CN112903276A - 一种开放式涡轮叶片试验设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开放式涡轮叶片试验设备，包括拉瓦尔喷管、燃气引射器和工作台；拉瓦尔喷管前端用于与燃烧室的燃气出口连接，后端用于为其正后方的待测试涡轮叶片提供燃气测试环境；燃气引射器用于安装在拉瓦尔喷管正后方，待测试涡轮叶片在燃气引射器与拉瓦尔喷管之间，拉瓦尔喷管喷出的燃气经过待测试涡轮叶片后进入燃气引射器；燃气引射器的外壁和/或壁内部设置有水冷结构，燃气引射器内部在燃气流动方向上从前到后依次设置有喷淋装置和引射风扇；待测试涡轮叶片下方设置有工作台。本发明在燃气加热装置的基础上提出开放式改进方案，模拟涡轮叶片的真实工作环境，以解决涡轮叶片机械载荷加载、温度场和热变形的测试问题。

Description

一种开放式涡轮叶片试验设备

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，更具体地涉及一种开放式涡轮叶片试验设备。一种开放式涡轮叶片试验设备。

背景技术

航空发动机的涡轮叶片热机械疲劳(TMF)故障是航空发动机服役期间最主要的失效类型，严重影响航空发动机运行的可靠性。涡轮叶片热机耦合疲劳测试是发动机设计研发中重要的论证性试验，测试结果是涡轮叶片结构定型的重要依据。在热机耦合条件下测试涡轮叶片的可靠性，需要涡轮叶片的测试环境与真实发动机的工作环境具有高度的相似性。

目前，燃气涡轮叶片的热疲劳测试大多采用燃气加热，加热装置采用密闭结构，试验段外壳为水冷结构。这种设计使机械力的加载变得非常困难，且难以实现工作叶片温度场的测量。因此，已经很难满足现代航空发动多场耦合加载疲劳测试的需求。

申请号为CN201110460131.4的中国发明专利申请披露了一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统。该试验系统采取叶片在静止条件下通过高温夹具夹持叶片，由疲劳试验机提供拉力载荷，由高频感应加热炉提供温度载荷进行叶片热机械疲劳试验。该试验系统存在的问题是：高频电感应加热所形成的叶片温度场与真实燃气环境存在巨大差异，温度场模拟的准确性不高，从而影响实验结果的准确性。

申请号为CN201810061760.1的中国发明专利申请披露了一种涡轮叶片热机械疲劳试验系统。该系统为通过轮盘旋转和高频感应加热方法模拟涡轮叶片实际运行过程中所受离心载荷和温度载荷的涡轮叶片热机械疲劳试验装置，该试验由于其电加热装置被固定在轮盘上，在试验过程中难以保障高频电加热系统不位移，不变形，因此叶片表面的温度会随着转速的变化产生较大变化，叶片的加热范围和温度难以准确模拟，此外叶片旋转过程中的疲劳参数测量也具有较大难度，因此于实际发动机环境存在较大差别，同样影响试验结果的准确性。

因此，有必要提供一种开放式涡轮叶片试验设备，以克服上述问题。

发明内容

本发明提供了一种开放式涡轮叶片试验设备，在燃气加热装置的基础上提出开放式改进方案，以解决解决涡轮叶片机械载荷加载、温度场和热变形的测试问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种开放式涡轮叶片试验设备，包括拉瓦尔喷管、燃气引射器和工作台；

所述拉瓦尔喷管前端用于与燃烧室的燃气出口连接，后端用于为其正后方的待测试涡轮叶片提供燃气测试环境；

所述燃气引射器用于安装在所述拉瓦尔喷管正后方，所述待测试涡轮叶片在所述燃气引射器与所述拉瓦尔喷管之间，所述拉瓦尔喷管喷出的燃气经过所述待测试涡轮叶片后进入所述燃气引射器；

所述燃气引射器的外壁和/或壁内部设置有水冷结构，所述燃气引射器内部在燃气流动方向上从前到后依次设置有喷淋装置和引射风扇；

所述待测试涡轮叶片下方设置有所述工作台。

作为优选，所述工作台用于与直线运动装置连接并在所述直线运动装置的驱动下沿着所述拉瓦尔喷管纵向的方向上移动。

作为优选，所述燃气引射器前半段为收缩段，后半段为直段。设置收缩段的目的在于，将燃气尽可能地通过燃气引射器进行冷却降温然后排出，减小对外部环境的影响。

作为优选，所述燃气引射器内壁面采用GH3044材料制成，外壁面采用不锈钢制成。

作为优选，所述开放式涡轮叶片试验设备还包括拉力机构，所述拉力机构用于向待测试涡轮叶片施加机械载荷，所述拉力机构包括拉力机主体以及用于拉力输出的拉杆，所述拉杆的自由端设有用于与所述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冷却通道。

