CN112903274B - 一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备，包括工作台、承力机构、液冷壁、连接机构、测温机构和测压机构；所述液冷壁为双层的筒形结构，所述液冷壁的两层壁面之间开设用于待测试涡轮叶片进出筒内外的贯穿通道；所述连接机构用于对所述待测试涡轮叶片的榫头进行固定，且所述连接机构上开设与所述待测试涡轮叶片的所述榫头上的冷却气道入口对应的气冷通道；所述承力机构一端与所述连接机构连接，另一端与所述工作台连接；所述测温机构和所述测压机构分别用于检测所述液冷壁筒内在燃气通过时的温度和压力。本发明可以准确模拟涡轮叶片在发动机工作中所处的温度场以及模拟涡轮叶片内部的冷却气流在温度场中形成的气膜状态。

Description

一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，更具体地涉及一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备。

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，但由于电加热方法难以准确的模拟涡轮叶片在实际发动机工作中所处于的温度场，其试验结果的可靠性和准确性难以得到进一步的提升。因此，有必要提供一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备，以克服上述问题。

发明内容

本发明提供了一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备，以解决由于电加热方法难以准确模拟涡轮叶片在实际发动机工作中所处于的温度场，其试验结果的可靠性和准确性难以得到进一步提升的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备，包括工作台、承力机构、液冷壁、连接机构、测温机构和测压机构；所述液冷壁为双层的筒形结构，所述液冷壁的前端用于与燃烧室出口连接且在所述前端的外层壁上开设至少一圈进液孔，所述液冷壁的后端用于与排气装置连接且在所述后端外层壁上开设至少一圈出液孔，所述液冷壁的两层壁面之间开设用于待测试涡轮叶片进出筒内外的贯穿通道；所述连接机构用于对所述待测试涡轮叶片的榫头进行固定，且所述连接机构上开设与所述待测试涡轮叶片的所述榫头上的冷却气道入口对应的气冷通道，以便于从外部供气装置引入气体对所述待测试涡轮叶片内部进行气冷并在所述待测试涡轮叶片表面形成气膜；所述承力机构一端与所述连接机构连接，另一端与所述工作台连接；所述测温机构和所述测压机构分别用于检测所述液冷壁筒内在燃气通过时的温度和压力。

所述燃烧室用于专门为本试验设备提供温度在1500K以上的高温燃气，甚至可以高达2000K，并通过对燃气温度的调节，实现对所述待测试涡轮叶片的温度循环载荷。在本发明方案中，所述高温燃气特指1500K以上的燃气。

作为优选，所述液冷壁的内壁面采用高温合金板焊接制成，且所述液冷壁的外壁面为不锈钢套，所述不锈钢套与所述高温合金板之间设有夹层，所述夹层内通有用于冷却的冷却液。所述液冷壁的内壁将与高温燃气直接接触。

作为优选，所述连接机构与所述承力机构可拆卸连接。

作为优选，所述承力机构与所述液冷壁之间设置有密封垫圈。所述密封垫圈与所述液冷壁的外壁直接接触，需要承受的温度范围在500K-1000K。

作为优选，液冷壁前端用于通过法兰与燃烧室出口连接并接收高温燃气，液冷壁后端用于通过法兰与所述排气装置的排气管连接并引走高温燃气。

作为优选，所述液冷壁筒内通入燃气的方向与所述液冷壁的所述夹层通入冷却液的方向相同。

作为优选，所述液冷壁内部设引流结构或扰流柱。

作为优选，所述测温机构为热电偶，所述测压机构为压力管。

作为优选，所述工作台用于与直线运动装置连接并可在所述直线运动装置的驱动下带动所述待测试涡轮叶片垂直于所述液冷壁纵向的方向上移动，甚至可以进出所述液冷壁的筒内外。

作为优选，所述待测试涡轮叶片的表面设置有用于检测所述待测试涡轮叶片表面温度的细丝热电偶。

作为优选，所述细丝热电偶用于填埋式安装在所述待测试涡轮叶片上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过燃气方式准确模拟涡轮叶片在发动机工作中所处的温度场以及模拟涡轮叶片内部的冷却气流在温度场中形成的气膜状态。

附图说明

图1为本发明一些实施例所涉及的叶片温度循环载荷试验设备的结构示意图。

图2为本发明一些实施例所涉及的液冷壁内部的引流结构。

图3为本发明一些实施例所涉及的密封垫圈的结构示意图。

图4为本发明一些实施例所涉及的密封垫圈的另一结构示意图。

附图标记：1为工作台，2为直线运动装置，3为连接机构，4为待测试涡轮叶片，5为承力机构，6为测压机构，7为细丝热电偶，8为测温机构，9为引线管，10为气冷通道，11为偶丝，12为密封垫圈，13为液冷壁，14为硬质层，15为软质层。

