CN112903487A - 多孔层板带温度梯度的热疲劳试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多孔层板带温度梯度的热疲劳试验系统，热疲劳试验系统包括：固定装置、加热装置、冷却装置、第一测温装置、第二测温装置和控制器；控制器被配置为输出加热信息与冷却信息，加热装置根据加热信息对多孔层板的第一面进行加热，冷却装置根据冷却信息对多孔层板的第二面进行冷却，以使多孔层板的第一面与第二面形成温差；控制器被配置为能够获取第一测温装置测量的第一温度，当第一温度达到预设值，控制器向加热装置输出保温信息，加热装置根据保温信息使多孔层板的第一面的温度维持在预设值并持续预设时间；在达到预设时间后，控制器输出降温信息，冷却装置根据降温信息将多孔层板冷却至第一预设温度。

Description

多孔层板带温度梯度的热疲劳试验系统

技术领域

本发明涉及多孔层板疲劳试验技术领域，具体而言，涉及一种多孔层板带温度梯度的热疲劳试验系统。

背景技术

航空发动机推重比是衡量飞机整体性能的关键指标，世界各国都在加速研究航空发动机的推重比。随着航空发动机推动比的提高，高温升、高热熔燃烧室壁面的强化冷却面临十分突出的矛盾。燃烧室温度升高会导致参与燃烧的空气质量增加，用于冷却燃烧室壁面的空气质量减少，且冷却的温度升高，冷却潜力下降。

为了改善燃烧室的热负荷问题，目前主要有两种方法，一方面研究耐高温材料，另一方面研究高冷却效率的冷却结构，降低火焰筒壁面的温度，使得火焰筒的最高壁面温度和温度梯度均控制在材料允许范围，因此，为了保障燃烧室热端部件在高温下持续可靠稳定地工作，进而延长火焰筒的寿命，诸如多孔层板先进的复合冷却构是航空发动机火焰筒的一个研究方向。而冷热循环加载是火焰筒遭受破坏的重要载荷形式，原因是多孔层板结构的火焰筒在冷热循环过程中局部会产生较高的热应力，导致结构破坏失效，因此有必要研究其在热疲劳应力作用下的失效过程和破坏机理。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种多孔层板带温度梯度的热疲劳试验系统，实现了多孔层板带温度梯度的热疲劳试验。

本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种多孔层板带温度梯度的热疲劳试验系统，该热疲劳试验系统包括：

固定装置，被配置夹持多孔层板，所述多孔层板包括相背的第一面和第二面；

加热装置，设于所述固定装置的一侧，所述加热装置被配置为对所述多孔层板的所述第一面进行加热；

冷却装置，设于所述固定装置背离所述加热装置的一侧，所述冷却装置被配置为对所述多孔层板的所述第二面进行冷却；

第一测温装置，设于所述固定装置的一侧，所述第一测温装置被配置为对所述多孔层板的所述第一面进行测温；

第二测温装置，设于所述固定装置背离所述加热装置的一侧，所述第二测温装置被配置为对所述多孔层板的所述第二面进行测温；

控制器，与所述加热装置、所述冷却装置及所述第一测温装置连接，并被配置为控制所述加热装置、所述冷却装置及所述第一测温装置对所述多孔层板进行预设次数的热疲劳试验循环；在一次所述热疲劳试验循中，所述控制器被配置为输出加热信息与冷却信息，所述加热装置根据所述加热信息对所述多孔层板的第一面进行加热，所述冷却装置根据所述冷却信息对所述多孔层板的第二面进行冷却，以使所述多孔层板的第一面与第二面形成温差；所述控制器被配置为能够获取所述第一测温装置测量的第一温度，当所述第一温度达到预设值，所述控制器向所述加热装置输出保温信息，所述加热装置根据所述保温信息使所述多孔层板的第一面的温度维持在所述预设值并持续预设时间；在达到所述预设时间后，所述控制器输出降温信息，所述冷却装置根据所述降温信息将所述多孔层板冷却至第一预设温度。

在本公开的一种示例性实施例中，所述控制器进行所述预设次数的热疲劳试验循环后，系统停止试验。

在本公开的一种示例性实施例中，所述热疲劳试验系统还包括：

降温装置，与所述加热装置，用于冷却所述加热装置。

在本公开的一种示例性实施例中，所述固定装置包括：

底板；

固定座，设于所述底板上，并与所述底板固定连接；

夹紧机构，设于所述底板上，包括调节件与夹紧件，所述夹紧件与所述固定座相对设置，通过所述调节件能够调整所述夹紧件与所述固定座之间的距离；

夹持组件，靠近所述底板的一端位于所述固定座与所述夹紧件之间，通过所述调整所述夹紧件与所述固定座之间的距离，能够将所述夹持组件夹紧于所述固定座与所述夹紧件之间；所述夹持组件被配置为夹持所述多孔层板。

