CN110030831B - 一种具备温度梯度功能的力学性能试验高温炉 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种具备温度梯度功能的力学性能试验高温加热炉，包括高温加热炉、隔热器、环形密封圈等部件。高温加热炉用于实现预定测试温度及其精度，基于梯度隔热设计原理设计的环状轴对称隔热器能够实现特定的温度梯度场，环形密封圈保证隔热器腔体内部温度的可达性和稳定性。本发明的优点是环状轴对称隔热器采用梯度隔热设计原理，并与腔体内流动冷却气体协同工作，从而保证隔热器腔体内部形成一个稳定的温度梯度场，从而实现不同温度梯度条件下的力学性能试验。

Description

一种具备温度梯度功能的力学性能试验高温炉
技术领域
本发明是一种具备温度梯度功能的力学性能试验高温炉，用于高温结构材料轴向疲劳和持久/蠕变等综合力学性能测试，属于高温结构材料力学性能测试技术领域。
背景技术
航空发动机热端部件，诸如涡轮叶片和涡轮盘等，在实际服役环境下需通过气体冷却来降低其工作温度，保证热端部件在合适的温度区间内正常运转。随着先进航空发动机推重比和综合经济指标的提升，气体冷却效率不断提高，从而导致涡轮叶片和涡轮盘等热端部件工作于强温度梯度场的严酷高温环境中。发动机热端部件在温度作用下会产生体积变化，产生热应变。当发动机热端部件的热应变受到约束不能自由发展时，就会产生热应力。相关研究表明，由非均匀的温度分布即温度梯度产生的热应力最为常见，开展航空发动机热端部件材料在温度梯度场下的力学性能和损伤演化规律研究工作可为航空发动机综合性能的提升提供科学依据和技术支持。
开展航空发动机热端部件材料在温度梯度场下的科学研究工作，离不开其在温度梯度场下的综合力学性能试验，从而获得试验数据结果，建立设计用曲线和理论方法，用于航空发动机结构设计和强度评估。据相关资料调研，国内外对处在温度梯度场下，航空发动机热端部件材料的力学行为研究较少，但这种温度梯度对高温结构材料的性能的影响已有一些工作得到充分的体现，即不能由等温温度场来等效描述。例如，国外Hayashi教授研究表明，当疲劳试样存在温度梯度(温度梯度为200～400℃/mm)时，其疲劳寿命比试样处于最大温度时的等温疲劳寿命短。可以看出，高温结构材料在温度梯度场和等温环境下的力学性能和寿命具有明显的区别，不能仅仅采用等温环境下的高温结构材料试验数据来研究其力学性能和寿命，还必须要考虑温度梯度场对高温结构材料力学性能和寿命的影响。目前现有的测试设备主要是在等温环境下开展材料的力学性能试验，尽管试验结果已成功应用于航空发动机的结构设计和强度评估，对航空发动机的研制提供了丰富的数据支持，但同时也要开展高温结构材料在温度梯度场下的力学性能试验，充分考虑材料的温度敏感性，研究热应力叠加机械应力条件下高温结构材料的力学性能和寿命。因此，急需设计和制备出一种具备温度梯度功能的力学性能试验高温炉，从而开展高温结构材料的综合力学性能试验研究工作，为高温结构材料在航空领域的工程应用提供技术支持。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术的状况而设计提供了一种具备温度梯度功能的力学性能试验高温炉，其目的是提供一种结构简单，操作灵活且采用模块化设计的具备温度梯度功能的高温炉，与诸如疲劳试验机和持久/蠕变试验机配合，从而实现高温结构材料在温度梯度场条件下的综合力学性能试验。