CN109596371A - 一种涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备 - Google Patents

Abstract

一种涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备，包括冷却控制装置、冷却介质供给装置和冷却工况加载模型件；冷却控制装置与冷却介质供给装置连接，用于为冷却介质供给装置发送控制指令，控制指令是对冷却介质供给装置输出的冷却介质的压力、流量和温度中至少一个进行控制的指令；冷却介质供给装置与冷却工况加载模型件连接，以基于控制指令为冷却工况加载模型件输送冷却介质。通过冷却控制装置控制冷却介质供给装置输出冷却介质，达到冷却介质可控、可调的目的，模拟热障涂层服役过程中的内部冷却工况的变化，进而对涡轮叶片热障涂层进行分析测试，可以有效分析涡轮叶片热障涂层温度梯度服役环境下的失效机制，得出服役环境中涡轮叶片热障涂层可靠性。

Description

一种涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮叶片热障涂层的测试领域，具体是一种涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备。

背景技术

随着航空发动机推重比与热效率的进一步提升，涡轮前燃气进口温度越来越高，对承温最高的高压涡轮叶片材料要求也越来越高。目前先进高温单晶的发展潜力已十分有限，无法满足先进航空发动机迅速发展的迫切需求。热障涂层因为具有高隔热、耐腐蚀、抗冲蚀等优点，成为涡轮叶片等高温部件必不可少的热防护材料。热障涂层应用在高压涡轮叶片等高温部件上时，受到的服役环境是涂层表面受到高温、高压、高速的燃气热冲击，而空心的叶片金属基底面受到压缩空气的冷却，实现涂层表面高温、基底面低温的温度梯度工况。温度梯度工况不仅实现了热障涂层对涡轮叶片的隔热，同时也是造成涂层剥落的重要原因。因此，研制能模拟热障涂层温度梯度工况的加载装置，对其剥落失效机制的分析尤为重要，而空心叶片内部冷却的实现是实现温度梯度工况模拟的关键。

在现有热障涂层燃气热冲击的试验装置中，试验样品多位平板状等简单结构或是单一的涡轮叶片热障涂层，冷却介质多通过压缩室温下的空气输送至基底表面，实现基底面的冷却。但在实际发动机内，涡轮叶片热障涂层有静止的导向叶片、旋转的工作叶片，且需要轴、涡轮盘、轮毂等部件为其提供支撑，这些部件都处于高温燃气可以作用的环境中，但是现有技术并未对所有需冷却部件都进行冷却，并且冷却温度不可根绝需要调节调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种涡轮叶片热障涂层温度梯度服役环境中温度可控、可调的冷却介质加载设备。

为解决上述问题，本发明提供了一种涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备，包括冷却控制装置、冷却介质供给装置和冷却工况加载模型件；冷却控制装置，与冷却介质供给装置连接，用于向冷却介质供给装置发送控制指令，控制指令是对冷却介质供给装置输出的冷却介质的压力、流量和温度中至少一个进行控制的指令；冷却介质供给装置，与冷却工况加载模型件连接，用于基于控制指令为冷却工况加载模型件输送冷却介质。

进一步地，冷却介质供给装置包括空气压缩机、空气加热机和流量阀门；空气压缩机与空气加热机连通，将压缩后的空气输送至空气加热机；空气加热机与冷却工况加载模型件通过管道连通，将加热后的压缩空气输送至冷却工况加载模型件；流量阀门设置于管道上，用于控制加热后的压缩空气的流量。

进一步地，冷却控制装置包括压力控制模块、温度控制模块和流量控制模块中的至少一个；冷却介质为空气；压力控制模块，与空气压缩机通信连接，用于发送对空气的压力进行控制的指令至空气压缩机，以控制空气压缩机将空气压缩至预定压力；温度控制模块，与空气加热机通信连接，用于发送对空气的温度进行控制的指令至空气压缩机，以控制空气加热机将空气升温至预定温度；流量控制模块，与流量阀门通信连接，用于发送对空气的流量进行控制的指令至空气压缩机，以控制流量阀门将空气以预设流量输入冷却工况加载模型件。

进一步地，冷却工况加载模型件包括涡轮盘、导流板和涡轮叶片热障涂层，导流板与涡轮盘平行设置；涡轮叶片热障涂层包括工作叶片热障涂层和导向叶片热障涂层；工作叶片热障涂层的一端设置有榫头，涡轮盘上设置有榫槽，工作叶片热障涂层通过榫头插入榫槽与涡轮盘连接；导流板的边缘设置有轮毂，轮毂远离导流板的一侧与导向叶片热障涂层连接。

