CN113358336A - 层板冷却结构试验模拟件及其设计方法、疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种层板冷却结构试验模拟件及其设计方法、疲劳试验装置，其中，层板冷却结构试验模拟件，包括：第一环状壁；第二环状壁，环绕所述第一环状壁设置，且所述第二环状壁和第一环状壁之间具有间隙；冷却单元，包括第一冷却孔、第二冷却孔和柱状结构；第一冷却孔设置于第一环状壁，并沿第一方向贯穿第一环状壁；第二冷却孔设置于第二环状壁，并沿第二方向贯穿第二环状壁；柱状结构位于间隙内，并向第一环状壁和第二环状壁延伸；其中，第一方向由第一环状壁指向第一环状壁的轴线，第二方向由第二环状壁指向所述第二环状壁的轴线。本公开提供的叶片层板冷却结构试验模拟件能够真实模拟层板冷却结构的工作状态。

Description

层板冷却结构试验模拟件及其设计方法、疲劳试验装置

技术领域

本公开涉及发动机技术领域，尤其涉及一种层板冷却结构试验模拟件及其设计方法、疲劳试验装置。

背景技术

目前，在发动机技术领域中，涡轮叶片层板冷却结构具有较高的冷却效率，其冷却结构具有“致密多孔材料”的冷却特性。根据发动机涡轮叶片冷却的需要，涡轮叶片层板冷却结构中设计有各种形状的冷却孔、扰流柱和扰流肋，其内部结构紧凑、受载复杂。从而，为了能够模拟涡轮叶片层板结构的疲劳稳定性，急需设计一个能够准确模拟涡轮叶片层板冷却结构的试验模拟件，来对涡轮叶片层板冷却结构的工作情况进行模拟。

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公开的背景的理解，因此可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

本公开目的在于提供一种层板冷却结构试验模拟件及其设计方法、疲劳试验装置，该层板冷却结构试验模拟件能够真实模拟层板冷却结构的工作状态。

本公开一方面提供了一种层板冷却结构试验模拟件，包括：

第一环状壁；

第二环状壁，所述第二环状壁环绕所述第一环状壁设置，且所述第二环状壁和所述第一环状壁之间具有间隙；

冷却单元，包括第一冷却孔、第二冷却孔和柱状结构；所述第一冷却孔设置于所述第一环状壁，并沿第一方向贯穿所述第一环状壁；所述第二冷却孔设置于所述第二环状壁，并沿第二方向贯穿所述第二环状壁；所述柱状结构位于所述间隙内，并向所述第一环状壁和所述第二环状壁延伸；

其中，所述第一方向由所述第一环状壁指向所述第一环状壁的轴线，所述第二方向由所述第二环状壁指向所述第二环状壁的轴线。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一冷却孔、所述第二冷却孔和所述柱状结构在第三方向上的投影交错设置；

所述第一冷却孔的中心点、所述第二冷却孔的中心点和所述柱状结构沿所述第三方向的横截面的中心点在所述第一环状壁的轴线上的投影相互远离；

其中，所述第三方向为所述第一环状壁的轴线的延伸方向或所述第二环状壁的轴线的延伸方向。

在本公开的一种示例性实施例中，所述柱状结构具有第一端和第二端，所述第一端与所述第一环状壁靠近所述第二环状壁的一侧连接，所述第二端与所述第二环状壁靠近所述第一环状壁的一侧连接。

在本公开的一种示例性实施例中，所述层板冷却结构试验模拟件包括多个冷却单元组，且所述多个冷却单元组沿所述第三方向排布；

每个冷却单元组中包括多个冷却单元，且所述多个冷却单元沿所述层板冷却结构试验模拟件的周向排布。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一环状壁具有第三端和第四端，所述第二环状壁具有第五端和第六端，且所述第三端和所述第五端位于同一侧，所述第四端和所述第六端位于同一侧，所述层板冷却结构试验模拟件还包括：