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4，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叶片温度循环载荷试验设备的结构示意图。

本发明试验设备包括工作台1、承力机构5、液冷壁13、连接机构3、测温机构8和测压机构6。

在一些实施例中，所述液冷壁13为双层的筒形结构，所述液冷壁13的前端用于与燃烧室出口连接且在所述前端的外层壁上开设至少一圈进液孔，所述液冷壁13的后端用于与排气装置连接且在所述后端外层壁上开设至少一圈出液孔，所述液冷壁13的两层壁面之间开设用于待测试涡轮叶片4进出筒内外的贯穿通道。

在一些实施例中，所述液冷壁13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，所述液冷壁13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，所述液冷壁13中的冷却液采用机床冷却系统中常用的切削液。选用冷却液时的需要考虑尽量低的冰点以及热交换能力。

在一些实施例中，所述液冷壁13的内壁面采用高温合金板焊接制成。所述高温合金板可以采用钛合金材料，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，所述液冷壁13的外壁面为不锈钢套。由于液冷壁13的外壁面一方面不与高温燃气直接接触，另一方面与外部空气环境接触，因此，只需要能够承受其内部冷却液被高温燃气加热之后的温度即可。

在一些实施例中，所述不锈钢套与所述高温合金板之间设有夹层，所述夹层内通有用于冷却的冷却液。在另一些实施例中，所述液冷壁13内部设引流结构，可延长冷却液在液冷壁13内的流动路径和流动时间，以实现充分换热，尽量多地对液冷壁13进行降温。例如，如图2所示的引流结构，在液冷壁13内部形成若干与液冷壁13纵向平行的流体通道且各流体通道之间收首尾顺序连通，冷却液从最内侧的流体通道流入，从最外侧的流体通道流出。

在一些实施例中，液冷壁13前端用于通过法兰与燃烧室出口连接并接收高温燃气，液冷壁13后端用于通过法兰与所述排气装置的排气管连接并引走高温燃气。

在一些实施例中，所述液冷壁13筒内通入燃气的方向与所述液冷壁13的所述夹层通入冷却液的方向相反。在另一些实施例中，所述液冷壁13筒内通入燃气的方向与所述液冷壁13的所述夹层通入冷却液的方向相同。

在一些实施例中，所述液冷壁13内的冷却液的流速与所述夹层内的冷却液的流速不相同，燃气温度越高，冷却液的流速就越大，燃气温度越低，冷却液的流速可以越低，以加强充分换热。

在一些实施例中，所述连接机构3用于对所述待测试涡轮叶片4的榫头进行固定，且所述连接机构3上开设与所述待测试涡轮叶片4的所述榫头上的冷却气道入口对应的气冷通道10，以便于从外部供气装置引入气体对所述待测试涡轮叶片4内部进行气冷并在所述待测试涡轮叶片4表面形成气膜。

在一些实施例中，所述承力机构5一端与所述连接机构3连接，另一端与所述工作台1连接。所述连接机构3可以更换。在一些实施例中，所述承力机构5与所述液冷壁13之间设置有密封垫圈12。在一些实施例中，所述连接机构3与所述承力机构5可拆卸连接。

在一些实施例中，所述密封垫圈12为单层结构的密封垫圈。在另一些实施例中，如图3所示，所述密封垫圈12为双层结构的密封垫圈，双层结构：一层为硬质层14，另一层为软质层15，双层结构满足直线运动的微调以及弹性密封要求，所述软质层15可以为波纹状结构。在另一些实施例中，如图4所示，所述密封垫圈12为三层结构的密封垫圈，三层结构：中间层为软质层15，上下层为硬质层14，三层结构使得所述密封垫圈12具备良好的弹性，适应直线运动的微调以及弹性密封。上、下层的硬质层14之间可以通过限位结构进行横向限位以防止二者发生错位。所述硬质层14的材料可以采用如镍合金(镍合金铸铁)、硬质合金(含钻、铬和钦的合金)等；所述软质层15可以采用如弹性钢片重叠结构。

在一些实施例中，所述直线运动装置2包括直线粗调运动装置和直线微调运动装置，所述工作台1用于与所述直线粗调运动装置连接并可在所述直线粗调运动装置的驱动下带动所述待测试涡轮叶片4垂直于所述液冷壁13纵向的方向上进出所述液冷壁13的筒内外。所述直线微调运动装置一端与所述工作台1连接，另一端与所述承力机构5连接，用于对所述待测试涡轮叶片4的位置进行微调。