进一步地，冷却工况加载模型件还包括至少一个挡板；挡板平行于涡轮盘的旋转面设置，且挡板的一端与榫头连接；挡板和涡轮盘上均设置有通孔，通孔与榫槽连通，且通孔的中心轴与榫槽的中心轴垂直，用于使得紧固件分别且依次插入挡板上的通孔、榫槽和涡轮盘上的通孔，以将榫头与涡轮盘固定。

进一步地，导流板上设置有导流通道；导流通道一端与冷却介质供给装置连通，另一端与冷却工况加载模型件内部连通，用于将冷却介质输送至冷却工况加载模型件内部，用于为冷却工况加载模型件冷却。

进一步地，导流通道包括第一导流通道；轮毂内设置有第一导向通道；导向叶片内设置有第一内部通道；第一导向通道的一端与第一导流通道连通，另一端与第一内部通道的一端连通。

进一步地，导流通道还包括第二导流通道；榫头内设置有第二导向通道；工作叶片热障涂层内设置有第二内部通道；第二导向通道一端与第二导流通道连通，另一端与第二内部通道的一端连通；通过第二导流通道的冷却介质，进入导流板与涡轮盘的间隙，冷却涡轮盘，再通过第二导向通道进入第二内部通道，冷却工作叶片热障涂层。

进一步地，第一导流通道和第二导流通道分别设置有多个，均匀分布于导流板上，且朝向涡轮叶片热障涂层的方向倾斜设置。

进一步地，上述涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备还包括尾气排放装置；尾气排放装置包括排放通道，与冷却工况加载模型件连通，将从冷却工况加载模型件中流出的冷却介质排出。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)通过冷却控制装置控制冷却介质供给装置输出冷却介质，模拟热障涂层服役过程中的内部冷却工况的变化，进而对涡轮叶片热障涂层进行测试、分析，可以有效分析涡轮叶片热障涂层温度梯度服役环境下的失效机制，得出真实服役环境中涡轮叶片热障涂层可靠性，为涂层工艺优化与自主设计提供参考。

(2)冷却涡轮叶片热障涂层时，冷却气体的温度、压力等并不是一个确定的常数，通过冷却控制装置控制冷却介质供给装置，输出温度、压力和流量等参数可调的冷却介质，并实现精确的控制，用以精确模拟涡轮叶片热障涂层实际冷却过程中冷却介质参数的变化。

(3)导流通道倾斜设置且有多个，均匀分布于导流板上，加速了冷却介质的传输速度，使得冷却介质更易于进入模型件进行冷却工况的加载。

附图说明

图1是本发明的冷却工况加载设备的结构示意图；

图2是本发明中冷却工况加载装置的冷却介质控制和传输的结构示意图；

图3是本发明中冷却工况加载模型件的结构和加载路线示意图。

附图标记：

1：冷却控制装置、11：压力控制模块、12：温度控制模块、13：流量控制模块；

2：冷却介质供给装置、21：空气压缩机、22：空气加热机、23：流量阀门；

3：冷却工况加载模型件、31：涡轮盘、32：导流板、321：第一导流通道、322：第二导流通道、33：涡轮叶片热障涂层、331：工作叶片热障涂层、332：导向叶片热障涂层、34：榫头、341：第二导向通道、35：轮毂、351：第一导向通道、36：挡板、37：紧固件；

4：尾气排放装置、41：排放通道；

A、B、C：路线。

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。

以下描述中，涡轮叶片热障涂层为外部涂有热障涂层的涡轮叶片，工作叶片热障涂层为外部涂有热障涂层的工作叶片，导向叶片热障涂层为外部涂有热障涂层的导向叶片。

图1是本发明的冷却工况加载设备的结构示意图。

如图1所示，本发明的涡轮叶片热障涂层33的冷却工况加载设备，包括冷却控制装置1、冷却介质供给装置2和冷却工况加载模型件3；冷却控制装置1，与冷却介质供给装置2连接，用于为冷却介质供给装置2发送控制指令，控制指令是对冷却介质供给装置2输出的冷却介质的压力、流量和温度中至少一个进行控制的指令；冷却介质供给装置2，与冷却工况加载模型件3连接，用于基于控制指令为冷却工况加载模型件3输送冷却介质。通过冷却控制装置1控制冷却介质供给装置2输出冷却介质，达到冷却介质可控、可调的目的，模拟涡轮叶片热障涂层33服役过程中的内部冷却工况的变化，进而对涡轮叶片热障涂层33进行测试、分析，可以有效分析涡轮叶片热障涂层33温度梯度服役环境下的失效机制，得出真实服役环境中涡轮叶片热障涂层33可靠性，为涂层工艺优化与自主设计提供参考。