在本公开的一种示例性实施例中，所述夹持组件包括两个夹持杆，所述夹持杆相向的一侧上设置有凹陷部，所述凹陷部被配置为形成对所述多孔层板的定位。

在本公开的一种示例性实施例中，所述加热装置包括：

电磁感应加热机，包括加热机本体和加热线圈，所述加热线圈与所述热机本体，所述加热线圈与所述第一面对应设置，所述加热线圈被配置为对所述多孔层板的所述第一面进行加热。

在本公开的一种示例性实施例中，所述冷却装置包括：

风压机，与所述控制器连接；

喷头，通过风管与所述风压机连接，所述喷头与所述第二面对应设置，通过所述喷头为对所述多孔层板的所述第二面进行风冷。

在本公开的一种示例性实施例中，所述冷却装置包括多个喷头，其中部分喷头在预设次数的热疲劳试验循环中常开，其余喷头在所述加热机停止工作后开始吹风降温。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一测温装置包括：

第一红外线测温控制器，与所述控制器连接；

第一红外测温仪，与所述第一红外线测温控制器连接，与所述第一面对应设置，所述第一红外测温仪被配置为对所述多孔层板的所述第一面进行测温。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第二测温装置包括：

第二红外线测温控制器；

第二红外测温仪，与所述第二红外线测温控制器连接，与所述第二面对应设置，所述第二红外测温仪被配置为对所述多孔层板的所述第二面进行测温。

本公开提供的多孔层板带温度梯度的热疲劳试验系统，控制器能够控制加热装置、冷却装置及第一测温装置对多孔层板进行多次热疲劳试验循环；在一次热疲劳试验循中，控制器被配置为输出加热信息与冷却信息，加热装置根据加热信息对多孔层板的第一面进行加热，冷却装置根据冷却信息对多孔层板的第二面进行冷却，以使多孔层板的第一面与第二面形成温差；控制器被配置为能够获取第一测温装置测量的第一温度，当第一温度达到预设值，控制器向加热装置输出保温信息，加热装置根据保温信息使多孔层板的第一面的温度维持在预设值并持续预设时间；在达到预设时间后，控制器输出降温信息，冷却装置根据降温信息将多孔层板冷却至第一预设温度，实现了多孔层板带温度梯度的热疲劳试验。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本公开的一种实施例提供的热疲劳试验系统的侧视图；