作为优选，所述拉力机构附近安装有红外成像仪和DIC非接触应变测量系统，所述红外成像仪和所述DIC非接触应变测量系统用于对所述待测试涡轮叶片进行动态温度信号和应变信号的测量。

其中，本发明由于是开放式环境，红外成像仪和DIC非接触应变测量系统才能够不受影响地进行测量，与传统的密封环境中通过燃气加热手段进行测量相比，具有测量便利、安装调试方便、变换测量位置方便、不影响燃气环境的优势。

本发明通过红外摄像仪测试涡轮叶片整场温度分布，将结果与实际发动机工作过程中涡轮叶片的温度分布(通过其他方式获得)进行对比，通过调节叶片位置、燃气流量和燃气温度，就可以得到与实际航空发动机涡轮叶片温度分布相近的叶片测试温度。

本发明有利于温度的测量，有利于应变的测量，进行这些测量可以为涡轮叶片的热机耦合疲劳寿命预测提供基础的实验数据。

本发明由于采用了拉瓦尔喷管可以有效的提供超音速燃气环境，拉瓦尔喷管与大功率引射器配合使用可以提供与真实发动机相似的高温、高压燃气环境，既满足了热机耦合疲劳实验所需的叶珊气动环境，又有效地降低了实验装置的复杂性，提高了涡轮叶片热机耦合测试的测量精度和测量水平。

本发明由于采用了红外摄像仪，可以在测量叶片动态温度的同时，还可以完整地建立叶片表面的温度场。

本发明由于采用了DIC非接触测量系统可以在测量叶片动态热应变的同时，测量叶片表面的应变分布，有利于快速发现叶片上的应变集中，从而找到叶片的设计缺陷。

本发明的红外摄像仪与DIC非接触测量系统配合使用可以提供温度应变耦合测量能力，该测量结果可以作为涡轮叶片寿命预测的基础，对涡轮叶片的热机耦合疲劳寿命预测起到关键作用。

作为优选，所述冷却通道呈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，所述冷却通道用于通入冷却空气或冷却液。

作为优选，所述工作台上设置有承力支座，所述工作台通过所述承力支座与所述待测试涡轮叶片支撑连接。

作为优选，所述承力支座通过螺栓与所述工作台固定连接。

作为优选，所述承力支座设置有榫头连接器，所述榫头连接器用于对所述待测试涡轮叶片的榫头进行固定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用开放式测试环境来模拟涡轮叶片的真实工作环境，可以避免试验段出现热疲劳和热损耗现象，最大化的节约测试成本。

2、通过拉力机构准确模拟涡轮叶片在工作中所处的被施加机械载荷的环境；通过拉瓦尔喷管和燃气引射器准确模拟涡轮叶片在工作中所处的燃气环境，采用拉瓦尔喷管可以提供高温、高压和高马赫数的燃气冲击环境，该环节与涡轮叶片的实际工作环节相近。待测涡轮叶片安装越接近拉瓦尔喷管出口的位置，就越接近待测试涡轮叶片在工作过程中所处真实环境，这样做的好处是可以避免超音速燃气形成的马赫环对测试结果产生较大影响。

3、通过喷淋装置可快速降低高温燃气的温度，喷淋装置与大功率引射风扇配合可以使高温燃气完全包裹涡轮叶片，最后通过引射器排出试验室外。喷淋装置与风扇组合系统既可以保证风扇的工作效率，又可以避免转速过大、温度过高导致风扇结构破坏。引射器与拉瓦尔喷管配合工作，从而使涡轮叶片周围形成高温、高压(动压)和高马赫数燃气环境，保证了热机疲劳测试中涡轮叶片温度场的加载与实际发动机工作环境接近。通过疲劳试验机拉杆与高温燃气的协同加载达到涡轮叶片热机耦合疲劳测试的效果。

4、通过冷却通道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开放式涡轮叶片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承力支座与榫头连接器的连接示意图。

图3为本发明一些实施例所涉及的冷却通道的结构示意图。

图4为本发明一些实施例所涉及的引射风扇的结构示意图。

附图标记：1为燃烧室，2为拉瓦尔喷管，3为进水管，4为拉力机构，41为拉力机主体，42为拉杆，43为冷却通道，5为水冷结构，6为喷淋装置，7为引射风扇，8为燃气引射器，9为待测试涡轮叶片，91为承力支座，92为榫头连接器，10为工作台，11为冷却气体管道。

