CN111929016A - 加热炉及高温高周疲劳试验装置 - Google Patents

加热炉及高温高周疲劳试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种加热炉及高温高周疲劳试验装置，用于架设于振动台上方，以使安装于振动台上的涡轮叶片伸入加热炉中加热，从而进行高温高周疲劳试验，加热炉包括主体框架以及安装于主体框架内的用于对涡轮叶片进行加热的炉腔，主体框架的底部设有与炉腔连通的用于使涡轮叶片伸入至炉腔中的加热口，主体框架的顶部设有炉顶冷却防护机构，主体框架的底部设有炉底冷却防护机构，以减少加热炉对振动台的热辐射。本发明的加热炉，通过炉顶冷却防护机构和炉底冷却防护机构吸收炉腔传递的热量，减少加热炉对振动台的热辐射，有利于保证振动台的正常工作，振动台的试验频率范围和试验能力不会受到限制，从而确保涡轮叶片的高温高周疲劳试验的正常运行。

Description

加热炉及高温高周疲劳试验装置
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，特别地，涉及一种加热炉及高温高周疲劳试验装置。
背景技术
涡轮叶片高温高周疲劳试验是考核涡轮叶片在高温条件下的疲劳强度，航空发动机涡轮叶片的工作温度高达数百摄氏度甚至上千摄氏度，在常温条件下的振动疲劳试验结果与高温条件下试验结果差别太大，因此需要进行高温环境下涡轮叶片振动疲劳试验。在整个试验过程中，涡轮叶片所处的环境温度要可控、波动小，同时防止加热炉内的热量向外扩散。
目前用于涡轮叶片高温高周试验的高温高周疲劳试验装置，涡轮叶片加热的方式主要由两种，一种是将其放置在加热炉中，通过控制炉腔内的温度达到试验所需的温度，再进行涡轮叶片的振动疲劳试验，试验过程中炉腔内的温度保持稳定。水平滑台安装于振动台上，叶片安装于水平滑台上，加热炉安装于水平滑台上方，通过振动台推动水平滑台，使得叶片在水平方向振动，加热炉远离振动台台面。这种方式避免了加热炉热辐射直接作用于振动台，起到保护振动台的作用，但是限制了试验的频率范围和降低了振动台试验能力。采用这种加热炉形式限制了振动台的试验频率范围和试验能力。因为采用水平滑台激振的振动台能达到的最高试验频率一般不超过2000Hz，无法实现试验频率在2000Hz以上的涡轮叶片振动疲劳试验。相对于振动台垂直方向振动，振动台推动水平滑台进行水平方向振动，增加了振动台负荷，降低了振动台能达到的最大振动加速度，也就降低了振动台的试验能力。第二种方式是采用电磁感应加热方式。电磁感应加热的方式很难形成一个均匀的温度场，在叶片表面的温度会高于叶片内部的温度，并且对于不同试件，需要根据试件结构尺寸绕制线圈，通用性较差，线圈通常裸露，无任何防护措施，对人体造成电磁辐射伤害。
发明内容
本发明提供了一种加热炉及高温高周疲劳试验装置，以解决现有的涡轮叶片进行高温高周疲劳试验时采用加热炉对涡轮叶片加热限制了振动台的振动试验频率范围和试验能力，而采用电磁感应加热涡轮叶片则难以形成均匀地温度场的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种加热炉，用于架设于振动台上方，以使安装于振动台上的涡轮叶片伸入加热炉中加热，从而进行高温高周疲劳试验，加热炉包括主体框架以及安装于主体框架内的用于对涡轮叶片进行加热的炉腔，主体框架的底部设有与炉腔连通的用于使涡轮叶片伸入至炉腔中的加热口，主体框架的顶部设有炉顶冷却防护机构，主体框架的底部设有炉底冷却防护机构，以减少加热炉对振动台的热辐射。
