CN109827735B - 一种高温振动模拟设备 - Google Patents

Abstract

一种高温振动模拟设备，包括：高温加载炉、试样夹具、振动加载装置；高温加载炉包括相对设置的第一炉体和第二炉体，第一炉体与第二炉体设置为能够相互闭合或分离，第一炉体与第二炉体闭合形成密闭空间；试样夹具设置在密闭空间内；振动加载装置与试样夹具连接，用于带动试样夹具上的试样振动。通过高温加载炉的第一炉体和第二炉体的闭合或分离实现高温加载炉内温度的快速升温和降温，振动加载器传递高频率振动工况给试样，以实现不同参数的高温高频率振动服役环境，以便研究试样的高温振动失效机理，其中，试样包括涡轮叶片/试片以及带热障涂层的涡轮叶片/试片，为涡轮叶片及热障涂层的工艺优化与自主设计提供技术支持，提高涡轮叶片/试片和热障涂层的可靠性。

Description

一种高温振动模拟设备

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体涉及一种高温振动模拟设备。

背景技术

随着航空发动机不断的发展和进步，涡轮叶片前缘进口温度不断提高，涡轮叶片部件在高温氧化、热疲劳、冲蚀、腐蚀、高离心力和高频振动等服役环境下失效制约着航空发动机的发展，故研究涡轮叶片部件在服役环境下的失效机理，是改进工艺、优化设计的核心与关键。

目前国内外针对研究涡轮叶片部件的服役工况开展了大量的装置研究，一方面是模拟高温氧化、热疲劳等工况的装置，包括高温炉、自动热循环炉等；另一方面是模拟冲蚀和腐蚀工况的装置，如德国国家能源研究中心研制的冲蚀装置可以模拟高温冲蚀、热冲击、温度梯度等服役环境，湘潭大学研制的服役环境模拟与测试装置，可以实现高温、冲蚀、CMAS腐蚀服役环境的一体化模拟。还有一些模拟高速旋转工况的装置，如北京航空航天大学采用材料试验机与电加热的方式，模拟涡轮叶片部件高速旋转的离心拉应力与高温载荷的共同作用。然而，目前关于涡轮叶片部件振动失效的模拟仅能实现低温低频率振动环境模拟，因此，研制涡轮叶片热障涂层高温下高频振动的服役环境模拟装置来弥补涡轮叶片部件在高温振动失效研究的不足，为涡轮叶片部件的工艺优化与自主设计提供技术支持，提高涡轮叶片及热障涂层的可靠性。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种高温振动模拟设备，包括：高温加载炉、试样夹具、振动加载装置；所述高温加载炉包括相对设置的第一炉体和第二炉体，所述第一炉体与所述第二炉体设置为能够相互闭合或分离，所述第一炉体与所述第二炉体闭合形成密闭空间，用于给试样提供高温环境；所述试样夹具设置在密闭空间内，用于固定和控制试样的振动模式；所述振动加载装置与所述试样夹具连接，用于带动所述试样夹具上的所述试样振动。

进一步地，所述第一炉体设置为能够朝靠近或远离所述第二炉体的方向移动；和/或所述第二炉体设置为能够朝靠近或远离所述第一炉体的方向移动。

进一步地，所述高温振动模拟设备还包括移动装置，其与所述第一炉体和/或所述第二炉体连接，用于带动所述第一炉体和/或所述第二炉体移动，使得所述第一炉体与所述第二炉体相互闭合或分离。

进一步地，所述移动装置包括：滑轨和滑块；所述滑轨固定在预设位置；所述滑块与所述第一炉体和/或所述第二炉体连接；所述滑块沿所述滑轨滑动，使得所述第一炉体和/或所述第二炉体移动。