所述直线微调运动装置可以在温度循环载荷试验中实时调整所述待测试涡轮叶片4的位置，以便模拟真实涡轮叶片的叶尖流动情况，例如，不同位置或不同发动机型号的涡轮叶片的叶尖与发动机上机匣之间的不同间隙，并且，在高温环境下叶片也会发生蠕变，从而使叶尖与机匣之间的间隙产生变化。间隙越大，叶片就越安全，但是间隙又不宜过大，否则涡轮做功效率就低。通过所述直线微调运动装置可以调整不同次试验或者同次试验中涡轮叶片的叶尖间隙，可以模拟涡轮叶片的间隙泄漏对叶片寿命的影响。

在一些实施例中，所述直线粗调运动装置为液压缸。

在一些实施例中，所述测温机构8和所述测压机构6分别用于检测所述液冷壁13筒内在燃气通过时的温度和压力。

在一些实施例中，所述测温机构8为热电偶。

在一些实施例中，所述测压机构6为压力管。

在一些实施例中，所述待测试涡轮叶片4的表面设置有用于检测所述待测试涡轮叶片4表面温度的细丝热电偶7。

在一些实施例中，所述细丝热电偶7用于填埋式安装在所述待测试涡轮叶片4上。

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，现提出专利申请。

Claims (9)

1.一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备，其特征在于，包括工作台（1）、承力机构（5）、液冷壁（13）、连接机构（3）、测温机构（8）和测压机构（6）；

所述液冷壁（13）为双层的筒形结构，所述液冷壁（13）的前端用于与燃烧室出口连接且在所述前端的外层壁上开设至少一圈进液孔，所述液冷壁（13）的后端用于与排气装置连接且在所述后端的外层壁上开设至少一圈出液孔，所述液冷壁（13）的两层壁面之间开设用于待测试涡轮叶片（4）进出筒内外的贯穿通道；

所述连接机构（3）用于对所述待测试涡轮叶片（4）的榫头进行固定，且所述连接机构（3）上开设与所述待测试涡轮叶片（4）的所述榫头上的冷却气道入口对应的气冷通道（10），以便于从外部供气装置引入气体对所述待测试涡轮叶片（4）内部进行气冷并在所述待测试涡轮叶片（4）表面形成气膜；

所述承力机构（5）一端与所述连接机构（3）连接，另一端与所述工作台（1）连接，所述承力机构（5）与所述液冷壁（13）之间设置有密封垫圈（12），所述密封垫圈（12）为三层结构的密封垫圈，其中，中间层为软质层（15），上、下层为硬质层（14），所述上、下层的硬质层（14）之间通过限位结构进行横向限位；

所述测温机构（8）和所述测压机构（6）分别用于检测所述液冷壁（13）筒内在燃气通过时的温度和压力。

2.如权利要求1所述的一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备，其特征在于，所述液冷壁（13）的内壁面采用高温合金板焊接制成，且所述液冷壁（13）的外壁面为不锈钢套，所述不锈钢套与所述高温合金板之间设有夹层，所述夹层内通有用于冷却的冷却液。

3.如权利要求1所述的一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备，其特征在于，所述连接机构（3）与所述承力机构（5）可拆卸连接。

4.如权利要求1所述的一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备，其特征在于，所述液冷壁（13）前端用于通过法兰与燃烧室出口连接并接收高温燃气，液冷壁（13）后端用于通过法兰与所述排气装置的排气管连接并引走高温燃气。

5.如权利要求2所述的一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备，其特征在于，所述液冷壁（13）筒内通入燃气的方向与所述液冷壁（13）的所述夹层通入冷却液的方向相同。

6.如权利要求1所述的一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备，其特征在于，所述工作台（1）用于与直线运动装置（2）连接并可在所述直线运动装置（2）的驱动下带动所述待测试涡轮叶片（4）垂直于所述液冷壁（13）纵向的方向上移动。

7.如权利要求1所述的一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备，其特征在于，所述液冷壁（13）内部设引流结构。

8.如权利要求1所述的一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备，其特征在于，所述待测试涡轮叶片（4）的表面设置有用于检测所述待测试涡轮叶片（4）表面温度的细丝热电偶（7）。

9.如权利要求8所述的一种涡轮叶片温度循环载荷试验设备，其特征在于，所述细丝热电偶（7）用于填埋式安装在所述待测试涡轮叶片（4）上 。

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