进一步地，炉顶冷却防护机构为铺设于主体框架顶部的炉顶冷却水管，炉底冷却防护机构为铺设于主体框架底部的炉底冷却水管，通过炉顶冷却水管和炉底冷却水管循环输送冷却水，以减少加热炉对振动台的热辐射。
进一步地，加热炉还包括用于安装于主体框架的底部的隔热机构，隔热机构根据涡轮叶片的尺寸匹配安装于加热口处，通过隔热机构将加热口与涡轮叶片之间形成的多余的热辐射通道进行遮挡，从而减小热量从加热口传递至振动台。
进一步地，隔热机构包括设于主体框架的底部的隔热安装板以及用于根据涡轮叶片的尺寸铺设于隔热安装板上的隔热棉或隔热冷却管路，通过隔热棉或隔热冷却管路将加热口多余的热辐射通道进行遮挡，从而减少热量从加热口传递至振动台。
进一步地，炉腔包括加热板、石英玻璃安装板以及石英玻璃，加热板为浇筑一体成型的空心柱状，加热板的内壁面铺设有加热炉丝，石英玻璃安装板盖于加热板的顶部开口上，且石英玻璃安装板的中心处设有中心通孔，石英玻璃安装于中心通孔处，加热板的底部开口与加热口相通。
进一步地，主体框架的顶部设有用于透过石英玻璃观察炉腔内试验情况的观察窗口、安装于观察窗口处的用于监测涡轮叶片叶尖的振幅的位移传感器以及用于安装于观察窗口周围以防止观察窗处温度过高而损坏定位机构的窗口冷却防护机构。
进一步地，加热板与主体框架的内周面之间以及石英玻璃安装板与主体框架的内顶面之间均填充有保温棉。
进一步地，主体框架的顶部设有用于盖于石英玻璃上方的观察窗盖板，观察窗口设于观察窗盖板上；观察窗盖板、石英玻璃以及保温棉之间围合形成倒锥形隔热腔，位移传感器安装在倒锥形隔热腔内，从而缩短位移传感器到涡轮叶片叶尖的距离，以满足位移传感器的测试距离要求；窗口冷却防护机构为铺设于倒锥形隔热腔的内壁面上的窗口冷却水管，通过窗口冷却水管循环输送冷却水以防止观察窗口处温度过高而损坏位移传感器。
进一步地，加热炉还包括用于穿过主体框架并伸入炉腔上部以测试炉腔的上部温度的上部热电偶以及用于穿过主体框架并伸入炉腔下部以测试炉腔的下部温度的下部热电偶。
根据本发明的另一方面，还提供了一种高温高周疲劳试验装置，包括上述加热炉。
本发明具有以下有益效果：
本发明的加热炉，通过炉顶冷却防护机构吸收炉腔顶部传递至主体框架顶部的热量，通过炉底冷却防护机构吸收炉腔底部传递至主体框架底部的热量，从而减少加热炉对振动台的热辐射，有利于保证振动台的正常工作，因此加热炉直接架设于振动台上方，安装于振动台上涡轮叶片从主体框架的底部的加热口伸入炉腔中加热至试验温度，并通过振动台带动涡轮叶片在炉腔中振动，以进行振动疲劳试验，振动台上不需要安装其他辅助结构，因此振动台的试验频率范围和试验能力不会受到限制，从而确保涡轮叶片的高温高周疲劳试验的正常运行。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的加热炉的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的加热炉的结构示意图；
图3是本发明优选实施例的加热炉的结构示意图；
图4是本发明优选实施例的加热炉的结构示意图。
图例说明：