优选地，上述涡轮叶片热障涂层33的冷却工况加载设备还包括尾气排放装置4；尾气排放装置4包括排放通道41，与冷却工况加载模型件3连通，将从冷却工况加载模型件3中流出的冷却介质排出，一方面防止上述冷却介质流入外界环境污染空气，保护环境，另一方面也可以对流出的冷却介质进行回收再循环利用，减少冷却工况加载设备的成本。

进一步优选地，排放通道41设置为涡壳结构，能够快速有效地将冷却介质排出。

图2是本发明中冷却工况加载装置的冷却介质控制和传输的结构示意图。

如图2所示，冷却介质供给装置2包括空气压缩机21、空气加热机22和流量阀门23；空气压缩机21与空气加热机22连通，将压缩后的空气输送至空气加热机22；空气加热机22与冷却工况加载模型件3通过管道连通，将加热后的压缩空气输送至冷却工况加载模型件3；流量阀门23设置于管道上，用于控制加热后的压缩空气的流量。

冷却控制装置1包括压力控制模块11、温度控制模块12和流量控制模块13中的至少一个；冷却介质为空气；压力控制模块11与空气压缩机21通信连接，用于发送对空气的压力进行控制的指令至空气压缩机21，以控制空气压缩机21将空气压缩至预定压力；温度控制模块12与空气加热机22通信连接，用于发送对空气的温度进行控制的指令至空气压缩机21，以控制空气加热机22将空气升温至预定温度；流量控制模块13，与流量阀门23通信连接，用于发送对空气的流量进行控制的指令至空气压缩机21，以控制流量阀门23将空气以预设流量输入冷却工况加载模型件3。

运用冷却控制装置1预先设定冷却介质的压力、温度和流量参数，然后将控制信息发送到冷却控制装置1，冷却介质供给装置2接收到控制信息后，按照控制信息输送一定压力、温度和流量的冷却介质进入到冷却工况加载模型件3。

冷却涡轮叶片热障涂层33时，冷却气体的温度、压力等并不是一个确定的常数，通过冷却控制装置1控制冷却介质供给装置2，输出温度、压力和流量等参数可调的冷却介质，并实现精确的控制，用以精确模拟涡轮叶片热障涂层33实际冷却过程中冷却介质参数的变化，试验测得的数据更加准确，得出真实服役环境中涡轮叶片热障涂层33可靠性。

图3是本发明中冷却工况加载模型件3的结构和加载路线示意图。

如图3所示，冷却工况加载模型件3包括涡轮盘31、导流板32和涡轮叶片热障涂层33，导流板32与涡轮盘31平行设置；涡轮叶片热障涂层33包括工作叶片热障涂层331和导向叶片热障涂层332；工作叶片热障涂层331的一端设置有榫头34，涡轮盘31上设置有榫槽，工作叶片热障涂层331通过榫头34插入榫槽与涡轮盘31连接；导流板32的边缘设置有轮毂35，轮毂35远离导流板32的一侧与导向叶片热障涂层332连接涡轮盘31。冷却工况加载模型件3还包括至少一个挡板36；挡板36平行于涡轮盘31的旋转面设置，且挡板36的一端与榫头34连接；挡板36和涡轮盘31上均设置有通孔，通孔与榫槽连通，且通孔的中心轴与榫槽的中心轴垂直，用于使得紧固件37分别且依次插入挡板36上的通孔、榫槽和涡轮盘31上的通孔，以将榫头34与涡轮盘31固定。涡轮盘31通过轴与电机连接，电机带动涡轮盘31转动，设置于涡轮盘31边缘的工作叶片热障涂层331随之旋转，产生离心力，挡板36和紧固件37配合可有效防止工作叶片热障涂层331因离心力而飞出。