进一步地，所述移动装置还包括至少一个限位块；所述限位块设置于所述滑轨的端部，以限制所述第一炉体和/或所述第二炉体的移动距离。

进一步地，所述第一炉体在与所述第二炉体的连接处设置有凹槽；所述第二炉体在与所述第一炉体的连接处设置有与所述凹槽尺寸相匹配的凸起；所述凹槽与所述凸起配合，使得所述第一炉体与所述第二炉体闭合形成密闭空间，以防止炉体内热量散失。

进一步地，所述高温加载炉内设置有加热管，所述加热管设置所述在第一炉体和/或所述第二炉体的内壁上。

进一步地，所述高温加载炉上设置有检测窗口，所述检测窗口由耐高温透明材料制成。

进一步地，所述振动加载装置包括相互连接的激振器和顶杆；所述激振器用于产生激振力；所述顶杆与所述试样夹具连接，用于将所述激振器产生激振力传递给所述试样夹具；所述激振器频率范围为0-5000Hz，最大推力为6000N。

进一步地，所述振动加载装置还包括阻尼垫；所述激振器设置于所述阻尼垫上；所述阻尼垫用于消耗所述激振器工作时产生的振动能，防止共振失稳。

进一步地，所述高温振动模拟设备还包括相互连通的冷却盒和制冷箱；所述冷却盒环绕在所述顶杆外部；所述制冷箱用于对冷却液降温，所述冷却液在所述冷却盒与所述制冷箱之间循环，以对所述顶杆降温。

进一步地，所述试样夹具与所述顶杆连接，并设置有放置所述试样的卡槽；所述卡槽设置在所述试样夹具远离所述顶杆的一侧，和/或所述卡槽设置在所述试样夹具的侧壁上，以使所述试样和所述试样夹具成预设角度，以便于实现试样不同模式的振动。

进一步地，所述高温振动模拟设备还包括连接杆；所述连接杆的一端与所述试样夹具连接，其另一端与所述顶杆连接。

进一步地，所述高温振动模拟设备还包括控制装置；所述控制装置与所述高温加载炉、所述振动加载装置和所述移动装置通信连接，以产生控制指令。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)通过高温加载炉的第一炉体和第二炉体的闭合或分离实现高温加载炉内温度的快速升温和降温，振动加载器传递高频率振动工况给试样，以实现不同参数的高温高频率振动服役环境，以便研究涡轮叶片以及热障涂层的高温振动失效机理，为涡轮叶片和热障涂层的工艺优化与自主设计提供技术支持，提高涡轮叶片和热障涂层的可靠性；

(2)通过将卡槽设置在试样夹具远离顶杆的一侧，和/或卡槽设置在试样夹具的侧壁上。试样随顶杆的上下振动而进行上下振动和/或弯曲振动，可对试样进行多种振动的模拟，得到更完整的模拟数据，为涡轮叶片和热障涂层技术的工艺优化与自主设计提供技术支持，提高涡轮叶片和热障涂层的可靠性；

(3)通过将控制装置与高温加载炉、振动加载装置和移动装置通信连接，以产生控制指令，实现高温高频振动的自动化控制。

附图说明

图1是本发明的高温振动模拟设备的结构示意图；

图2是本发明的高温加载炉的结构示意图；

图3是本发明的试样设置于试样夹具上的结构示意图；

图4是本发明另一实施例中的试样设置于试样夹具上的结构示意图。

附图标记：

1：高温加载炉；11：第一炉体；111：凹槽；12：第二炉体；121：凸起；13：加热管；14：检测窗口；2：试样夹具；21：卡槽；22：连接杆；3：振动加载装置；31：激振器；32：顶杆；33：阻尼垫；4：试样；5：移动装置；51：滑轨；52：滑块；53：限位块；61：冷却盒；62：制冷箱；63：冷却液进液管；7：控制装置；71：温度控制线；72：移动控制线；73：振动控制线；74：冷却控制线；8：工作台。

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。

在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1是本发明的高温振动模拟设备的结构示意图；图2是本发明的高温加载炉的结构示意图。