采用本发明提出的力学性能试验高温炉能够确保高温结构材料在可控的温度梯度下进行力学性能试验，可以获得温度梯度影响的力学性能和寿命数据，从而满足航空发动机研制对高温结构材料性能数据的需求。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种具备温度梯度功能的力学性能试验高温加热炉，该高温加热炉包括炉体2和炉腔3，其特征在于：在炉腔3的上、下两端中心加工有孔，将一个隔热器4安装在该两孔之间，使隔热器4位于炉腔3内，该隔热器4是一个环状、中空、柱形结构，隔热器4的中间环状内壁1为圆筒形且套装在待测试样8的外围，隔热器4的中间环状内壁1的两端设置有环形密封圈6，隔热器4的外侧环状外壁5呈弯曲面，隔热器4的外侧环状外壁5的两端与炉腔3上、下两端中心孔紧密配合；
在隔热器4的上、下端面上、沿环绕中间圆筒状内壁1的圆周加工有均匀排列的气孔与隔热器4的中空腔体7相通，该气孔的数量为偶数，其中，按顺序排列为偶数字的气孔是排气孔10，按顺序排列为奇数字的气孔是进气孔11。
进一步，隔热器4的中间环状内壁1的两端设置有台阶用于安装环形密封圈6。
进一步，隔热器4的外侧环状外壁5呈两端向中间收拢状的漏斗形，且沿轴向对称。
进一步，所述气孔数为8～12个。进气孔11通过管路与空气压缩机连接。
本发明技术方案提供的具备温度梯度功能的力学性能试验高温加热炉可采用对开式也可采用整体式，固定在力学性能试验机上，本发明具有的优点和有益效果是可以实现高温结构材料在温度梯度场条件下的综合力学性能试验能力，同时具有以下优点：
(1)环状轴对称隔热器选用耐高温、防氧化的高品质陶瓷，不容易发生氧化烧蚀，稳定工作时间长；
(2)环状轴对称隔热器采用梯度隔热设计原理，并与腔体内流动冷却气体协同工作，从而保证环状轴对称隔热器的腔体内部形成一个稳定的温度梯度场；
(3)通过合理改变环状轴对称隔热器的厚度以及弯曲面的弯度，以及调节其腔体内部冷却气体的压力和流速，从而实现不同温度梯度条件下的力学性能试验。
附图说明
图1为本发明所述具备温度梯度功能的力学性能试验高温炉与待测试样整体结构装配示意图
图2为图1中本发明具备温度梯度功能的力学性能试验高温炉A-A剖面图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明装置作进一步地详述：
参照附图1-2所示，具备温度梯度功能的力学性能试验高温炉主要包括高温加热炉、隔热器4、环形密封圈6。高温加热炉主要包括炉体2和炉腔3两部分。超高温加热炉的炉体为圆筒形。隔热器4主要包括内壁1和外壁5及其腔体7，内壁1和外壁5是由耐高温、防氧化的高品质陶瓷制备而成，镶嵌在高温加热炉的炉体2上，要求其与炉体2紧密配合，防止热流逸散，保证炉内温度的可达性和均匀性。隔热器4的内壁1紧邻待测试样8，隔热器4的外壁5的弯曲面与炉腔3相对，该弯曲面为呈两端向中间收拢状的漏斗形，且沿轴向对称。隔热器4整体位于高温加热炉的炉腔3内部。环形密封圈6分别安装在隔热器4的上、下两端，并与隔热器4内壁1上的平直面台阶紧密配合，保证待测试样8温度的可达性和稳定性。待测试样8与力学性能试验机的载荷轴9相连接，实现载荷的有效传递。
隔热器4上、下两端面上均匀分布有4个进气孔与4个排气孔，其中，按顺序排列为偶数字的气孔2、4、6、8是排气孔10，按顺序排列为奇数字的气孔1、3、5、7是进气孔11。且进气孔11与排气孔10间隔交替排列，保证隔热器4腔体7内冷却气体的均匀性和充分性。进气孔11通过管道与空气压缩机连接，保证向隔热器4的腔体7内部提供合适压力和流速的冷却气体。排气孔10通过管道把被加热的气体排出到大气中。因此，基于隔热器4弯曲面的梯度隔热的结构设计原理，并通过进气孔11和排气孔10的协调工作，源源不断地把热量带走，从而保证环状轴对称隔热器4的腔体7内部形成一个稳定的温度梯度场，从而实现高温结构材料在温度梯度场条件下的综合力学性能试验。