1、主体框架；11、炉顶冷却水管；12、炉底冷却水管；13、加热口；14、隔热安装板；15、观察窗盖板；16、观察窗口；17、窗口冷却水管；2、炉腔；21、加热板；22、炉丝；23、石英玻璃安装板；24、石英玻璃；3、保温棉；4、上测温孔；5、下测温孔；6、防护板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的加热炉的结构示意图；图2是本发明优选实施例的加热炉的结构示意图；图3是本发明优选实施例的加热炉的结构示意图；图4是本发明优选实施例的加热炉的结构示意图。
如图1所示，本实施例的加热炉，用于架设于振动台上方，以使安装于振动台上的涡轮叶片伸入加热炉中加热，从而进行高温高周疲劳试验，加热炉包括主体框架1以及安装于主体框架1内的用于对涡轮叶片进行加热的炉腔2，主体框架1的底部设有与炉腔2连通的用于使涡轮叶片伸入至炉腔2中的加热口13，主体框架1的顶部设有炉顶冷却防护机构，主体框架1的底部设有炉底冷却防护机构，以减少加热炉对振动台的热辐射。本发明的加热炉，通过炉顶冷却防护机构吸收炉腔2顶部传递至主体框架1顶部的热量，通过炉底冷却防护机构吸收炉腔2底部传递至主体框架1底部的热量，从而减少加热炉对振动台的热辐射，有利于保证振动台的正常工作，因此加热炉直接架设于振动台上方，安装于振动台上涡轮叶片从主体框架1的底部的加热口13伸入炉腔2中加热至试验温度，并通过振动台带动涡轮叶片在炉腔2中振动，以进行振动疲劳试验，振动台上不需要安装其他辅助结构，因此振动台的试验频率范围和试验能力不会受到限制，从而确保涡轮叶片的高温高周疲劳试验的正常运行。
如图1和图2所示，炉顶冷却防护机构为铺设于主体框架1顶部的炉顶冷却水管11，炉底冷却防护机构为铺设于主体框架1底部的炉底冷却水管12。炉顶冷却水管11和炉底冷却水管12均设有冷却水入口和冷却水出口，通过炉顶冷却水管11和炉底冷却水管12循环输送冷却水，以减少加热炉对振动台的热辐射。可选地，炉顶冷却水管11以盘旋状铺设于主体框架1顶部。炉底冷却水管12以盘旋状铺设于主体框架1底部。可选地，多条炉顶冷却水管11铺设于主体框架1顶部。多条炉底冷却水管12铺设于主体框架1底部。
如图3所示，加热炉还包括用于安装于主体框架1的底部的隔热机构，隔热机构以根据涡轮叶片的尺寸匹配安装于加热口13处，通过隔热机构将加热口13与涡轮叶片之间形成的多余的热辐射通道进行遮挡，从而减小热量从加热口13传递至振动台。在本实施例中，隔热机构包括设于主体框架1的底部的隔热安装板14以及用于根据涡轮叶片的尺寸铺设于隔热安装板14上的隔热棉，通过隔热棉将加热口13多余的面积进行遮挡，从而减少热量从加热口13传递至振动台。涡轮叶片通过转接段安装于振动台上，并从加热口13的中心位置处伸入炉腔2中，隔热安装板14安装于加热口13的两侧，将隔热棉安装于隔热安装板14上，并将涡轮叶片周围的加热口13多余的面积进行遮挡，从而减少炉腔2中的热量从加热口13传递至振动台。
如图1所示，炉腔2包括加热板21、石英玻璃安装板23以及石英玻璃24，加热板21为浇筑一体成型的空心柱状，加热板21的内壁面铺设有加热炉丝22，石英玻璃安装板23盖于加热板21的顶部开口上，且石英玻璃安装板23的中心处设有中心通孔，石英玻璃24安装于中心通孔处，加热板21的底部开口与加热口13相通。在本实施例中，两层石英玻璃安装板23叠盖于加热板21的顶部开口上，两层石英玻璃24叠加安装于石英玻璃24的中心通孔处。通过两层石英玻璃安装板23和两层石英玻璃24，观察炉腔2的同时又能防止炉腔2内的热量向外扩散。