如图1和图2所示，本发明一方面提供了一种高温振动模拟设备，包括：高温加载炉1、试样夹具2、振动加载装置3；高温加载炉1包括相对设置的第一炉体11和第二炉体12，第一炉体11与第二炉体12设置为能够相互闭合或分离，第一炉体11与第二炉体12闭合形成密闭空间，用于给试样4提供高温环境；试样夹具2设置在密闭空间内；用于固定和控制试样4的振动模式；振动加载装置3与试样夹具2连接，用于带动试样夹具2上的试样4振动。高温加载炉1提供给试样4所需的高温环境，并通过高温加载炉1的第一炉体11和第二炉体12的闭合或分离实现高温加载炉1内温度的快速升温和降温，振动加载器传递高频率振动工况给试样4，以实现不同参数的高温高频率振动服役环境，以便研究涡轮叶片以及涡轮叶片在不同技术保护下的高温振动失效机理，这里的保护涡轮叶片的技术主要指涡轮叶片及热障涂层，为涡轮叶片及热障涂层的工艺优化与自主设计提供技术支持，提高涡轮叶片及热障涂层的可靠性。其中，试样4是指高温高频振动的样品，可以是试片或涡轮叶片，试片和涡轮叶片上可以涂覆热障涂层或者不涂覆热障涂层。其中，第一炉体11和第二炉体12由低热导率的保温材料制成，起到保温的作用。

具体地，高温加载炉1内设置有加热管13，加热管13设置在第一炉体11和/或第二炉体12的内壁上。优选地，加热管13有两个，分别对称设置于第一炉体11和第二炉体12，试样4设置于第一炉体11和第二炉体12中间，加热管13可为试样4均匀加热。加热管13优选为U型硅碳棒，正负极都在炉体的一端，这样第一炉体11和第二炉体12可以正常分开。

优选地，第一炉体11设置为能够朝靠近或远离第二炉体12的方向移动；和/或第二炉体12设置为能够朝靠近或远离第一炉体11的方向移动。移动装置5与第一炉体11和/或第二炉体12连接，用于带动第一炉体11和/或第二炉体12移动，使得第一炉体11与第二炉体12相互闭合或分离。移动第一炉体11或第二炉体12都可以使第一炉体11和第二炉体12闭合或分离，以增加或降低高温加载炉1内的温度，共同移动第一炉体11和第二炉体12可以更快的分离第一炉体11和第二炉体12，若试样4放置于第一炉体11和第二炉体12中间，共同移动第一炉体11和第二炉体12也可使试样4受热更均匀。

进一步优选地，移动装置5包括滑轨51和滑块52；滑轨51固定在预设位置；滑块52与第一炉体11和/或第二炉体12连接；滑块52沿滑轨51滑动，使得第一炉体11和/或第二炉体12移动。

可选地，移动装置5包括导轨和滚轮；导轨固定在预设位置；滚轮与第一炉体11和/或第二炉体12连接；滚轮沿导轨滑动，使得第一炉体11和/或第二炉体12移动。

可选地，移动装置5还包括至少一个限位块53；限位块53设置于滑轨51的端部，以限制第一炉体11和/或第二炉体12的移动距离。当只移动第一炉体11或第二炉体12其中之一时，只需在滑轨51一端对应位置上设置限位块53即可，当移动第一炉体11和第二炉体12，需要在滑轨51两端对应位置上设置限位块53，限位块53可以第一炉体11和/或第二炉体12的移动距离，也可防止限位块53移动距离过大，超出滑轨51的范围。

优选地，滑轨51为两根并且为直线；限位块53为4个，分别左右两个，限制滑块52的滑动来控制距离；滑块52为8个，左边四个连接高温加载炉1的第一炉体11，并控制其滑动，右边四个连接高温加载炉1的第二炉体12，并控制其滑动。