第一延伸段，所述第一延伸段具有第一延伸壁和第二延伸壁，所述第一延伸壁与所述第三端连接并向远离第四端的方向延伸，所述第二延伸壁与所述第五端连接，并向远离所述第六端的方向延伸；

第二延伸段，所述第二延伸段具有第三延伸壁和第四延伸壁，所述第三延伸壁与所述第四端连接并向远离第三端的方向延伸，所述第四延伸壁与所述第六端连接，并向远离所述第五端的方向延伸。

在本公开的一种示例性实施例中，所述层板冷却结构试验模拟件还包括：

第一过渡段，所述第一过渡段与所述第一延伸段远离第二延伸段的一侧连接，并向远离第二延伸段的方向延伸，且所述第一过渡段的横截面的直径由与所述第一延伸段连接的一端向远离所述第二延伸段的一端逐渐增加；

第二过渡段，所述第二过渡段与所述第二延伸段远离第一延伸段的一侧连接，并向远离第一延伸段的方向延伸，且所述第二过渡段的横截面的直径由与所述第二延伸段连接的一端向远离所述第一延伸段的一端逐渐增加。

在本公开的一种示例性实施例中，所述层板冷却结构试验模拟件还包括：

第一夹持段，所述第一夹持段与所述第一过渡段远离第二延伸段的一端连接，并向远离所述第二延伸段的方向延伸，且所述第一夹持段具有第一夹持部。

本公开另一方面提供了一种层板冷却结构试验模拟件的设计方法，包括：

分析层板冷却结构的结构特征，以得出所述层板冷却结构试验模拟件的初步模型；

对所述层板冷却结构进行热-固耦合分析，以得到所述层板冷却结构的表面温度场分布和应力场分布；

根据层板冷却结构的表面温度场分布和应力场分布，对所述层板冷却结构试验模拟件的初步模型进行热-固耦合分析，以得到所述层板冷却结构试验模拟件；

其中，所述层板冷却结构试验模拟件为上述任意一项所述的层板冷却结构试验模拟件。

本公开再一方面提供了一种层板冷却结构疲劳试验装置，包括：

进气装置，所述进气装置包括第一进气口和第一出气口；

加热装置，所述加热装置包括第二进气口和第二出气口，所述第二进气口与所述第一出气口连接；

层板冷却结构试验模拟件，所述层板冷却结构试验模拟件为上述任意一项所述的层板冷却结构试验模拟件，且所述第一环状壁的一端与所述第二出气口连接；

环境模拟设备，所述环境模拟设备具有中空腔，所述层板冷却结构试验模拟件设置于所述中空腔内；

排气装置，所述排气装置包括第三进气口和第三出气口，所述第三进气口与所述第一环状壁的另一端连接；

疲劳试验机，与所述层板冷却结构试验模拟件连接，以用于向所述层板冷却结构试验模拟件施加载荷。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一进气口的直径大于所述第一出气口的直径，所述进气装置还包括：

集气段，所述集气段的一端与所述第一进气口连接，所述集气段的另一端与所述第一出气口连接，且所述集气段的横截面的直径由与所述第一进气口连接的一端向与所述第一出气口连接的一端逐渐减小。

本公开提供的技术方案可以达到以下有益效果：

本公开所提供的层板冷却结构试验模拟件，包括第一环状壁、第二环状壁和冷却单元。其中，冷却单元包括第一冷却孔、第二冷却孔和柱状结构。从而，本申请通过设置第一环状壁和第二环状壁可以真实模拟层板结构的双层壁结构；并且，第一冷却孔和第二冷却孔可以模拟层板结构的冷却孔；柱状结构可以真实模拟层板结构中的扰流柱和扰流肋。因此，通过该试验模拟件能够真实的层板冷却结构。从而，本公开能够在进行疲劳试验的时候模拟真实的层板冷却结构的服役状态，进而能够对层板冷却结构的寿命进行准确的预测，并对层板冷却结构的危险部位进行准确研究。