如图1所示，主体框架1的顶部设有用于透过石英玻璃24观察炉腔2内试验情况的观察窗口16、安装于观察窗口16处的用于监测涡轮叶片叶尖的振幅的位移传感器以及用于安装于观察窗口16周围以防止观察窗口16处温度过高而损坏定位机构的窗口冷却防护机构。通过加热板21与主体框架1的内周面之间以及石英玻璃安装板23与主体框架1的内顶面之间均填充有保温棉3。在本实施例中，主体框架1的顶部设有用于盖于石英玻璃24上方的观察窗盖板15，观察窗口16设于观察窗盖板15上。观察窗盖板15与石英玻璃24以及保温棉3之间围合形成倒锥形隔热腔，窗口冷却防护机构为铺设于倒锥形隔热腔的内壁面上的窗口冷却水管17，通过窗口冷却水管17循环输送冷却水以防止观察窗口16处温度过高而损坏位移传感器。当振动台激振频率与涡轮叶片的弯曲频率接近时，涡轮叶片发生共振，在叶身根部产生较大的变形，同时叶尖产生较大的振幅。在本实施例中，通过位移传感器监测涡轮叶片的叶尖位移，以判断涡轮叶片是否出现裂纹和变形。位移传感器的工作温度较低，因此通过倒锥形隔热腔和窗口冷却水管17对位移传感器需要对其进行隔热和降温处理。并且由于位移传感器的测试距离较短，通过将位移传感器安装于倒锥形隔热腔内，缩短位移传感器到涡轮叶片的距离，满足位移传感器的安装要求。倒锥形隔热腔有利于防止炉腔2内的热量从观察窗口16向外扩散。可选地，通过在涡轮叶片上粘贴应变计，从而监测涡轮叶片的变形。可选地，石英玻璃24设置多层，且间隔布设，以形成石英玻璃24、空气层、石英玻璃24的交替结构，进而实现热量的隔离。可选地，石英玻璃24由外向内的厚度逐渐增加。可选地，最内层的石英玻璃24表面附着透明隔热膜。可选地，石英玻璃24与石英玻璃24之间设置透明隔热填料。
如图4所示，加热炉还包括用于穿过主体框架1并伸入炉腔2上部以测试炉腔2的上部温度的上部热电偶以及用于穿过主体框架1并伸入炉腔2下部以测试炉腔2的下部温度的下部热电偶。主体框架1上设有用上部热电偶穿过的上测温孔4以及用于下部热电偶穿过的下测温孔5。通过上部热电偶和下部热电偶对炉腔2内的温度进行监测并进行反馈控制，确保整个试验过程中炉腔2内的温度保持稳定在试验要求温度。
如图1、图2、图3以及图4所示，主体框架1由上安装板、下安装板、左安装板、右安装板、前安装板以及后安装板围合而成框架结构。上安装板、下安装板、左安装板、右安装板、前安装板以及后安装板的连接处均设有L型固定板。左安装板、右安装板、前安装板以及后安装板的外侧均安装有防护板6，且防护板6上布设有多个散热孔，以防止操作人员直接触碰到炉面而烫伤。
本实施例的高温高周疲劳试验装置，包括上述加热炉。高温高周疲劳试验装置还包括振动台、加热炉安装架以及转接段。试验时，涡轮叶片安装在转接段的一端，转接段的另一端安装于振动台的台面上。加热炉置于加热炉安装架上，移动加热炉安装架以调节加热炉的位置，使涡轮叶片从加热口13伸入炉腔2中的中部偏上的位置，且加热口13与振动台的台面间隔布设，然后将加热炉固定。将位移传感器安装于观察窗口16处。先将炉顶冷却水管11、炉底冷却水管12以及窗口冷却水管17通入冷却水运行几分钟，确保冷却水无泄漏后，接通加热炉电源开始加热，直到炉腔2内温度达到试验要求温度后启动振动台开始在试验要求的振动频率和振动时间下振动涡轮叶片。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

1.一种加热炉，用于架设于振动台上方，以使安装于振动台上的涡轮叶片伸入加热炉中加热，从而进行高温高周疲劳试验，其特征在于，