图2为本公开的一种实施例提供的热疲劳试验系统的主视图；

图3为本公开的一种实施例提供的热疲劳试验系统的俯视图；

图4为本公开的一种实施例提供的热疲劳试验系统的后视图；

图5为本公开的一种实施例提供的多孔层板典型结构试验件反面结构的示意图；

图6为本公开的一种实施例提供的多孔层板典型结构试验件两层板之间的小圆柱结构的示意图；

图7为本公开的一种实施例提供的多孔层板典型结构试验件正面结构的示意图；

图8为本公开的一种实施例提供的试验夹具的示意图；

图9为本公开的一种实施例提供的电磁感应加热机结构的示意图；

图10为本公开的一种实施例提供的冷却水箱也称制冷机结构的示意图；

图11为本公开的一种实施例提供的第一红外测温仪结构的示意图；

图12为本公开的一种实施例提供的第一红外线测温控制器结构的示意图；

图13为本公开的一种实施例提供的第二红外测温仪结构的示意图；

图14为本公开的一种实施例提供的第二红外线测温控制器结构的示意图；

图15为本公开的一种实施例提供的负责反面冷却降温的吹风喷头结构的示意图；

图16为本公开的一种实施例提供的空气压缩机结构的示意图；

图17为本公开的一种实施例提供的控制器的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。

本公开的实施例首先提供了一种多孔层板带温度梯度的热疲劳试验系统，如图1-图4所示，该热疲劳试验系统包括：固定装置10、加热装置20、冷却装置30、第一测温装置、第二测温装置和控制器50。固定装置10被配置夹持多孔层板80，多孔层板80包括相背的第一面和第二面；加热装置20设于固定装置10的一侧，加热装置20被配置为对多孔层板的第一面进行加热；冷却装置30设于固定装置10背离加热装置20的一侧，冷却装置30被配置为对多孔层板的第二面进行冷却；第一测温装置设于固定装置10的一侧，第一测温装置被配置为对多孔层板的第一面进行测温；第二测温装置设于固定装置10背离加热装置20的一侧，第二测温装置被配置为对多孔层板的第二面进行测温；控制器50与加热装置20、冷却装置30及第一测温装置连接，并被配置为控制加热装置20、冷却装置30及第一测温装置对多孔层板进行预设次数的热疲劳试验循环；在一次热疲劳试验循中，控制器50被配置为输出加热信息与冷却信息，加热装置20根据加热信息对多孔层板的第一面进行加热，冷却装置30根据冷却信息对多孔层板的第二面进行冷却，以使多孔层板的第一面与第二面形成温差；控制器50被配置为能够获取第一测温装置测量的第一温度，当第一温度达到预设值，控制器50向加热装置20输出保温信息，加热装置20根据保温信息使多孔层板的第一面的温度维持在预设值并持续预设时间；在达到预设时间后，控制器50输出降温信息，冷却装置30根据降温信息将多孔层板冷却至第一预设温度。

其中，控制器50进行预设次数的热疲劳试验循环后，系统停止试验。

本公开提供的多孔层板带温度梯度的热疲劳试验系统，控制器50能够控制加热装置20、冷却装置30及第一测温装置对多孔层板进行多次热疲劳试验循环；在一次热疲劳试验循中，控制器50被配置为输出加热信息与冷却信息，加热装置20根据加热信息对多孔层板的第一面进行加热，冷却装置30根据冷却信息对多孔层板的第二面进行冷却，以使多孔层板的第一面与第二面形成温差；控制器50被配置为能够获取第一测温装置测量的第一温度，当第一温度达到预设值，控制器50向加热装置20输出保温信息，加热装置20根据保温信息使多孔层板的第一面的温度维持在预设值并持续预设时间；在达到预设时间后，控制器50输出降温信息，冷却装置30根据降温信息将多孔层板冷却至第一预设温度，实现了多孔层板带温度梯度的热疲劳试验。

具体地，多孔层板80的典型结构试样由图5、图6、图7三部分组成。从图中可以看出多孔层板典型结构试验件由两层板、以及两层板中间的小圆柱构成，如图6所示。两层板上均有小孔，其中孔径小的为温度低的一面称为反面(第二面)，为进风口，如图5所示；孔径大的为加热面称为为正面(第一面)，为出风口，如图7所示。当风从小孔进入，在中间小圆柱绕流后从大孔出来，由试验和数值模拟得出这样的冷却结构冷却效率高。

具体地，固定装置10包括：底板110、固定座160、夹紧机构和夹持组件，固定座160设于底板110上，并与底板110固定连接；夹紧机构设于底板110上，包括调节件与夹紧件140，夹紧件140与固定座160相对设置，通过调节件能够调整夹紧件140与固定座160之间的距离；夹持组件靠近底板的一端位于固定座160与夹紧件140之间，通过调整夹紧件140与固定座160之间的距离，能够将夹持组件夹紧于固定座与夹紧件之间；夹持组件被配置为夹持多孔层板。

示例的，固定装置10(试验夹具)如图8所示，夹持组件包括两个夹持杆150，夹持杆150用于夹持试验件，夹持杆150相向的一侧上设置有凹陷部，凹陷部被配置为形成对多孔层板80的定位，夹持杆150的材料可为大理石板，大理石的导热性差，试验过程中不会有烫伤的危险，对试验的干扰性小，成本低。其中，底板110可为金属板(例如铁板)，底板110可通过其上面的4个小孔用螺丝把整个夹具固定在桌面(工作台)上。固定座160与底板110相互固定，固定座160的材料可为金属(例如铁)。其中，调节件包括调节杆130和调节座120，调节座120固定设于底板110上，调节座120上设有调节杆130，调节杆130与调节座120螺纹连接，调节杆130的一端用于顶紧夹紧件140，以使夹紧件140与固定座160配合将夹持杆150固定。调节杆130可为带弹簧的铁棒，将其顺时针旋转可以夹紧夹持杆，相应地夹紧试验件，将其逆时针旋转可以放松夹持杆，相应地可以试验件松动，方便取件。