优选地，第一炉体11在与第二炉体12的连接处设置有凹槽111；第二炉体12在与第一炉体11的连接处设置有与凹槽111尺寸相匹配的凸起121；凹槽111与凸起121配合，使得第一炉体11与第二炉体12闭合形成密闭空间，以防止炉体内热量散失，并保证合上时高温加载炉1内的温度。

优选地，高温加载炉1上设置有检测窗口14，检测窗口14由耐高温透明材料制成。具体来说，检测窗口14是耐高温且透射率高的石英玻璃，用于试样4高温高频振动时观测和数据测量，可以是数字散斑测量试样4的变形或者激光多普勒振动仪测量试样4的振动信号。

具体地，振动加载装置3包括相互连接的激振器31和顶杆32；激振器31用于产生激振力；顶杆32与试样夹具2连接，用于将激振器31产生激振力传递给试样夹具2。振动加载装置3还包括阻尼垫33；激振器31设置于阻尼垫33上；阻尼垫33用于消耗激振器31工作时产生的振动能，防止共振失稳。其中，激振器31的频率范围是0-5000Hz，额定推力为6000N，最大加速度为980m/s²。

在一优选实施例中，高温振动模拟设备还包括相互连通的冷却盒61和制冷箱62；冷却盒61环绕在顶杆32外部；制冷箱62用于对冷却液降温，冷却液在冷却盒61与制冷箱62之间循环，以对顶杆32降温。

具体地，冷却盒61下方设置有冷却液进液管63，冷却盒61上方设置有冷却液出液管64，冷却液进液管63和冷却液出液管64都与制冷箱62连通，制冷箱62将制冷液冷却后通过冷却液进液管63输入到冷却盒61，冷却盒61内的冷却液通过换热的方式对顶杆32降温，给顶杆32降温后的冷却液温度升高，温度升高后的冷却液通过冷却液出液管64流入制冷箱62，以实现冷却液在冷却盒61与制冷箱62之间循环。

图3是本发明的试样设置于试样夹具上的结构示意图；图4是本发明另一实施例中的试样设置于试样夹具上的结构示意图。

如图3和图4所示，试样夹具2与顶杆32连接，并设置有放置试样4的卡槽21；试样夹具2由耐高温材料制成，该耐高温材料在高温下疲劳性能优异。卡槽21设置在试样夹具2远离顶杆32的一侧，和/或卡槽21设置在试样夹具2的侧壁上，以使试样4和试样夹具2成预设角度，预设角度为0°～180°，以便于实现试样不同模式的振动。激振器31通过顶杆32给试样4传递延顶杆32长度方向的振动即上下振动，可以在试样夹具2顶部开槽，将试样4与顶杆32的长度方向平行设置，随着顶杆32的上下振动而进行上下振动如图2所示，也可试样夹具2侧壁开槽将试样4与顶杆32的长度方向垂直设置，随着顶杆32的上下振动而进行弯曲振动如图3所示，可对试样4进行多种振动的模拟，得到更完整的模拟数据，为涡轮叶片及热障涂层的工艺优化与自主设计提供技术支持，提高涡轮叶片及热障涂层和/或热障涂层的可靠性。

可选的，试样夹具2的材料满足在900-1300℃下弹性模量高于150GPa，且重量低于激振器31的最大推力的10％。

优选的，试样夹具2的材料包括但不限于镍基高温合金。

优选地，高温振动模拟设备还包括连接杆22；连接杆22的一端与试样夹具2连接，其另一端与顶杆32连接。连接杆22由耐高温材料制成，延长试样夹具2所在的位置，使试样夹具2上的试样4位于高温加载炉1中央，加热更均匀。

在一优选实施例中，高温振动模拟设备还包括工作台8，移动装置5设置于工作台8上，高温加载炉1设置于移动装置5上，振动加载装置3设置于工作台8下，工作台8上设置有通孔，连接杆22和顶杆32穿过通孔固定在一起。