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，并不能限制本公开。

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，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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。

图1示出了根据本公开一示例性实施例的层板冷却结构试验模拟件的第一视角的结构示意图；

图2示出了根据本公开一示例性实施例的层板冷却结构试验模拟件的第二视角的结构示意图；

图3示出了根据本公开一示例性实施例的图1中A部分的结构示意图；

图4示出了根据本公开一示例性实施例的图3中B-B截面的结构示意图；

图5示出了根据本公开一示例性实施例的图3中C-C截面的结构示意图；

图6示出了根据本公开一示例性实施例的层板冷却结构试验模拟件的设计方法的流程示意图；

图7示出了根据本公开一示例性实施例的层板冷却结构疲劳试验装置的平面透视结构示意图；

图8示出了根据本公开一示例性实施例的层板冷却结构疲劳试验装置的局部立体结构示意图；

图9示出了根据本公开一示例性实施例的进气装置的结构示意图；

图10示出了根据本公开一示例性实施例的夹具的结构示意图；

图11示出了根据本公开一示例性实施例的环境模拟设备的俯视示意图；

图12示出了根据本公开一示例性实施例的图11中D-D截面的结构示意图。

附图标记说明：

1、层板冷却结构试验模拟件；2、进气装置；3、加热装置；4、环境模拟设备；5、排气装置；6、夹具；7、冷气回收装置；11、第一环状壁；12、第二环状壁；13、冷却单元；14、第一延伸段；15、第二延伸段；16、第一过渡段；17、第二过渡段；18、第一夹持段；19、第二夹持段；20、间隙；21、集气段；61、通气孔；62、第三夹持部；111、中空腔；131、第一冷却孔；132、第二冷却孔；133、柱状结构。

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实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，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。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

如图1和图2所示，本公开首先提供了一种层板冷却结构试验模拟件1，其中层板冷却结构可以用于涡轮叶片，该涡轮叶片可以用于发动机。该层板冷却结构试验模拟件1能够在进行疲劳试验的时候模拟真实的层板冷却结构的服役状态，从而能够对层板冷却结构的寿命进行准确的预测，并对层板冷却结构的危险部位进行准确研究。但不限于此，本公开提供的层板冷却结构试验模拟件1还可以用于其他试验，可以根据需要进行选择和应用。

如图3～5所示，该层板冷却结构试验模拟件1可以包括：第一环状壁11、第二环状壁12和冷却单元13。其中，第一环状壁11具有中空腔111，该中空腔111用于流通冷却气体。该第一环状壁11可以为金属材质，但不限于此，也可以根据试验的实际需要选择其他的材质，这均在本公开的保护范围之内。该第一环状壁11的横截面形状可以为圆形，当第一环状壁11的横截面形状为圆形时，能够更好的模拟真实的层板冷却结构，同样本公开对第一环状壁11的横截面形状也不做限制，也可以为其他形状，例如：矩形、三角形等。

第二环状壁12可以环绕第一环状壁11设置，且第二环状壁12和第一环状壁11之间可以具有间隙20。该第二环状壁12也可以为金属材质，同时第二环状壁12的材质可以和第一环状壁11相同，但不限此。另外，该第二环状壁12的横截面形状也可以为圆形，但不限于此，本公开对第二环状壁12的横截面形状也不做限制。

当第一环状壁11和第二环状壁12的横截面形状均为圆形时，第一环状壁11和第二环状壁12可以同轴设置。当第一环状壁11和第二环状壁12同轴设置时，可以使得第一环状壁11和第二环状壁12之间的间隙20处处相等，从而使得气流通过间隙20时均匀。但不限于此，第一环状壁11和第二环状壁12也可以不同轴设置，可以根据试验的需要进行选择和改变。