具体地，加热装置20包括电磁感应加热机，电磁感应加热机包括加热机本体和加热线圈210，加热线圈210与第一面对应设置，加热线圈210被配置为对多孔层板的第一面进行加热。

如图9所示，电磁感应加热机高频感应加热原理使用高频交变电流流向被卷曲成环状的铜管(加热线圈)，由此产生磁束，将金属放置其中，磁束就会贯通金属体，在与磁束自缴的方向产生旋转电流，这感应电流在旋转电流的影响下发热，由此，对金属等被加热物体，在非接触的状态下就能加热。加热机本体上设有时间显示屏230和开关220，在加热机本体的内部装有一个计时器，用来计算升温时间、保温时间。加热机本体上设有加热机开关。

具体地，热疲劳试验系统还包括：降温装置70。降温装置70与加热装置20，用于冷却加热装置20。

如图10所示，降温装置70包括冷却水箱710，冷却水箱710里面有储水箱，储水箱上面设置两个风扇用来制冷，当温度超过设置值(例如6℃)时，自动启动降温。冷却水箱与电磁感应加热机的进水口与出水口相连接，目的是冷却加热机，使加热机上的铜管温度不要过高，保证加热机的正常工作。

具体地，冷却装置30包括：风压机320和喷头310，风压机与控制器50连接；喷头通过风管与风压机连接，喷头与第二面对应设置，通过喷头为对多孔层板的第二面进行风冷。其中，冷却装置30包括多个喷头，其中部分喷头在预设次数的热疲劳试验循环中常开，其余喷头在加热机停止工作后开始吹风降温。

如图15所示，反面冷却喷头用来将试样由高温吹到室温，其中中间类似花洒的喷头用来形成正面和反面温差的，正面加热的同时反面同时由它吹风，通过调节风量的大小来控制正反面的温差，整个试验过程中中间冷却喷头常开。当保温结束后，左右两个喷头同时启动，左右两个喷头负责将试样吹到室温。如图16所示，空气压缩机(风压机)320与喷头用气管相连，用于提供风源。

具体地，第一测温装置包括：第一红外线测温控制器61和第一红外测温仪41，第一红外线测温控制器61与控制器50连接，第一红外测温仪41与第一红外线测温控制器61连接，且第一红外测温仪41与第一面对应设置，第一红外测温仪41被配置为对多孔层板的第一面进行测温。

具体地，第二测温装置包括：第二红外线测温控制器62与第二红外测温仪42，第二红外测温仪42与第二红外线测温控制器62连接，且第二红外测温仪42与多孔层板的第二面对应设置，第二红外测温仪42被配置为对多孔层板的第二面进行测温。

如图11和图12所示，第一红外测温仪41测量的温度在第一红外线测温控制器61中显示，可以在第一红外线测温控制器61中设置试验需要的目标温度，同时第一红外线测温控制器61将温度信号传给电磁感应加热机，加热机自动调整功率的大小，达到试验设定的目标温度并且保温一段时间。

如图13和图14所示，第二红外测温仪42负责测试反面(第二面)的温度，仅用来测温，可以在第二红外线测温控制器62中显示测试的温度。

此外，可以在第二红外线测温控制器62中设置试验需要的目标温度，同时第二红外线测温控制器62将温度信号传给控制器50，控制器50控制冷却装置30功率的大小，达到目标冷却温度(例如室温)。

如图17所示，控制器50为整个试验系统的自动控制装置，通过写入程序来控制试验的开始和结束，它与电磁感应加热机相连，控制电磁感应加热机的开关，升温时间、保温时间，同时和空气压缩机相连来控制降温，当保温结束时，加热机停止工作，吹风系统(冷却装置30)启动将试样降至室温，一个热疲劳循环结束。在程序里输入循环次数，待达到循环次数后，整个系统自动停止。

具体地，如图1所示，热疲劳试验系统还包括：工作台。工作台可为桌子。工作台用于放置控制器50、电磁感应加热机、第一测温装置、第二测温装置、试验夹具等设备和器件。

本公开提供的多孔层板典型结构试样件带温度梯度的热疲劳试验系统，其主要作用是可以实现带温度梯度的热疲劳试验，尤其适用于这种多孔层板结构的热疲劳试验。相较于传统的热疲劳装置，本热疲劳试验系统采用电磁感应加热原理可以实现快速升温，同时配合红外测温装置实现长时间的保温，且夹具采用导热性差的大理石材料，安全系数高，成本低。另外本热疲劳试验系统采用风冷的冷却方式更加接近试样件的真实工况。本热疲劳试验系统占地面积小，操作简单，危险性小。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种多孔层板带温度梯度的热疲劳试验系统，其特征在于，包括：

