CN110243181A - 超重力环境下材料力学性能测试的高温加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超重力环境下材料力学性能测试的高温加热装置。高温加热装置固定于超重力试验舱中，所述的高温加热装置包括从上到下依次布置连接的上炉体、中炉体、下炉体以及隔热保温层、高强度炉管、发热体和炉体承载体；炉体承载体置于下炉体的下腔体隔热层底部，高强度炉管置于炉体承载体上，高强度炉管外分别和上炉体的上腔体隔热层、中炉体的中腔体隔热层、下炉体的下腔体隔热层之间填充有隔热保温层；高强度炉管内部加工有螺旋状凹槽并装有发热体。本发明配合超重力环境，可加热高转速条件下材料性能测试样品，解决了高速旋转状态下材料高温性能测试加热的关键难题，且装备简单、操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及高温加热领域，尤其涉及一种适用于在超重力环境下给材料力学性能测试样品高温加热。
背景技术
高压涡轮工作叶片作为航空发动机和燃气轮机热端部件关键组成部分之一，服役时长期工作在高温、高压、高转速、交变负载等耦合加载条件下，是发动机中工作条件最恶劣的转动部件，其使用可靠性直接影响整机性能。服役时涡轮工作叶片绕发动机轴线高速旋转，其作用是利用燃气膨胀做功，将燃气的位能和热能转换为转子的机械功，所以服役过程中涡轮工作叶片主要承受离心载荷、热载荷、气动载荷和振动载荷的耦合作用。离心载荷产生的离心应力，属于体积力，使积叠线与径向线不完全重合的弯扭结构叶片，同时产生径向拉应力、扭转应力和弯曲应力。热载荷产生的热应力与几何约束密切相关，几何约束越多，热应力越大。气动载荷产生的气动力，是一种表面分布压力，属于面积力，作用在叶片各个表面，沿叶高和叶宽方向呈不均匀分布。因此，涡轮工作叶片在径向拉应力、扭转应力、弯曲应力和热应力的耦合作用下同时发生剪切变形、拉伸变形和扭曲变形，这显然不同于实验室单轴应力状态下的变形行为。
但目前航空发动机涡轮叶片用材的性能数据主要来自实验室标准试样的力学性能数据。虽然标准试样力学性能数据在一定程度上能为叶片强度设计提供实验依据，但与实际叶片相比，标准试样在性能测试过程中无法综合反映离心载荷-热载荷耦合条件对叶片微观组织和裂纹扩展路径的影响。所以，现有技术中缺少了能根据发动机叶片工况环境测试材料的力学性能的装置和方式。
发明内容
本发明需要解决的是针对上述超重力、高温试验条件下材料高温性能测试过程中样品加热难的问题，提供一种装配简单、使用方便、安全系数高，且可用于超重力工况的高温加热装置。
本发明将为高转速-高温耦合环境下材料性能测试提供一种超重力环境下材料力学性能测试的高温加热装置，解决高速旋转状态下材料高温性能测试加热的关键难题，且应用于超重力试验装置内的高温加热装置必须具有结构简单、安全可靠的特点，设计要符合高强度轻质量的理念。
本发明采用的技术方案是：
本发明的有益效果是：
本发明可在超重力环境下对材料力学性能测试样品进行高温加热，可实现在离心载荷-热载荷耦合条件下测试材料的力学性能，可有效解决超重力、高温试验条件下动态测试材料力学性能的问题，具有结构简单，操作方案且安全系数较高的优点。
本发明配合超重力环境，可加热高转速条件下材料性能测试样品，解决了高速旋转状态下材料高温性能测试加热的关键难题，且装备简单、操作方便。本发明适合1g-2000g超重力环境下，加热温度从常温-1250℃。
附图说明
图1是高温加热装置的主视图；
图2为高强度炉管17的结构剖视图；
图3为高强度炉管17的结构局部放大图；
图4为发热体的结构示意图；
图5为本发明超重力环境力学性能测试系统的结构示意图。