可选地，挡板36设置有两个，设置于涡轮盘31两侧。

可选地，工作叶片热障涂层331与榫头34固定连接或一体成型设计。

具体地，导流板32上设置有导流通道；导流通道一端与冷却介质供给装置2连通，另一端与冷却工况加载模型件3内部连通，用于将冷却介质导入冷却工况加载模型件3内部，以对冷却工况加载模型件3进行冷却。

如路线A，导流通道包括第一导流通道321；轮毂35内设置有第一导向通道351；导向叶片内设置有第一内部通道；第一导向通道351的一端与第一导流通道321连通，另一端与第一内部通道的一端连通，第一内部通道与排放通道41连通，将使用后的冷却介质排出。冷却介质从第一导流通道321流入第一导向通道351，再进入第一内部通道为导向叶片热障涂层332降温。此过程可以有效对导向叶片热障涂层332降温，并分析导向叶片热障涂层332在温度梯度服役环境下的失效机制，预测真实服役环境中导向叶片热障涂层332可靠性。

如路线B，导流通道包括第二导流通道322；榫头34内设置有第二导向通道341；工作叶片热障涂层331内设置有第二内部通道；第二导向通道341一端与第二导流通道322连通，另一端与第二内部通道的一端连通，第二内部通道与排放通道41连通；通过第二导流通道322的冷却介质，进入导流板32与涡轮盘31的间隙，冷却涡轮盘31和挡板36，再通过第二导向通道341进入第二内部通道，为工作叶片热障涂层331降温，之后，将使用后的冷却介质从排放管道排出，此过程可以有效分析工作叶片热障涂层331在温度梯度服役环境下的失效机制，预测真实服役环境中工作叶片热障涂层331可靠性。

具体地，挡板36与轮毂35的临近处设置为相互匹配的树齿结构，间隙很微小，小于1毫米，使得通过第二导流通道322的冷却介质只能在涡轮盘31与导流板32之间的空间内流动(如路线C)或者通过第二导向通道341进入第二内部通道为工作叶片热障涂层331降温，提高的冷却介质的利用率，并加强了冷却介质对涡轮盘31的冷却，降低涡轮盘31温度，延长涡轮盘31的使用寿命。

优选地，第一导流通道321和第二导流通道322分别设置有多个，均匀分布于导流板32上，且朝向涡轮叶片的方向倾斜设置，加速了冷却介质传输速度，使得冷却介质更便于进入模型件进行冷却工况的加载，冷却效率更高。

本发明旨在保护一种涡轮叶片热障涂层33的冷却工况加载设备，包括冷却控制装置1、冷却介质供给装置2、冷却工况加载模型件3和尾气排放装置4。冷却控制装置1中的压力控制模块11、温度控制模块12和流量控制模块13分别给冷却介质供给装置2中的空气压缩机21、空气加热机22和流量阀门23发送将输送的冷却介质的控制至预定值，使冷却介质按照控制信息输送预定的压力、温度和流量的冷却介质进入到冷却工况加载模型件3，实现冷却介质可控、可调的目的，用以精确模拟涡轮叶片热障涂层33实际冷却过程中冷却介质参数的变化，并实现对涡轮叶片热障涂层33的温度梯度工况加载的精确控制，试验测得的数据更加准确，更能得出真实服役环境中涡轮叶片热障涂层33可靠性，为涂层工艺优化与自主设计提供参考。

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 (10)

1.一种涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备，其特征在于，包括冷却控制装置(1)、冷却介质供给装置(2)和冷却工况加载模型件(3)；

所述冷却控制装置(1)，与所述冷却介质供给装置(2)连接，用于向所述冷却介质供给装置(2)发送控制指令，所述控制指令是对所述冷却介质供给装置(2)输出的冷却介质的压力、流量和温度中至少一个进行控制的指令；

所述冷却介质供给装置(2)，与所述冷却工况加载模型件(3)连接，用于基于所述控制指令为所述冷却工况加载模型件(3)输送所述冷却介质。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备，其特征在于，所述冷却介质供给装置(2)包括空气压缩机(21)、空气加热机(22)和流量阀门(23)；