在一优选实施例中，高温振动模拟设备还包括控制装置7；控制装置7与高温加载炉1、振动加载装置3和移动装置5通信连接，以产生控制指令。通过控制装置7实现高温高频振动的自动化控制。

具体地，控制装置7包括温度控制线71，温度控制线71连接高温加载炉1，具体连接到加热管13上，控制加热管13的温度。控制装置7还包括移动控制线72，移动控制线72连接滑轨51，控制滑轨51上滑块52的移动，进而控制第一炉体11和第二炉体12的分开和闭合。控制装置7还包括振动控制线73，振动控制线73连接振动加载装置3，具体连接激振器31，控制激振器31的大小、频率和振幅等参数。

优选地，控制装置7还包括冷却控制线74，冷却控制线74连接制冷箱62，控制制冷功率，以及冷却液的流动速率。

优选地，控制装置7还包括显示屏75，通过显示屏75实时观察高温振动模拟设备的工作参数以及工作状态，并且进行控制。

优选地，高温振动模拟设备还包括试验参数测试设备，其包括热电偶、红外热成像、声发射检测仪、数字散斑测量系统和激光多普勒测振仪，以检测试样的各种参数。

本发明旨在保护一种高温振动模拟设备，包括高温加载炉1、振动加载装置3、移动装置5和冷却装置。试样4设置于高温加载炉1内，其中高温加载炉1包括第一炉体11和第二炉体12，第一炉体11和第二炉体12在移动装置5的带动下可闭合或分离，以实现高温加载炉1内温度的快速升温和降温，振动加载器传递高频率振动工况给试样4，以实现不同参数的高温高频率振动服役环境，以便研究涡轮叶片以及涡轮叶片在不同技术保护下的高温振动失效机理，为涡轮叶片及热障涂层的工艺优化与自主设计提供技术支持，提高涡轮叶片及热障涂层的可靠性。冷却装置为移动装置5中的顶杆32降温，以使顶杆32在正常温度下工作，正常传递振动。通过将卡槽21设置在试样夹具2远离顶杆32的一侧，和/或卡槽21设置在试样夹具2的侧壁上。试样4随顶杆32的上下振动而进行上下振动和/或弯曲振动，可对试样4进行多种振动的模拟，得到更完整的模拟数据，为涡轮叶片及热障涂层的工艺优化与自主设计提供技术支持，提高涡轮叶片及热障涂层的可靠性；通过将控制装置7与高温加载炉1、振动加载装置3和移动装置5通信连接，以产生控制指令，实现高温高频振动的自动化控制。

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 (8)

1.一种高温振动模拟设备，其特征在于，包括：高温加载炉(1)、试样夹具(2)、振动加载装置(3)和移动装置(5)；

所述高温加载炉(1)包括相对设置的第一炉体(11)和第二炉体(12)，所述第一炉体(11)与所述第二炉体(12)设置为能够相互闭合或分离，所述第一炉体(11)与所述第二炉体(12)闭合形成密闭空间，用于给试样(4)提供高温环境；其中，所述高温加载炉(1)内设置有加热管(13)，所述加热管(13)设置在所述第一炉体(11)和/或所述第二炉体(12)的内壁上；加热管(13)有两个，分别对称设置于第一炉体(11)和第二炉体(12)，试样(4)设置于第一炉体(11)和第二炉体(12)中间，加热管(13)为试样(4)均匀加热；所述试样(4)为涡轮叶片；

所述试样夹具(2)设置在所述密闭空间内，用于固定和控制试样(4)的振动模式；

所述振动加载装置(3)与所述试样夹具(2)连接，用于带动所述试样夹具(2)上的所述试样(4)振动；

所述振动加载装置(3)包括相互连接的激振器(31)和顶杆(32)；

所述激振器(31)用于产生激振力；所述激振器频率范围为0-5000Hz，最大推力为6000N；

所述顶杆(32)与所述试样夹具(2)连接，用于将所述激振器(31)产生激振力传递给所述试样夹具(2)；所述试样夹具(2)的材料满足在900-1300℃下弹性模量高于150GPa，且重量低于所述激振器(31)的最大推力的10％；