图中：上隔热盖1、上腔体外壳2、上腔体中壳3、上腔体隔热层4、上腔体下固定盖5、中隔热盖6、中腔体外壳7、中腔体中壳8、中腔体隔热层9、中腔体下固定盖10、下隔热盖11、下腔体外壳12、下腔体中壳13、下腔体隔热层14、下腔体下固定盖15、隔热保温层16、高强度炉管17、发热体18、炉体承载体19、螺旋状凹槽18-1、散热通道18-2。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，高温加热装置固定于超重力试验舱中，高温加热装置包括从上到下依次布置连接的上炉体、中炉体、下炉体以及隔热保温层16、高强度炉管17、发热体18和炉体承载体19；上隔热盖1、上腔体外壳2、上腔体中壳3、上腔体隔热层4、上腔体下固定盖5、中隔热盖6、中腔体外壳7、中腔体中壳8、中腔体隔热层9、中腔体下固定盖10、下隔热盖11、下腔体外壳12、下腔体中壳13、下腔体隔热层14、下腔体下固定盖15组成一个三个炉体构成的圆筒状高温加热装置的外壳，主要用来在超重力环境下固定高温加热装置，且在超重力环境下起到保护炉体的作用，总体形成了一个高温炉。
上炉体主要由上隔热盖1、上腔体外壳2、上腔体中壳3、上腔体隔热层4、上腔体下固定盖5组成，上腔体外壳2、上腔体中壳3、上腔体隔热层4分别从外到内安装形成上炉三层结构，上隔热盖1和上腔体下固定盖5分别安装于上炉三层结构的上端和下端使得上炉三层结构固定连接，上隔热盖1用来固定上炉体的上炉三层结构且起到隔热保温作用；上腔体外壳2和上腔体中壳3之间以及上腔体中壳3和上腔体隔热层4之间均有间隙作为空气隔热层，空气隔热层起到隔热保温的作用防止炉内热量散失。
中炉体主要由中隔热盖6、中腔体外壳7、中腔体中壳8、中腔体隔热层9、中腔体下固定盖10组成，中腔体外壳7、中腔体中壳8、中腔体隔热层9分别从外到内安装形成中炉三层结构，中隔热盖6和中腔体下固定盖10分别安装于中炉三层结构的上端和下端使得中炉三层结构固定连接，中隔热盖6用来固定中炉体的中炉三层结构且起到隔热保温作用；中隔热盖6具有隔热保温作用，防止热量在超重力作用下向下传导；中腔体外壳7和中腔体中壳8之间以及中腔体中壳8和中腔体隔热层9之间均有间隙作为空气隔热层，空气隔热层起到隔热保温的作用防止炉内热量散失；上炉体的上腔体下固定盖5和中炉体的中隔热盖6之间通过螺栓固定连接，上腔体下固定盖5和中隔热盖6连接用来连接上炉体和中炉体。
下炉体主要由下隔热盖11、下腔体外壳12、下腔体中壳13、下腔体隔热层14、下腔体下固定盖15组成，下腔体外壳12、下腔体中壳13、下腔体隔热层14分别从外到内安装形成下炉三层结构，下隔热盖11和下腔体下固定盖15分别安装于下炉三层结构的上端和下端使得下炉三层结构固定连接，下隔热盖11用来固定下炉体的下炉三层结构且起到隔热保温作用；下隔热盖11具有隔热保温作用，防止热量在超重力作用下向下传导，下腔体下固定盖15用来将高温加热装置固定在超重力试验装置的底部。下腔体外壳12和下腔体中壳13之间以及下腔体中壳13和下腔体隔热层14之间均有间隙作为空气隔热层，空气隔热层起到隔热保温的作用防止炉内热量散失；中炉体的中腔体下固定盖10和下炉体的下隔热盖11之间通过螺栓固定连接，中腔体下固定盖10和下隔热盖11连接用来连接中炉体和下炉体。
整个炉体通过上隔热盖1、上腔体下固定盖5、中隔热盖6、中腔体下固定盖10、下隔热盖11和下腔体下固定盖15四个地方对炉体进行加强，提高整个炉体在超重力环境下的刚度和强度，防止炉体运行过程中变形和破坏。上腔体下固定盖5和中隔热盖6、中腔体下固定盖10和下隔热盖11之间通过高强螺栓联接，方便安装及维护。
炉体承载体19置于下炉体的下腔体隔热层14底部，高强度炉管17置于炉体承载体19上，炉体承载体19置于超重力试验舱底面上，炉体承载体19用来支撑整个炉体重量，以及超重力作用下产生的压应力，同时隔热，防止热量在超重力下通过热传导到超重力试验装置的底部。如图2和图3所示，高强度炉管17外分别和上炉体的上腔体隔热层4、中炉体的中腔体隔热层9、下炉体的下腔体隔热层14之间填充有隔热保温层16；高强度炉管17内部加工有螺旋状凹槽18-1，螺旋状凹槽18-1装有螺旋状的发热体18，如图4所示，螺旋状凹槽18-1在朝向高强度炉管17内壁的一侧开设有散热通道18-2，通过散热通道18-2将发热体18产生的热量均匀辐射到高强度炉管17中央。
工作过程中发热体18产生热量，通过辐射加热高强度炉管17，在高强度炉管17中央形成高温区，通过改变不同高度位置的螺旋状凹槽18-1螺距进而改变不同高度位置的发热体18在高强度炉管17间距，调整不同高度位置的加热温度，从而可以实现形成均匀的温度区或非均匀的温度梯度区。
