CN112903273A - 一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统，包括拉力机构、密封舱、篦齿封严套管和蜂窝密封套管；拉力机构包括拉力机主体以及作为拉力输出的拉杆，拉杆的自由端设有用于与待测试涡轮叶片端部连接的连接部，拉杆内部沿纵向设置第一冷却通道；密封舱用于与为‑待测试涡轮叶片提供高温燃气测试环境的液冷装置外壁连接，且密封舱上设有用于被拉杆贯穿的拉杆孔，液冷装置对应拉杆孔的位置设有叶片贯穿通道；拉杆在密封舱内的部分在外部从上往下依次套接蜂窝密封套管和篦齿封严套管；拉杆与密封舱上的拉杆孔之间设置有密封组件。本发明解决了拉杆与涡轮叶片的连接处密封不严，容易导致燃气泄漏，拉杆在高温环境下容易变形受损的问题。

Description

一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，更具体地涉及一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统。

背景技术

航空发动机涡轮叶片热机耦合疲劳故障是航空发动机服役期间主要的失效模式，严重影响航空发动机的使用寿命。通过对航空发动机涡轮叶片进行热机耦合疲劳测试对考核涡轮叶片设计水平，制定业内涡轮叶片生产标准具有重要意义和工程价值。

传统的涡轮叶片热机耦合疲劳试验的方法，大多采用电加热提供热源，采用疲劳试验机提供机械载荷。尽管，目前已知的热机耦合疲劳试验机能够实现最大温度和拉力的协同加载，但由于机械载荷的施加需要由实验舱外部的拉力机通过拉杆来施加，而拉杆与涡轮叶片的连接处密封不严，容易导致燃气泄漏，拉杆在高温环境下容易变形受损，其试验结果的可靠性和准确性难以得到进一步的提升；拉杆需要经常性更换，导致试验成本增加。因此，有必要提供一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统，以克服上述问题。

发明内容

本发明提供了一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统，以解决拉杆与涡轮叶片的连接处密封不严，容易导致燃气泄漏，拉杆在高温环境下容易变形受损，其试验结果的可靠性和准确性难以得到进一步的提升；拉杆需要经常性更换，导致试验成本增加的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统，包括拉力机构、密封舱和密封套管结构；

所述拉力机构包括拉力机主体以及作为拉力输出的拉杆，所述拉杆的自由端设有用于与待测试涡轮叶片端部连接的连接部，所述拉杆内部沿纵向设置第一冷却通道；

所述密封舱用于与为待测试涡轮叶片提供高温燃气测试环境的液冷装置外壁连接；所述密封舱上设有用于被所述拉杆贯穿的拉杆孔，所述液冷装置对应所述拉杆孔的位置设有叶片贯穿通道；

所述拉杆上套接有所述密封套管结构，所述密封套管结构下端用于与所述液冷装置外壁连接，且覆盖所述叶片贯穿通道；所述拉杆与所述密封舱上的所述拉杆孔之间设置有密封组件。

所述密封舱为高压密封舱，其至少需要承受1-3MPa的压力。

所述篦齿封严套管采用耐高温材料制作而成，至少需要承受1000K以上的高温。

作为优选，所述密封套管结构为篦齿封严套管，所述篦齿封严套管下端与所述液冷装置外壁连接，且覆盖所述叶片贯穿通道。

作为优选，所述密封套管结构为篦齿封严套管和蜂窝密封套管，所述篦齿封严套管与所述蜂窝密封套管连接，所述篦齿封严套管下端与所述液冷装置外壁连接，且覆盖所述叶片贯穿通道。

作为优选，所述密封舱与所述液冷装置外壁连接时，所述密封套管结构位于所述密封舱内，所述拉杆在所述密封舱内的部分在外部从上往下依次套接所述蜂窝密封套管和所述篦齿封严套管，所述篦齿封严套管一端与所述拉杆穿出所述密封舱的部位的内壁连接，另一端与所述蜂窝密封套管连接。

作为优选，密封组件包括密封垫圈，所述密封垫圈设置在所述拉杆孔内。

作为优选，密封组件还包括盖板和螺栓，所述盖板中间位置开设有与所述拉杆相匹配的通孔，所述拉杆插入所述通孔，所述盖板与所述拉杆紧密连接，所述盖板向下压紧所述密封垫圈后通过所述螺栓与所述密封舱上侧的舱壁连接。