在本公开的一个实施例中，第一环状壁11和第二环状壁12的轴向长度可以为30mm～60mm，例如：30mm、40mm、48mm、50mm和60mm等。需要说明的是，此处仅仅是示例性的对第一环状壁11和第二环状壁12的轴向长度进行举例，在实际的设计和应用中，需要根据实际情况进行选择。

进一步的，第一环状壁11和第二环状壁12的壁厚可以为0.8mm～1.6mm，例如：0.8mm、1.2mm、1.6mm等。但不限于此，第一环状壁11和第二环状壁12的壁厚可以根据实际需要进行选择。

另外，第一环状壁11和第二环状壁12的轴向长度可以不同，第一环状壁11和第二环状壁12的壁厚也可以不同，这也在本公开的保护范围之内。

上述冷却单元13可以包括第一冷却孔131、第二冷却孔132和柱状结构133。其中第一冷却孔131可以设置于第一环状壁11上，并可以沿第一方向贯穿第一环状壁11，其中，第一方向可以由第一环状壁11指向第一环状壁11的轴线。该第一冷却孔131可以为圆形的冲击孔，其半径可以为0.6mm～1.2mm。但不限于此，第一冷却孔131也可以不为圆形孔，也可以为其他形状的孔。

第二冷却孔132可以设置于第二环状壁12上，并可以沿第二方向贯穿第二环状壁12，其中，第二方向可以由第二环状壁12指向第二环状壁12的轴线。该第二冷却孔132可以为圆形的气膜孔，其半径可以为1.0mm～2.0mm。但不限于此，第二冷却孔132也可以不为圆形孔，也可以为其他形状的孔。

柱状结构133可以位于间隙20内，并且可以向第一环状壁11和第二环状壁12延伸。该柱状结构133可以为扰流柱，其可以为实心柱体也可以为空心柱体，本公开对此不做限定。该柱状结构133横截面的半径可以为0.9～1.5mm，柱状结构133的轴向长度可以为0.5mm～1.0mm。通过设置柱状结构133，能够将进入间隙20中的空气进行扰动，从而真实模拟层板冷却结构在正常工作中的空气状态。

进一步的，通过设置冷却单元13，空气能够由第一环状壁11上的冲击孔进入第一环状壁11和第二环状壁12之间的间隙20内，并通过柱状结构133对空气进行扰动，以对第一环状壁11和第二环状壁12进行强迫对流冷却，最后空气由气膜孔逸出，并在第二环状壁12远离第一环状壁11的一侧形成气膜，以用于阻隔外界高温环境向第一环状壁11的传热。从而该层板冷却结构试验模拟件1能够对层板冷却结构进行真实并准确的模拟，从而使得疲劳试验结果更加准确。

在本公开的一个实施例中，第一冷却孔131、第二冷却孔132和柱状结构133在第三方向上的投影可以交错设置。并且，第一冷却孔131的中心点、第二冷却孔132的中心点和柱状结构133沿第三方向的横截面的中心点在第一环状壁11的轴线上的投影相互远离。其中，第三方向可以为第一环状壁11的轴线的延伸方向或者第二环状壁12轴线的延伸方向。

需要说明的是，上述所述的交错设置即为第一冷却孔131、第二冷却孔132和柱状结构133在第三方向上的投影均不重合，本公开对第一冷却孔131、第二冷却孔132和柱状结构133之间的间距不做限制，可以根据实际的需要设置，均在本公开的保护范围之内。

上述所述的相互远离即为，第一冷却孔131的中点、第二冷却孔132的中点和柱状结构133沿第三方向的横截面的中心点的高度不同。通过将第一冷却孔131、第二冷却孔132和柱状结构133交错设置并且使得其高度不同，从而使得空气不会从第一冷却孔131进入后直接从第二冷却孔132流出，进而提高了模拟的准确性。