本发明的高强度炉管17和发热体18的结构设计，这样能发热体18防止发热体在超重力环境下脱落，并且还能通过调整螺旋状凹槽不同位置处的螺距调整加热效果。
隔热保温层16为由低热导率材料组成，采用莫来石，防止热量通过传导传递到炉外。
高强度炉管17采用高强度、低导热系数的陶瓷制作。
本发明具体实施中还要求包括发热体18的选型、高强度炉管17加工的螺旋状凹槽螺距、高强度炉管17的材料类型。
发热体18的选型：不同的发热体18允许使用的最高温度和对使用环境的要求不一样，需结合此装置的具体使用条件最高工作温度、真空环境和超重力环境)确定发热体18类型。如铁铬铝电热合金丝和铂金丝等。
高强度炉管17加工的螺旋状凹槽螺距：发热体18在超重力条件下容易拉升变形，甚至断裂。需考虑发热体18布局设计外还得考虑发热体18所带来的一系列变化影响，如防止在超重力条件下发热体18变形移动严重时断裂)，从而影响设备的整体运行。
高强度炉管17的材料类型：根据发热体18类型和使用温度要求，确定高强度炉管17的材料类型。为防止超重力下高强度炉管17自重造成的变形，高温加热装置炉体设计为三层分体式，每层单独加固保温层。
高温加热装置置于离心机的超重力环境中。超重力试验舱为超重力环境下材料力学性能试验舱，置于离心机的吊篮中。
如图5所示，具体实施的超重力环境力学性能测试系统如下，超重力实验舱内还安装有承力架、信号采集器和布线架，高温加热装置的高强度炉管17内安装待力学性能测试的试样，并设置有温度传感器，温度传感器连接信号采集器，信号采集器输出的导线通过布线架与弱信号导电滑环连接，再与地面测控中心连接；高温加热装置设置有三路强电独立回路，三路强电独立回路控制加热内部不同高度位置的发热体18进行高温加热，将地面三个强电独立回路通过离心离心机主轴导电滑环接入超重力实验舱的布线架；离心离心机主轴导电滑环和供电柜连接。即通过布线架，将第一个强电独立回路和高温加热装置上加热区连接，将第二个强电独立回路和高温炉中加热区连接，将第三个强电独立回路和高温炉下加热区连接。
具体实施中，将控制高温加热装置的三个独立控温温度延长导线接入信号采集器，信号采集器将接受的温度信号，从模拟信号转变为数字信号；数字信号通过布线架与信号滑环连接，再与地面测控中心连接。
炉温由固定或焊接在待测是试样上的温度传感器通过控温仪和测控系统控制。
本发明装置安装使用时，先将下腔体下固定盖15通过螺栓固定于超重力试验装置底部，炉体支撑体19安装于下腔体下固定盖15上，下腔体外壳12、下腔体中壳13、下腔体隔热层14通过螺栓与下腔体下固定盖15连接，下隔热盖11通过螺栓与中腔体下固定盖10连接，中腔体中壳8、中腔体隔热层9、中腔体下固定盖10通过螺栓与中腔体下固定盖10连接，再通过螺栓与上腔体下固定盖5、中隔热盖6连接。
将莫来石的隔热保温层16直接放置在陶瓷的高强度炉管17和下腔体隔热层14、中腔体隔热层9、上腔体隔热层4之间。莫来石的隔热保温层16既可以起到缓冲作用又可以隔绝热量。
高温加热装置可重复使用，仅需要通过更换合适的发热体18和高强度炉管17以满足不同的实验要求，具有结构简单且安全系数较高的优点。
本发明装置的力学性能测试工作过程如下：
第一步：将超重力实验舱置于离心机的吊篮中，在超重力实验舱内放置高温加热装置，并通过施力装置安装上需要加热的试件；
第三步：将焊接在试件表面测温的热电偶的导线和信号采集器连接，并安装应变片和信号采集器连接，信号采集器将接收温度和应变的模拟信号，并将模拟信号转变为数字信号；
第四步：三个强电独立回路分别连接到高强度炉管17的上、中、下加热区，使得高强度炉管17的的上、中、下三个加热区分别独立加热，在不同的加热区设置不同的加热温度；
第五步：离心机的转轴上安装转速计，将安装在离心机转轴上的转速计信号线与弱信号导电滑环连接，利用加热装置上三个热电偶控制高温炉的实时温度和加热速率，利用转速计控制离心机转速，利用以下公式计算施加在试件5上的应力F：
F＝m·a＝m·R(2πN/60)2
其中，m为试件5的质量；a为离心加速度，计算公式为a＝R(2πN/60)2，R为试件5到离心机转轴轴线的有效距离；N为离心机的转速。
进而实时绘制获得试件在受力状态下的应力-应变曲线。