加热炉包括主体框架(1)以及安装于主体框架(1)内的用于对涡轮叶片进行加热的炉腔(2)，
主体框架(1)的底部设有与炉腔(2)连通的用于使涡轮叶片伸入至炉腔(2)中的加热口(13)，
主体框架(1)的顶部设有炉顶冷却防护机构，主体框架(1)的底部设有炉底冷却防护机构，以减少加热炉对振动台的热辐射。
2.根据权利要求1所述的加热炉，其特征在于，
炉顶冷却防护机构为铺设于主体框架(1)顶部的炉顶冷却水管(11)，炉底冷却防护机构为铺设于主体框架(1)底部的炉底冷却水管(12)，通过炉顶冷却水管(11)和炉底冷却水管(12)循环输送冷却水，以减少加热炉对振动台的热辐射。
3.根据权利要求1所述的加热炉，其特征在于，
加热炉还包括用于安装于主体框架(1)的底部的隔热机构，隔热机构根据涡轮叶片的尺寸匹配安装于加热口(13)处，通过隔热机构将加热口(13)与涡轮叶片之间形成的多余的热辐射通道进行遮挡，从而减小热量从加热口(13)传递至振动台。
4.根据权利要求3所述的加热炉，其特征在于，
隔热机构包括设于主体框架(1)的底部的隔热安装板(14)以及用于根据涡轮叶片的尺寸铺设于隔热安装板(14)上的隔热棉或隔热冷却管路，通过隔热棉或隔热冷却管路将加热口(13)多余的热辐射通道进行遮挡，从而减少热量从加热口(13)传递至振动台。
5.根据权利要求1所述的加热炉，其特征在于，
炉腔(2)包括加热板(21)、石英玻璃安装板(23)以及石英玻璃(24)，
加热板(21)为浇筑一体成型的空心柱状，加热板(21)的内壁面铺设有加热炉丝(22)，
石英玻璃安装板(23)盖于加热板(21)的顶部开口上，且石英玻璃安装板(23)的中心处设有中心通孔，石英玻璃(24)安装于中心通孔处，加热板(21)的底部开口与加热口(13)相通。
6.根据权利要求5所述的加热炉，其特征在于，
主体框架(1)的顶部设有用于透过石英玻璃(24)观察炉腔(2)内试验情况的观察窗口(16)、安装于观察窗口(16)处的用于监测涡轮叶片叶尖的振幅的位移传感器以及用于安装于观察窗口(16)周围以防止观察窗处温度过高而损坏定位机构的窗口冷却防护机构。
7.根据权利要求5所述的加热炉，其特征在于，
加热板(21)与主体框架(1)的内周面之间以及石英玻璃安装板(23)与主体框架(1)的内顶面之间均填充有保温棉(3)。
8.根据权利要求7所述的加热炉，其特征在于，
主体框架(1)的顶部设有用于盖于石英玻璃(24)上方的观察窗盖板(15)，观察窗口(16)设于观察窗盖板(15)上；
观察窗盖板(15)、石英玻璃(24)以及保温棉(3)之间围合形成倒锥形隔热腔，
位移传感器安装在倒锥形隔热腔内，从而缩短位移传感器到涡轮叶片叶尖的距离，以满足位移传感器的测试距离要求；
窗口冷却防护机构为铺设于倒锥形隔热腔的内壁面上的窗口冷却水管(17)，通过窗口冷却水管(17)循环输送冷却水以防止观察窗口(16)处温度过高而损坏位移传感器。
9.根据权利要求1所述的加热炉，其特征在于，
加热炉还包括用于穿过主体框架(1)并伸入炉腔(2)上部以测试炉腔(2)的上部温度的上部热电偶以及用于穿过主体框架(1)并伸入炉腔(2)下部以测试炉腔(2)的下部温度的下部热电偶。
10.一种高温高周疲劳试验装置，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的加热炉。
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