固定装置，被配置夹持多孔层板，所述多孔层板包括相背的第一面和第二面；

加热装置，设于所述固定装置的一侧，所述加热装置被配置为对所述多孔层板的所述第一面进行加热；

冷却装置，设于所述固定装置背离所述加热装置的一侧，所述冷却装置被配置为对所述多孔层板的所述第二面进行冷却；

第一测温装置，设于所述固定装置的一侧，所述第一测温装置被配置为对所述多孔层板的所述第一面进行测温；

第二测温装置，设于所述固定装置背离所述加热装置的一侧，所述第二测温装置被配置为对所述多孔层板的所述第二面进行测温；

控制器，与所述加热装置、所述冷却装置及所述第一测温装置连接，并被配置为控制所述加热装置、所述冷却装置及所述第一测温装置对所述多孔层板进行预设次数的热疲劳试验循环；在一次所述热疲劳试验循中，所述控制器被配置为输出加热信息与冷却信息，所述加热装置根据所述加热信息对所述多孔层板的第一面进行加热，所述冷却装置根据所述冷却信息对所述多孔层板的第二面进行冷却，以使所述多孔层板的第一面与第二面形成温差；所述控制器被配置为能够获取所述第一测温装置测量的第一温度，当所述第一温度达到预设值，所述控制器向所述加热装置输出保温信息，所述加热装置根据所述保温信息使所述多孔层板的第一面的温度维持在所述预设值并持续预设时间；在达到所述预设时间后，所述控制器输出降温信息，所述冷却装置根据所述降温信息将所述多孔层板冷却至第一预设温度。

2.根据权利要求1所述的热疲劳试验系统，其特征在于，所述控制器进行所述预设次数的热疲劳试验循环后，系统停止试验。

3.根据权利要求1所述的热疲劳试验系统，其特征在于，所述热疲劳试验系统还包括：

降温装置，与所述加热装置，用于冷却所述加热装置。

4.根据权利要求1所述的热疲劳试验系统，其特征在于，所述固定装置包括：

底板；

固定座，设于所述底板上，并与所述底板固定连接；

夹紧机构，设于所述底板上，包括调节件与夹紧件，所述夹紧件与所述固定座相对设置，通过所述调节件能够调整所述夹紧件与所述固定座之间的距离；

夹持组件，靠近所述底板的一端位于所述固定座与所述夹紧件之间，通过所述调整所述夹紧件与所述固定座之间的距离，能够将所述夹持组件夹紧于所述固定座与所述夹紧件之间；所述夹持组件被配置为夹持所述多孔层板。

5.根据权利要求4所述的热疲劳试验系统，其特征在于，所述夹持组件包括两个夹持杆，所述夹持杆相向的一侧上设置有凹陷部，所述凹陷部被配置为形成对所述多孔层板的定位。

6.根据权利要求1所述的热疲劳试验系统，其特征在于，所述加热装置包括：

电磁感应加热机，包括加热机本体和加热线圈，所述加热线圈与所述热机本体，所述加热线圈与所述第一面对应设置，所述加热线圈被配置为对所述多孔层板的所述第一面进行加热。

7.根据权利要求1所述的热疲劳试验系统，其特征在于，所述冷却装置包括：

风压机，与所述控制器连接；

喷头，通过风管与所述风压机连接，所述喷头与所述第二面对应设置，通过所述喷头为对所述多孔层板的所述第二面进行风冷。

8.根据权利要求7所述的热疲劳试验系统，其特征在于，所述冷却装置包括多个喷头，其中部分喷头在预设次数的热疲劳试验循环中常开，其余喷头在所述加热机停止工作后开始吹风降温。

9.根据权利要求1所述的热疲劳试验系统，其特征在于，所述第一测温装置包括：

第一红外线测温控制器，与所述控制器连接；

第一红外测温仪，与所述第一红外线测温控制器连接，与所述第一面对应设置，所述第一红外测温仪被配置为对所述多孔层板的所述第一面进行测温。

10.根据权利要求1所述的热疲劳试验系统，其特征在于，所述第二测温装置包括：

第二红外线测温控制器；

第二红外测温仪，与所述第二红外线测温控制器连接，与所述第二面对应设置，所述第二红外测温仪被配置为对所述多孔层板的所述第二面进行测温。

Images