在进行力学性能试验之前，首先，打开高温加热炉，将隔热器4固定在高温加热炉的炉体2上，确保两者之间处于密封状态。其次，将待测试样8穿过隔热器4与力学性能试验机的载荷轴9相连接。再次，将环形密封圈6分别安装在隔热器4的上、下两端，并与隔热器4的内壁1上的平直面台阶紧密配合。然后，关闭高温加热炉，做好高温加热炉的全部密封工作。最后，将进气孔11通过管道与空气压缩机连接，排气孔10通过管道与外部大气环境直通，从而完成高温力学性测试系统的全部安装工作。待全部安装准备工作结束后，打开空气压缩机，向隔热器4的腔体7内部通入冷却气体，打开排气孔10排出被加热的气体，即可实现预定的温度梯度场条件，启动力学性能试验机并对待测试样8施加载荷，从而实现高温结构材料在温度梯度场条件下的综合力学性能试验。若要进行不同温度梯度条件下的力学性能试验，则需通过合理改变隔热器4的厚度以及外壁5的弯曲面的弯度，以及调节其腔体7内部冷却气体的压力和流速即可实现。

Claims (9)

1.一种具备温度梯度功能的力学性能试验高温加热炉，该高温加热炉包括炉体(2)和炉腔(3)，其特征在于：在炉腔(3)的上、下两端中心加工有孔，将一个隔热器(4)安装在该两孔之间并使隔热器(4)位于炉腔(3)内，该隔热器(4)是一个环状、中空、柱形结构，隔热器(4)的中间环状内壁(1)为圆筒形且套装在待测试样(8)的外围，隔热器(4)的中间环状内壁(1)的两端设置有环形密封圈(6)，隔热器(4)的外侧环状外壁(5)呈弯曲面，隔热器(4)的外侧环状外壁(5)的两端与炉腔(3)上、下两端中心孔紧密配合；
在隔热器(4)的上、下端面上、沿环绕中间圆筒状内壁(1)的圆周加工有均匀排列的气孔与隔热器(4)的中空腔体(7)相通，该气孔的数量为偶数，其中，按顺序排列为偶数字的气孔是排气孔(10)，按顺序排列为奇数字的气孔是进气孔(11)。
2.根据权利要求1所述的具备温度梯度功能的力学性能试验高温加热炉，其特征在于：超高温加热炉的炉体(2)为圆筒形。
3.根据权利要求1所述的具备温度梯度功能的力学性能试验高温加热炉，其特征在于：隔热器(4)由耐高温、防氧化的高品质陶瓷制成。
4.根据权利要求1所述的具备温度梯度功能的力学性能试验高温加热炉，其特征在于：隔热器(4)的中间环状内壁(1)的两端设置有台阶用于安装环形密封圈(6)。
5.根据权利要求1所述的具备温度梯度功能的力学性能试验高温加热炉，其特征在于：隔热器(4)的外侧环状外壁(5)呈两端向中间收拢状的漏斗形，且沿轴向对称。
6.根据权利要求1或4所述的具备温度梯度功能的力学性能试验高温加热炉，其特征在于：环形密封圈(6)与待测试样(8)之间为间隙配合。
7.根据权利要求1或4所述的具备温度梯度功能的力学性能试验高温加热炉，其特征在于：所述气孔数为8～12个。
8.根据权利要求1或4所述的具备温度梯度功能的力学性能试验高温加热炉，其特征在于：进气孔(11)通过管路与空气压缩机连接。
9.根据权利要求1所述的具备温度梯度功能的力学性能试验高温加热炉，其特征在于：该高温加热炉结构为对开式或整体式。
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