作为优选，所述密封舱用于与所述液冷装置外壁连接的壁采用隔热材料。

作为优选，所述密封舱用于与所述液冷装置外壁连接的壁内部设置有第二冷却通道。

作为优选，所述第一冷却通道呈U型，且其弯曲处靠近所述拉杆用于与所述待测试涡轮叶片连接的所述连接部。

作为优选，所述蜂窝密封套管的长度与所述篦齿封严套管的长度之和小于所述密封舱的上下内表面的垂直距离。

作为优选，所述拉杆垂直贯穿所述密封舱，所述密封舱设置有用于检测所述密封舱内部压力的压力表。所述压力表为高压压力表，至少能检测3MPa的压力。

作为优选，所述密封舱的侧壁设置有出入口，所述密封舱外壁设有散热结构。

作为优选，第一冷却通道和第二冷却通道均用于通入冷却空气或冷却液。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过拉力机构和密封舱准确模拟涡轮叶片在发动机工作中所处的高压环境和被施加机械载荷的环境，以及通过篦齿封严套管、蜂窝密封套管和密封组件进行密封，能够有效减少燃气向外的泄漏量，从而有效提高试验结果的可靠性和准确性，而且并且有效地对拉杆进行降温，从而延长拉杆的使用寿命，减少拉杆的更换次数，从而降低试验成本。

附图说明

图1为本发明一些实施例所涉及的用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统的结构示意图。

图2为本发明一些实施例所涉及的第二冷却通道的结构示意图。

图3为本发明一些实施例所涉及的用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统的另一结构示意图。

图4为本发明一些实施例所涉及的用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统的另一结构示意图。

图5为本发明一些实施例所涉及的第一冷却通道的结构示意图。

附图标记：1为拉杆，2为密封舱，3为待测试涡轮叶片，4为液冷装置，5为压力表，6为出入口，7为篦齿封严套管，8为第一冷却通道，9为密封垫圈，10为盖板，11为螺栓，12为拉力机主体，13为蜂窝密封套管，14为隔热层，15为散热结构，16为第二冷却通道，17为入水口，18为出水口，19为冷却套管，20为进水管。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

请参阅图1至图5，图中所示者为本发明所选用的实施例结构，此仅供说明之用，在专利申请上并不受此种结构的限制。

图1示出了本发明一些实施例的用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统的结构示意图。

本发明拉力密封系统包括拉力机构、密封舱2和密封套管结构；

所述拉力机构包括拉力机主体12以及作为拉力输出的拉杆1，所述拉杆1的自由端设有用于与待测试涡轮叶片3端部连接的连接部，所述拉杆1内部沿纵向设置第一冷却通道8；

所述密封舱2用于与为待测试涡轮叶片3提供高温燃气测试环境的液冷装置4外壁连接；所述密封舱2上设有用于被所述拉杆1贯穿的拉杆孔，所述液冷装置4对应所述拉杆孔的位置设有叶片贯穿通道；

所述拉杆1上套接有所述密封套管结构，所述密封套管结构下端用于与所述液冷装置4外壁连接，且覆盖所述叶片贯穿通道；所述拉杆1与所述密封舱2上的所述拉杆孔之间设置有密封组件。

在一些实施例中，所述密封舱2与所述液冷装置4的外壁的连接处设置有采用隔热材料制成的隔热层14，且与所述液冷装置4外壁完全贴合的侧面也是由隔热材料制成，目的是为了降低所述液冷装置4外壁向所述密封舱2内部的热辐射，从而有效降低所述密封舱2内部的温度。因为所述密封舱2为薄壁件，在高温条件下容易损坏，而所述液冷装置4虽然相对其内部高温燃气的温度要低很多，但温度仍然比较高，对所述密封舱2影响比较大。在另一些实施例中，如图2所示，所述隔热层14内部设置有第二冷却通道16，所述第二冷却通道16为网状通道，即所述第二冷却通道16将所述隔热层14分割成若干个矩形块，若干个矩形块之间的通道即为所述第二冷却通道16。

在一些实施例中，所述密封舱2为高压密封舱，其至少需要承受1-3MPa的压力。

在一些实施例中，所述密封舱2设置有用于检测所述密封舱2内部压力的压力表5。所述压力表5为高压压力表，至少能检测3MPa的压力，可以根据压力表5显示的压力将密封舱2内的压力调节到与高温燃气环境的压力保持动态平衡。密封舱2内的压力使其略大于燃气环境的压力，从而迫使密封舱2内的少量高压气体经过密封套管结构向燃气环境内流动而不会对温度场造成影响，或避免燃气环境内的高温燃气向外泄漏。在另一些实施例中，调节密封舱2内的压力可能会略小于燃气环境的压力，燃气环境内的少量高温燃气会经过密封套管结构向外泄漏到密封舱2内，然后会通过密封舱2上的出入口6与外部进行热交换并排出。