所述空气压缩机(21)与所述空气加热机(22)连通，将压缩后的空气输送至所述空气加热机(22)；

所述空气加热机(22)与所述冷却工况加载模型件(3)通过管道连通，将加热后的压缩空气输送至所述冷却工况加载模型件(3)；

所述流量阀门(23)设置于所述管道上，用于控制所述加热后的压缩空气的流量。

3.根据权利要求2所述的涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备，其特征在于，所述冷却控制装置(1)包括压力控制模块(11)、温度控制模块(12)和流量控制模块(13)中的至少一个；

所述冷却介质为空气；

所述压力控制模块(11)，与所述空气压缩机(21)通信连接，用于发送对所述空气的压力进行控制的指令至所述空气压缩机(21)，以控制所述空气压缩机(21)将所述空气压缩至预定压力；

所述温度控制模块(12)，与所述空气加热机(22)通信连接，用于发送对所述空气的温度进行控制的指令至所述空气压缩机(21)，以控制所述空气加热机(22)将所述空气升温至预定温度；

所述流量控制模块(13)，与所述流量阀门(23)通信连接，用于发送对所述空气的流量进行控制的指令至所述空气压缩机(21)，以控制所述流量阀门(23)将所述空气以预设流量输入所述冷却工况加载模型件(3)。

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备，其特征在于，所述冷却工况加载模型件(3)包括涡轮盘(31)、导流板(32)和涡轮叶片热障涂层(33)，所述导流板(32)与所述涡轮盘(31)平行设置；

所述涡轮叶片热障涂层(33)包括工作叶片热障涂层(331)和导向叶片热障涂层(332)；

所述工作叶片热障涂层(331)的一端设置有榫头(34)，所述涡轮盘(31)上设置有榫槽，所述工作叶片热障涂层(331)通过所述榫头(34)插入所述榫槽与所述涡轮盘(31)连接；

所述导流板(32)的边缘设置有轮毂(35)，所述轮毂(35)远离所述导流板(32)的一侧与所述导向叶片热障涂层(332)连接。

5.根据权利要求4所述的涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备，其特征在于，所述冷却工况加载模型件(3)还包括至少一个挡板(36)；

所述挡板(36)平行于所述涡轮盘(31)的旋转面设置，且所述挡板(36)的一端与所述榫头(34)连接；

所述挡板(36)和所述涡轮盘(31)上均设置有通孔，所述通孔与所述榫槽连通，且所述通孔的中心轴与所述榫槽的中心轴垂直，用于使得紧固件(37)分别且依次插入所述挡板(36)上的通孔、所述榫槽和所述涡轮盘(31)上的通孔，以将所述榫头(34)与所述涡轮盘(31)固定。

6.根据权利要求5所述的涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备，其特征在于，所述导流板(32)上设置有导流通道；

所述导流通道一端与所述冷却介质供给装置(2)连通，另一端与所述冷却工况加载模型件(3)内部连通，用于将所述冷却介质输送至所述冷却工况加载模型件(3)内部，以冷却所述冷却工况加载模型件(3)。

7.根据权利要求6所述的涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备，其特征在于，所述导流通道包括第一导流通道(321)；

所述轮毂(35)内设置有第一导向通道(351)；

所述导向叶片热障涂层(332)内设置有第一内部通道；

所述第一导向通道(351)的一端与所述第一导流通道(321)连通，另一端与所述第一内部通道的一端连通。

8.根据权利要求7所述的涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备，其特征在于，所述导流通道还包括第二导流通道(322)；

所述榫头(34)内设置有第二导向通道(341)；

所述工作叶片热障涂层(331)内设置有第二内部通道；

所述第二导向通道(341)一端与所述第二导流通道(322)连通，另一端与所述第二内部通道的一端连通；

通过所述第二导流通道(322)的所述冷却介质，进入所述导流板(32)与所述涡轮盘(31)的间隙，冷却所述涡轮盘(31)，再通过所述第二导向通道(341)进入所述第二内部通道，冷却所述工作叶片热障涂层(331)。

9.根据权利要求8所述的涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备，其特征在于，所述第一导流通道(321)和所述第二导流通道(322)分别设置有多个，均匀分布于所述导流板(32)上，且朝向所述涡轮叶片热障涂层(33)的方向倾斜设置。

10.根据权利要求1-9任一项所述的涡轮叶片热障涂层的冷却工况加载设备，其特征在于，还包括尾气排放装置(4)；

所述尾气排放装置(4)包括排放通道(41)，与所述冷却工况加载模型件(3)连通，将从所述冷却工况加载模型件(3)中流出的所述冷却介质排出。