所述试样夹具(2)与所述顶杆(32)连接，并设置有放置所述试样(4)的卡槽(21)；

所述卡槽(21)设置在所述试样夹具(2)远离所述顶杆(32)的一侧，且所述卡槽(21)还设置在所述试样夹具(2)的侧壁上，以使所述试样(4)和所述试样夹具(2)成预设角度，以便于实现试样不同模式的振动；其中，所述预设角度为0°～180°；

移动装置(5)与所述第一炉体(11)和/或所述第二炉体(12)连接，用于带动所述第一炉体(11)和/或所述第二炉体(12)移动，使得所述第一炉体(11)与所述第二炉体(12)相互闭合或分离；

所述移动装置(5)包括：滑轨(51)和滑块(52)；所述滑轨(51)固定在预设位置；所述滑块(52)与所述第一炉体(11)和/或所述第二炉体(12)连接；所述滑块(52)沿所述滑轨(51)滑动，使得所述第一炉体(11)和/或所述第二炉体(12)移动；

所述移动装置(5)还包括至少一个限位块(53)；所述限位块(53)设置于所述滑轨(51)的端部，以限制所述第一炉体(11)和/或所述第二炉体(12)的移动距离；

所述滑轨(51)为两根并且为直线；所述限位块(53)为4个，分别左右两个，限制所述滑块(52)的滑动来控制距离；所述滑块(52)为8个，左边四个连接所述高温加载炉(1)的所述第一炉体(11)，并控制其滑动，右边四个连接所述高温加载炉(1)的所述第二炉体(12)，并控制其滑动。

2.根据权利要求1所述的一种高温振动模拟设备，其特征在于，

所述第一炉体(11)设置为能够朝靠近或远离所述第二炉体(12)的方向移动；和/或

所述第二炉体(12)设置为能够朝靠近或远离所述第一炉体(11)的方向移动。

3.根据权利要求1或2所述的一种高温振动模拟设备，其特征在于，

所述第一炉体(11)在与所述第二炉体(12)的连接处设置有凹槽(111)；

所述第二炉体(12)在与所述第一炉体(11)的连接处设置有与所述凹槽(111)尺寸相匹配的凸起(121)；

所述凹槽(111)与所述凸起(121)配合，使得所述第一炉体(11)与第二炉体(12)闭合形成所述密闭空间，以防止炉体内热量散失。

4.根据权利要求1或2所述的一种高温振动模拟设备，其特征在于，所述高温加载炉(1)上设置有检测窗口(14)，所述检测窗口(14)由耐高温透明材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种高温振动模拟设备，其特征在于，所述振动加载装置(3)还包括阻尼垫(33)；

所述激振器(31)设置于所述阻尼垫(33)上；

所述阻尼垫(33)用于消耗所述激振器(31)工作时产生的振动能，防止共振失稳。

6.根据权利要求1所述的一种高温振动模拟设备，其特征在于，还包括相互连通的冷却盒(61)和制冷箱(62)；

所述冷却盒(61)环绕在所述顶杆(32)外部；

所述制冷箱(62)用于对冷却液降温，所述冷却液在所述冷却盒(61)与所述制冷箱(62)之间循环，以对所述顶杆(32)降温。

7.根据权利要求1所述的一种高温振动模拟设备，其特征在于，还包括连接杆(22)；

所述连接杆(22)的一端与所述试样夹具(2)连接，其另一端与所述顶杆(32)连接。

8.根据权利要求1所述的一种高温振动模拟设备，其特征在于，还包括控制装置(7)；

所述控制装置(7)与所述高温加载炉(1)、所述振动加载装置(3)和所述移动装置(5)通信连接，以产生控制指令。

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