差较大,所得试验结果不能真实反映材料的热腐蚀性能;其二,未能将腐蚀介质与机械载荷同时施加于试验件上,导致试验过程未考虑腐蚀与疲劳耦合作用的影响,造成试验结果偏差较大。
发明内容
本发明针对现有腐蚀疲劳研究方法的不足,提供一种高温燃气腐蚀疲劳试验系统,该系统能够最大限度地模拟航空发动机热端部件的工作状态,并实现高温燃气腐蚀与机械载荷在试验件上的耦合作用,适用于发动机热端部件腐蚀疲劳性能研究。
本发明采用的技术方案为:一种高温燃气腐蚀疲劳试验系统,包括:
一台高温燃烧试验台,该试验台能够产生炉膛出口温度500-1300℃的高温腐蚀性燃气,燃气中盐浓度的调节范围为0-1000ppm,出口温度波动范围±10℃;
一套高温燃气腐蚀环境试验箱,包括高温燃气腐蚀环境试验箱的箱体和三自由度位移台架;
一台高频电磁感应加热炉,用于维持试验温度在±3℃范围内波动;
一台控制计算机,此计算机以高温燃烧试验台出口燃气温度和试验件温度为反馈信号,控制高温燃烧试验台的燃油供给量与高频电磁感应加热炉的加热功率,从而维持试验件温度为设定状态;
一台疲劳试验机,用于试验件疲劳载荷的施加;
一台循环冷却水机,用于疲劳试验机上试验件夹具的冷却;
一套燃气管路系统,分为主流管路和侧流管路,主流管路连通高温燃烧试验台燃气出口与高温燃气腐蚀环境试验箱,燃气经高温燃气腐蚀环境试验箱后排出;侧流管路为主流管路分流,防止主流管路燃气阻塞发生爆炸危险;
两个主流管路节流阀,用于控制燃气主流管路中流入和流出高温燃气腐蚀环境试验箱的燃气流量;
一个侧流管路节流阀,用于控制燃气侧流管路中的燃气流量。
本发明与现有技术相比的优点在于:
本发明提供了一套可以模拟航空发动机热端部件腐蚀环境的试验系统,其效果较现有试验技术更接近于真实服役环境。试验用高温燃气直接由航空煤油燃烧产生,可以在燃烧时喷入海水等腐蚀剂,使得燃气中同时具有S、V、Na、Cl等腐蚀性元素,克服了现有试验技术腐蚀元素单一的弊端。
本发明提出的腐蚀疲劳试验系统,可以同时进行试验件的燃气腐蚀与力学加载,将高温腐蚀与机械载荷的耦合作用纳入到试验过程中,试验所得的腐蚀疲劳寿命更接近真实值。
本发明提出的腐蚀疲劳试验系统,将产生高温燃气的试验台有机结合到现有的疲劳试验机上,燃气的腐蚀性程度可以调节,试验温度和机械载荷也可以根据不同部件的使用情况进行设定,能够实现不同种情况下的腐蚀疲劳试验,应用范围广,操作方便。
附图说明
图1为本发明高温燃气腐蚀疲劳试验系统的总体示意图。
图2为本发明高温燃烧试验台示意图。
图3为本发明主流管道与侧流管道连接示意图。
图4为本发明高温燃气腐蚀环境试验箱示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示,本发明提供了一套高温燃气腐蚀疲劳试验系统,包括:疲劳试验机1、循环冷却水机2、控制计算机3、高温燃烧试验台4、高温燃气腐蚀环境试验箱5、高频电磁感应加热炉6、冷却水管路7、燃气管路8。其中,高温燃气腐蚀环境试验箱5设有燃气进口和出口,并配有三自由度位移台架,方便进出疲劳试验机1的试验空间;控制计算机3配有相应的控制系统,通过负反馈机制实时检测高温燃烧试验台4的出口燃气温度和试验件温度,并据此改变高温燃烧试验台4的供油率、高频电磁感应加热炉6的功率和循环冷却水机2的功率,从而将试验件温度控制在预定范围;由于在试验时高温燃烧试验台4产生的高温燃气的温度波动为±10℃,因此试验室主要采用高频电磁感应加热炉6对试验件进行加热和控温。
如图2所示,本发明的高温燃烧试验台主要包括:燃烧器9、储油箱10、腐蚀剂箱11、台架12、测温热电偶13、燃烧炉膛14。其中,燃烧器自带空气压缩机、燃油泵、点火器、旋流器等,可产生燃烧炉膛内部燃烧区温度范围在700-2000℃的高温燃气;燃烧炉膛14设有燃烧区观察窗,可观测火焰燃烧情况,炉膛壁厚15mm,经过保温、隔热和防爆处理。试验时,燃烧器9在自带燃油泵的作用下从储油箱10中吸入航空煤油,点火后在炉膛14内燃烧区高温贫油燃烧;燃烧炉膛14两侧具有两个离心雾化喷嘴,将腐蚀剂箱11内的腐蚀剂(如海水)雾化后掺混入燃烧区,最终形成的腐蚀性高温燃气经燃烧炉膛14的出口排出;燃烧炉膛14的出口处设置有耐腐蚀高温陶瓷型测温热电偶13,将监测到的燃烧试验台燃烧炉膛14出口燃气温度信号反馈到控制计算机。