在一些实施例中，如图1所示，所述密封套管结构为篦齿封严套管7和蜂窝密封套管13，所述密封舱2与所述液冷装置4外壁连接，所述密封套管结构位于所述密封舱2内，所述拉杆1在所述密封舱2内的部分在外部从上往下依次套接所述蜂窝密封套管13和所述篦齿封严套管7，所述篦齿封严套管7一端与所述拉杆1穿出所述密封舱2的部位的内壁连接，另一端与所述蜂窝密封套管13连接，所述篦齿封严套管7下端与所述液冷装置4外壁连接，且覆盖所述叶片贯穿通道。

在一些实施例中，如图3所示，所述密封套管结构为篦齿封严套管7，所述密封舱2与篦齿封严套管7上端部连接，所述密封舱2与篦齿封严套管7之间设置有密封组件，所述篦齿封严套管7下端与所述液冷装置4外壁连接，且覆盖所述叶片贯穿通道。

在一些实施例中，如图4所示，所述密封套管结构为篦齿封严套管7和蜂窝密封套管13，所述密封舱2与蜂窝密封套管13上端部连接，所述密封舱2与蜂窝密封套管13之间设置有密封组件，所述篦齿封严套管7与所述蜂窝密封套管13连接，所述篦齿封严套管7下端与所述液冷装置4外壁连接，且覆盖所述叶片贯穿通道。

在一些实施例中，如图3和图4所示，所述密封套管结构外壁上设置有冷却套管19，所述冷却套管19部分为筒状结构，并套接在所述密封套管结构外壁上，该筒状结构的上端设置有出水口18，所述冷却套管19还有一部分紧贴在所述液冷装置4外壁上，且该部分的末端设置有入水口17，所述冷却套管19可以将所述密封套管结构内的燃气热量快速引走，能够有效对所述密封套管结构进行冷却。

在一些实施例中，如图5所示，所述第一冷却通道8为单通道，且通道内设置有进水管20，所述进水管20伸进所述第一冷却通道8底部，冷却空气或冷却液从所述进水管20进入到达所述第一冷却通道8底部，然后通过所述进水管20与所述第一冷却通道8之间的通道出去，从而对所述拉杆1进行冷却。

在一些实施例中，所述第一冷却通道8和所述第二冷却通道16中的冷却液可以采用水。用做冷却液的水可以为常温的水，也可以为制冷后接近零度的液态冷却水。在一些实施例中，所述第一冷却通道8和所述第二冷却通道16中的冷却液可以采用冰点比水更低的液体。在另一些实施例中，所述第一冷却通道8和所述第二冷却通道16中的冷却液采用机床冷却系统中常用的切削液。选用冷却液时需要考虑尽量低的冰点以及好的热交换能力。

在一些实施例中，所述第一冷却通道8和所述第二冷却通道16中的冷却空气可以采用常温下的空气，也可以采用制冷后接近零度的冷气。选用冷却空气时需要考虑尽量低的温度以及好的热交换能力。

在一些实施例中，所述密封舱2外壁设有散热结构15，散热结构15为环绕着所述密封舱2外壁的散热肋片。在另一些实施例中，散热结构15为环绕着所述密封舱2外壁的水冷结构，水冷结构内通有冷却水。当少量高温燃气泄漏到密封舱2内之后，散热结构15可以将热量快速地散去，从而避免密封舱2内温度明显升高。

在一些实施例中，所述篦齿封严套管7采用耐高温材料制作而成，至少需要承受1000K以上的高温。在另一些实施例中，所述篦齿封严套管7采用钛合金材料，也可以采用单晶材料，还可以采用GH3044材料，以及其他能够承受至少1000K甚至高达1200K左右的高温燃气的材料。

在一些实施例中，所述蜂窝密封套管13一端与所述密封舱2上侧的舱壁的内表面连接，另一端与所述篦齿封严套管7连接。

在一些实施例中，所述密封舱2的侧壁设置有出入口6，在所述出入口6通入高压气体，使得所述密封舱2内的气压高于所述待测试涡轮叶片3位于所述液冷装置4中的部分所在位置的气压。