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开放式涡轮叶片试验设备的结构示意图。

一种开放式涡轮叶片试验设备，包括拉瓦尔喷管2、燃气引射器8和工作台10。

所述拉瓦尔喷管2前端用于与燃烧室1的燃气出口连接，后端用于为其正后方的待测试涡轮叶片9提供燃气测试环境；

所述燃气引射器8用于安装在所述拉瓦尔喷管2正后方，所述待测试涡轮叶片9在所述燃气引射器8与所述拉瓦尔喷管2之间，所述拉瓦尔喷管2喷出的燃气经过所述待测试涡轮叶片9后进入所述燃气引射器8；

所述燃气引射器8的外壁和/或壁内部设置有水冷结构5，所述燃气引射器8内部在燃气流动方向上从前到后依次设置有喷淋装置6和引射风扇7；

所述待测试涡轮叶片9下方设置有所述工作台10。

在一些实施例中，所述拉瓦尔喷管2的外壁和/或壁内部设置有水冷结构5。

在一些实施例中，所述工作台10用于与直线运动装置连接并在所述直线运动装置的驱动下沿着所述拉瓦尔喷管2纵向的方向上移动，从而使得不同级数的所述待测试涡轮叶片9都可以通过本发明设备进行试验。

在一些实施例中，所述引射风扇7为离心式风扇，如图4所示，其轴是隐藏的，不会接触燃气，只有叶片会接触燃气，从而可以适应高温燃气环境，叶片材料为高温合金或钛合金。

在一些实施例中，所述开放式涡轮叶片试验设备还包括拉力机构4，所述拉力机构4用于向待测试涡轮叶片9施加机械载荷，所述拉力机构4包括拉力机主体41以及用于拉力输出的拉杆42，所述拉杆42的自由端设有用于与所述待测试涡轮叶片9端部连接的连接部，所述拉杆42内部沿纵向设置冷却通道43。

在一些实施例中，所述工作台10在所述直线运动装置的驱动下带动所述待测试涡轮叶片9在燃气环境中移动。在另一些实施例中，所述待测试涡轮叶片9上端连接有所述拉力机构4，下端连接有所述工作台10，所述拉力机构4和所述工作台10对所述待测试涡轮叶片9进行拉力试验。

在一些实施例中，所述燃气引射器8前半段为收缩段，后半段为直段。设置收缩段的目的在于，将燃气尽可能地通过所述燃气引射器8进行冷却降温然后排出，减小对外部环境的影响。

在一些实施例中，所述燃气引射器8内壁面采用GH3044材料制成，外壁面采用不锈钢制成。最大耐受温度可超过2500K。所设计的所述引射器结构与传统发动机试车台内采用的大直径(2-3m直径)的引射器不同，所述引射器的直径仅为100-300mm。由于所述引射器尺寸较小，可以很方便的为所述引射器加工所述水冷结构5结构，利用所述水冷结构5可以有效的为所述引射器壁面降温，增加所述引射器的耐热性能。

在一些实施例中，所述拉力机构4附近安装有红外成像仪和DIC非接触应变测量系统，所述红外成像仪和所述DIC非接触应变测量系统用于对所述待测试涡轮叶片9进行动态温度信号和应变信号的测量。为后续疲劳模型的建立提供测量数据支撑。

在一些实施例中，所述冷却通道43呈U型，且其弯曲处靠近所述拉杆42用于与所述待测试涡轮叶片9连接的所述连接部。

在另一些实施例中，如图3所示，所述冷却通道43为单通道，且通道内设置有进水管3，所述进水管3伸进所述冷却通道43底部，冷却空气或冷却液从所述进水管3进入到达所述冷却通道43底部，然后通过所述进水管3与所述冷却通道43之间的通道出去，从而对所述拉杆42进行冷却。

在一些实施例中，所述冷却通道43用于通入冷却空气或冷却液。

在一些实施例中，所述冷却通道43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，所述冷却通道43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，所述冷却通道43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热交换能力。

在一些实施例中，所述工作台10上设置有承力支座91，所述工作台10通过所述承力支座91与所述待测试涡轮叶片9支撑连接。

在一些实施例中，所述承力支座91通过螺栓与所述工作台10固定连接。

在一些实施例中，所述承力支座91设置有榫头连接器92，所述榫头连接器92用于对所述待测试涡轮叶片9的榫头进行固定。

在一些实施例中，如图2所示，所述承力支座91为组合式支座，至少分为两部分进行组合，所述承力支座91将所述榫头连接器92夹在中间，且所述承力支座91内面向所述榫头连接器92的侧壁开设有凹槽，所述榫头连接器92在所述凹槽相对应的位置设置有与所述凹槽相匹配的凸块，所述凸块卡入所述凹槽，以使榫头连接器92、所述承力支座91和所述工作台10整体更好地承受所述测试涡轮叶片9的拉力，而且能在水平方向上对所述测试涡轮叶片9进行限位，减少所述测试涡轮叶片9的晃动，从而提高测试的准确性。