如图3所示,高温燃烧试验台4产生的高温燃气,经试验台燃气出口排出后分流,一路经侧流管路节流阀15排出;另一路流经主流管路上节流阀17后进入高温燃气腐蚀环境试验箱,形成燃气腐蚀环境,配合疲劳试验机所施加的机械载荷,完成腐蚀疲劳试验,之后燃气由高温燃气腐蚀环境试验箱的出口排出,经过主流管路后节流阀16和过滤装置(图上未画出)后排入大气。
如图4所示,本发明的高温燃气腐蚀环境试验箱主要包括:测温热电偶18、燃气进口22、燃气出口19、冷却水进口20、冷却水出口21。其中,测温热电偶18固定在腐蚀箱体上,可拆换;燃气进口22与燃气出口19具有完全相同的管结构,通过螺纹与燃气管路连接;循环冷却水用于冷却试验箱内的试验夹具,冷却水进口20位于出口21的下面,保证冷却效果最佳;炉体本身壁厚70mm,分为内隔热层和外壳体,具有保温和隔热功能;炉体其他部分均进行了严格的密封处理。
本发明的工作过程如下:
燃烧试验台将航空煤油燃烧并与腐蚀剂混合形成高温腐蚀性燃气,经过分流后,一路燃气经主流管路进入腐蚀环境试验箱,为疲劳试验机上的试验件提供燃气腐蚀环境,疲劳试验机为试验件施加机械载荷,高频电磁感应加热炉将试验件加热到恒定的温度,由此完成高温腐蚀疲劳试验;分流后的另一路燃气经侧流管路排出,以确保主流管路中不会出现燃气阻塞而发生爆炸危险。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
以上所述,仅为本发明的实施例子,并不用以限制本发明,凡依据本发明的原理和技术实质所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高温燃气腐蚀疲劳试验系统,其特征在于:包括高温燃烧试验台(4)、高温燃气腐蚀环境试验箱(5)、高频电磁感应加热炉(6)、控制计算机(3)、疲劳试验机(1)、循环冷却水机(2)、燃气管路系统(8);其中,高温燃烧试验台(4)生成的高温腐蚀性燃气,经燃气管路进入高温燃气腐蚀环境试验箱(5),为处于箱内的试验件提供高温燃气腐蚀环境,疲劳试验机(1)对试验件施加机械载荷,高频电磁感应加热炉(6)对试验件进行加热,控制计算机(3)实时检测高温燃烧试验台(4)出口燃气温度和试验件温度,并通过改变高温燃烧试验台(4)的供油率和高频电磁感应加热炉(6)的功率,控制试验件温度在预定范围。
2.根据权利要求1所述的高温燃气腐蚀疲劳试验系统,其特征在于,所述高温燃烧试验台(4)以航空煤油为燃料,配有腐蚀剂供给设备,可根据研究对象的实际工作环境,调整燃气的温度和腐蚀性程度,试验台出口燃气温度的调节范围为500-1300℃,燃气中盐浓度的调节范围为0-1000ppm,出口温度波动范围±10℃。
3.根据权利要求1所述的高温燃气腐蚀疲劳试验系统,其特征在于,所述高温燃烧试验台(4)的燃烧条件为常压燃烧,燃烧区所在的炉膛做防爆与隔热处理。
4.根据权利要求1所述的高温燃气腐蚀疲劳试验系统,其特征在于,所述控制计算机(3)通过负反馈机制控制试验件的温度,以试验件的实时温度为反馈输入量,以高温燃烧试验台(4)的燃油供给量和高频感应加热炉(6)的加热功率为输出调节量,调节试验件温度为预定水平。
5.根据权利要求1所述的高温燃气腐蚀疲劳试验系统,其特征在于,所述管路系统(8)分为主流管路与侧流管路,由高温燃烧试验台(4)出口排出的燃气分为两路,一路经侧流管路与侧流管路节流阀(10)后排出,另一路经主流管路进口节流阀(9)流入高温燃气腐蚀试验箱(5),再经主流管路出口节流阀(7)排出;通过节流阀(9、10)可以调节进入高温燃气腐蚀试验箱(5)的燃气流量大小,防止发生气路堵塞。
6.根据权利要求1所述的高温燃气腐蚀疲劳试验系统,其特征在于,所述高温燃气腐蚀环境试验箱(5)箱体开合、观察窗与疲劳拉杆引出等部位具有耐高温石棉装置,确保试验箱的密封效果。
7.根据权利要求1所述的高温燃气腐蚀疲劳试验系统,其特征在于,所述疲劳试验机(1)可对置于高温燃气腐蚀试验箱(5)内的试验件施加机械载荷,实现燃气腐蚀与疲劳对试验件耦合作用,模拟航空发动机热端部件的真实工作环境。
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