本发明能通过热电偶能独立控制高温加热装置的三个不同区域的温度，实现均温加热或梯度加热，进而能调节设置温度的分布。
Claims (6)
1.一种超重力环境下材料力学性能测试的高温加热装置，其特征在于：
所述的高温加热装置固定于超重力试验舱中，所述的高温加热装置包括从上到下依次布置连接的上炉体、中炉体、下炉体以及隔热保温层(16)、高强度炉管(17)、发热体(18)和炉体承载体(19)；
上炉体主要由上隔热盖(1)、上腔体外壳(2)、上腔体中壳(3)、上腔体隔热层(4)、上腔体下固定盖(5)组成，上腔体外壳(2)、上腔体中壳(3)、上腔体隔热层(4)分别从外到内安装形成上炉三层结构，上隔热盖(1)和上腔体下固定盖(5)分别安装于上炉三层结构的上端和下端使得上炉三层结构固定连接，上腔体外壳(2)和上腔体中壳(3)之间以及上腔体中壳(3)和上腔体隔热层(4)之间均有间隙作为空气隔热层；
中炉体主要由中隔热盖(6)、中腔体外壳(7)、中腔体中壳(8)、中腔体隔热层(9)、中腔体下固定盖(10)组成，中腔体外壳(7)、中腔体中壳(8)、中腔体隔热层(9)分别从外到内安装形成中炉三层结构，中隔热盖(6)和中腔体下固定盖(10)分别安装于中炉三层结构的上端和下端使得中炉三层结构固定连接，中腔体外壳(7)和中腔体中壳(8)之间以及中腔体中壳(8)和中腔体隔热层(9)之间均有间隙作为空气隔热层；上炉体的上腔体下固定盖(5)和中炉体的中隔热盖(6)之间固定连接；
下炉体主要由下隔热盖(11)、下腔体外壳(12)、下腔体中壳(13)、下腔体隔热层(14)、下腔体下固定盖(15)组成，下腔体外壳(12)、下腔体中壳(13)、下腔体隔热层(14)分别从外到内安装形成下炉三层结构，下隔热盖(11)和下腔体下固定盖(15)分别安装于下炉三层结构的上端和下端使得下炉三层结构固定连接，下腔体外壳(12)和下腔体中壳(13)之间以及下腔体中壳(13)和下腔体隔热层(14)之间均有间隙作为空气隔热层；中炉体的中腔体下固定盖(10)和下炉体的下隔热盖(11)之间固定连接；
炉体承载体(19)置于下炉体的下腔体隔热层(14)底部，高强度炉管(17)置于炉体承载体(19)上，高强度炉管(17)外分别和上炉体的上腔体隔热层(4)、中炉体的中腔体隔热层(9)、下炉体的下腔体隔热层(14)之间填充有隔热保温层(16)；高强度炉管(17)内部加工有螺旋状凹槽(18-1)，螺旋状凹槽(18-1)装有螺旋状的发热体(18)，螺旋状凹槽(18-1)在朝向高强度炉管(17)内壁的一侧开设有散热通道(18-2)，通过散热通道(18-2)将发热体(18)产生的热量均匀辐射到高强度炉管(17)中央。
2.根据权利要求1所述的一种超重力环境下材料力学性能测试的高温加热装置，其特征在于：工作过程中发热体(18)产生热量，通过辐射加热高强度炉管(17)，在高强度炉管(17)中央形成高温区，通过改变不同高度位置的螺旋状凹槽(18-1)螺距进而改变不同高度位置的发热体(18)在高强度炉管(17)间距，调整不同高度位置的加热温度。
3.根据权利要求1所述的一种超重力环境下材料力学性能测试的高温加热装置，其特征在于：所述的隔热保温层(16)为由低热导率材料组成，采用莫来石。
4.根据权利要求1所述的一种超重力环境下材料力学性能测试的高温加热装置，其特征在于：所述的高强度炉管(17)采用高强度、低导热系数的陶瓷制作。
5.根据权利要求1所述的一种超重力环境下材料力学性能测试的高温加热装置，其特征在于：所述的高温加热装置置于离心机的超重力环境中。
6.根据权利要求1所述的一种超重力环境下材料力学性能测试的高温加热装置，其特征在于：所述的超重力实验舱内还安装有承力架、信号采集器和布线架，高温加热装置的高强度炉管(17)内安装待力学性能测试的试样，并设置有温度传感器，温度传感器连接信号采集器，信号采集器输出的导线通过布线架与弱信号导电滑环连接，再与地面测控中心连接；高温加热装置设置有三路强电独立回路，三路强电独立回路控制加热内部不同高度位置的发热体(18)进行高温加热，将地面三个强电独立回路通过离心离心机主轴导电滑环接入超重力实验舱的布线架。
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