在一些实施例中，所述承力支座91为工字型支座。

在一些实施例中，所述承力支座91与所述工作台10之间设置有垫圈。

在一些实施例中，所述承力支座91设置有冷却气体管道11，冷却气体管道11用于从外部供气装置引入气体对所述待测试涡轮叶片9内部进行气冷并在所述待测试涡轮叶片9表面形成气膜。

在一些实施例中，冷却气体管道11从所述工作台10底部依次贯穿所述工作台10、所述承力支座91和所述榫头连接器92与所述待测试涡轮叶片9连接。

在一些实施例中，所述直线运动装置为液压油缸。

在一些实施例中，所述拉力机构4通过固定装置(图中未示出)安装在地面，以使所述拉力机构4能够对所述待测试涡轮叶片9施加机械载荷。在另一些实施例中，所述拉力机构4用于悬挂安装在实验室内的横梁上。

在一些实施例中，所述工作台10和所述拉力机构4设置有凹槽，所述工作台10的外侧设置有滑动机构，所述滑动机构设置有滑块，所述滑块与所述凹槽相匹配，以使所述滑动机构带动所述工作台10沿平行于燃气流动方向的直线上前后移动。

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)

1.一种开放式涡轮叶片试验设备，其特征在于，包括拉瓦尔喷管(2)、燃气引射器(8)和工作台(10)；

所述拉瓦尔喷管(2)前端用于与燃烧室(1)的燃气出口连接，后端用于为其正后方的待测试涡轮叶片(9)提供燃气测试环境；

所述燃气引射器(8)用于安装在所述拉瓦尔喷管(2)正后方，所述待测试涡轮叶片(9)在所述燃气引射器(8)与所述拉瓦尔喷管(2)之间，所述拉瓦尔喷管(2)喷出的燃气经过所述待测试涡轮叶片(9)后进入所述燃气引射器(8)；

所述燃气引射器(8)的外壁和/或壁内部设置有水冷结构(5)，所述燃气引射器(8)内部在燃气流动方向上从前到后依次设置有喷淋装置(6)和引射风扇(7)；

所述待测试涡轮叶片(9)下方设置有所述工作台(10)。

2.如权利要求1所述的一种开放式涡轮叶片试验设备，其特征在于，所述燃气引射器(8)前半段为收缩段，后半段为直段。

3.如权利要求1所述的一种开放式涡轮叶片试验设备，其特征在于，所述燃气引射器(8)内壁面采用GH3044材料制成，外壁面采用不锈钢制成。

4.如权利要求1所述的一种开放式涡轮叶片试验设备，其特征在于，所述开放式涡轮叶片试验设备还包括拉力机构(4)，所述拉力机构(4)用于向待测试涡轮叶片(9)施加机械载荷，所述拉力机构(4)包括拉力机主体(41)以及用于拉力输出的拉杆(42)，所述拉杆(42)的自由端设有用于与所述待测试涡轮叶片(9)端部连接的连接部，所述拉杆(42)内部沿纵向设置冷却通道(43)。

5.如权利要求4所述的一种开放式涡轮叶片试验设备，其特征在于，所述拉力机构(4)附近安装有红外成像仪和DIC非接触应变测量系统，所述红外成像仪和所述DIC非接触应变测量系统用于对所述待测试涡轮叶片(9)进行动态温度信号和应变信号的测量。

6.如权利要求4所述的一种开放式涡轮叶片试验设备，其特征在于，所述冷却通道(43)呈U型，且其弯曲处靠近所述拉杆(42)用于与所述待测试涡轮叶片(9)连接的所述连接部。

7.如权利要求6所述的一种开放式涡轮叶片试验设备，其特征在于，所述冷却通道(43)用于通入冷却空气或冷却液。

8.如权利要求1所述的一种开放式涡轮叶片试验设备，其特征在于，所述工作台(10)上设置有承力支座，所述工作台(10)通过所述承力支座与所述待测试涡轮叶片(9)支撑连接。

9.如权利要求8所述的一种开放式涡轮叶片试验设备，其特征在于，所述承力支座(91)通过螺栓与所述工作台(10)固定连接。

10.如权利要求9所述的一种开放式涡轮叶片试验设备，其特征在于，所述承力支座(91)设置有榫头连接器(92)，所述榫头连接器(92)用于对所述待测试涡轮叶片(9)的榫头进行固定。

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