在一些实施例中，密封组件包括密封垫圈9、盖板10和螺栓11，所述密封垫圈9设置在所述拉杆孔内，所述盖板10中间位置开设有与所述拉杆1相匹配的通孔，所述拉杆1插入所述通孔，所述盖板10与所述拉杆1紧密连接，所述盖板10向下压紧所述密封垫圈9后通过所述螺栓11与所述密封舱2上侧的舱壁连接。

在一些实施例中，所述第一冷却通道8呈U型，且其弯曲处靠近所述拉杆1用于与所述待测试涡轮叶片3连接的所述连接部。

在一些实施例中，所述蜂窝密封套管13的长度与所述篦齿封严套管7的长度之和小于所述密封舱2的上下内表面的垂直距离。

在一些实施例中，所述拉杆1垂直贯穿所述密封舱2。

在一些实施例中，所述拉杆1从所述拉杆孔沿着垂直于所述液冷装置4纵向的方向进入所述密封舱2然后通过其自由端的所述连接部与从所述液冷装置4上的所述叶片贯穿通道伸出的所述待测试涡轮叶片3的连接端部连接。

以上所述实施例是用以说明本发明，并非用以限制本发明，所以举例数值的变更或等效元件的置换仍应隶属本发明的范畴。

由以上详细说明，可使本领域普通技术人员明了本发明的确可达成前述目的，实已符合专利法的规定。

Claims (10)

1.一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统，其特征在于，包括拉力机构、密封舱(2)和密封套管结构；

所述拉力机构包括拉力机主体(12)以及作为拉力输出的拉杆(1)，所述拉杆(1)的自由端设有用于与待测试涡轮叶片(3)端部连接的连接部，所述拉杆(1)内部沿纵向设置第一冷却通道(8)；

所述密封舱(2)用于与为待测试涡轮叶片(3)提供高温燃气测试环境的液冷装置(4)外壁连接；所述密封舱(2)上设有用于被所述拉杆(1)贯穿的拉杆孔，所述液冷装置(4)对应所述拉杆孔的位置设有叶片贯穿通道；

所述拉杆(1)上套接有所述密封套管结构，所述密封套管结构下端用于与所述液冷装置(4)外壁连接，且覆盖所述叶片贯穿通道；所述拉杆(1)与所述密封舱(2)上的所述拉杆孔之间设置有密封组件。

2.如权利要求1所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统，其特征在于，所述密封套管结构为篦齿封严套管(7)，所述篦齿封严套管(7)下端与所述液冷装置(4)外壁连接，且覆盖所述叶片贯穿通道。

3.如权利要求1所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统，其特征在于，所述密封套管结构为篦齿封严套管(7)和蜂窝密封套管(13)，所述篦齿封严套管(7)与所述蜂窝密封套管(13)连接，所述篦齿封严套管(7)下端与所述液冷装置(4)外壁连接，且覆盖所述叶片贯穿通道。

4.如权利要求3所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统，其特征在于，所述密封舱(2)与所述液冷装置(4)外壁连接时，所述密封套管结构位于所述密封舱(2)内，所述拉杆(1)在所述密封舱(2)内的部分在外部从上往下依次套接所述蜂窝密封套管(13)和所述篦齿封严套管(7)，所述篦齿封严套管(7)一端与所述拉杆(1)穿出所述密封舱(2)的部位的内壁连接，另一端与所述蜂窝密封套管(13)连接。

5.如权利要求1所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统，其特征在于，所述密封舱(2)用于与所述液冷装置(4)外壁连接的壁采用隔热材料。

6.如权利要求1或5所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统，其特征在于，所述密封舱(2)用于与所述液冷装置(4)外壁连接的壁内部设置有第二冷却通道(16)。

7.如权利要求6所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统，其特征在于，第一冷却通道(8)和第二冷却通道(16)均用于通入冷却空气或冷却液。

8.如权利要求1所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统，其特征在于，所述第一冷却通道(8)呈U型，且其弯曲处靠近所述拉杆(1)用于与所述待测试涡轮叶片(3)连接的所述连接部。

9.如权利要求1所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统，其特征在于，所述拉杆(1)垂直贯穿所述密封舱(2)，所述密封舱(2)设置有用于检测所述密封舱(2)内部压力的压力表(5)。

10.如权利要求1所述的一种用于叶片热机耦合疲劳试验的拉杆密封系统，其特征在于，所述密封舱(2)的侧壁设置有出入口(6)，所述密封舱(2)外壁设有散热结构(15)。

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