进一步的，柱状结构133沿第三方向的横截面的中心点的高度可以位于第一冷却孔131的中点和第二冷却孔132的中点之间，从而使得空气更容易受到柱状结构133的扰动。

在本公开的一个实施例中，柱状结构133可以具有第一端和第二端，其中第一端可以与第一环状壁11靠近第二环状壁12的一侧连接，第二端可以与第二环状壁12靠近第一环状壁11的一侧连接。从而，通过此设计，可以增强柱状结构133的扰流能力，进一步的提高模拟的准确性。

进一步的，为了防止试验过程中在柱状结构133处出现应力集中现象，柱状结构133点的第一端和第一环状壁11连接处以及第二端和第二环状壁12的连接处均可以具有圆角结构。

更进一步的，一个冷却单元13中可以设置多个柱状结构133，例如：可以设置四个柱状结构133，且四个柱状结构133中任意相邻的两个柱状结构133沿第三方向的横截面的中点之间的间距可以相同。通过设置多个柱状结构133，能够使得柱状结构133之间形成网格，从而对进入间隙20中的空气的扰流效果更好。但不限于此，本公开冷却单元13中的柱状结构133的数量可以不为四个，且任意相邻的两个柱状结构133沿第三方向的横截面的中点之间的间距可以不相同。

除此之外，第一冷却孔131的轴线和第一冷却孔131的轴线与第一环状壁11交点处的切线的夹角可以根据实际的需要进行改变，从而对第一冷却孔131具有不同夹角时的层板冷却结构的疲劳进行试验。

同样，第二冷却孔132的轴线和第二冷却孔132的轴线与第二环状壁12交点处的切线的夹角可以根据实际的需要进行改变，从而对第二冷却孔132具有不同夹角时的层板冷却结构的疲劳进行试验。

在本公开的一个实施例中，层板冷却结构试验模拟件1可以包括多个冷却单元13组，且多个冷却单元13组可以沿第三方向排布。每个冷却单元13组中可以包括多个冷却单元13，且多个冷却单元13均沿层板冷却结构试验模拟件1的周向排布。通过设置多个冷却单元13组，能够模拟真实的层板冷却结构具有多个孔和扰流柱的情况。

举例而言，本公开的层板冷却结构试验模拟件1可以包括6个冷却单元13组，每个冷却单元13组中可以包括7～10个冷却单元13。但不限于此，本公开对冷却单元13组的数量和每个冷却单元13组中冷却单元13的数量均不做限制，可以根据实际需要设置。

如图1所示，在本公开的一个实施例中，第一环状壁11可以具有第三端和第四端，第二环状壁12可以具有第五端和第六端，且第三端和第五端可以位于同一侧，第四端和第六端可以位于同一侧。层板冷却结构试验模拟件1还可以包括：第一延伸段14和第二延伸段15，其中，第一延伸段14可以具有第一延伸壁和第二延伸壁。第一延伸壁可以与第三端连接并向远离第四端的方向延伸，第二延伸壁可以与第五端连接，并向远离第六端的方向延伸；

第二延伸段15，可以具有第三延伸壁和第四延伸壁。其中，第三延伸壁可以与第四端连接并向远离第三端的方向延伸，第四延伸壁可以与第六端连接，并向远离所述第五端的方向延伸。通过设置延伸段，能够避免空气在中空腔111进入和流出时对试验的影响，保证试验过程中模拟件受力的一致性。

在本公开的另一个实施例中，第一延伸段14和第二延伸段15可以均为单层实心结构，并且第一延伸段14与第三端和第五端连接，第二延伸段15与第四端和第六端连接。该第一延伸段14的壁厚可以为第一环状壁11的壁厚、第二环状壁12的壁厚和间隙20的宽度之和，第二延伸段15的壁厚也可以为第一环状壁11的壁厚、第二环状壁12的壁厚和间隙20的宽度之和。

另外，层板冷却结构试验模拟件1还可以包括：第一过渡段16和第二过渡段17。其中，第一过渡段16可以与第一延伸段14远离第二延伸段15的一侧连接，并向远离第二延伸段15的方向延伸，且第一过渡段16的横截面的直径可以由于第一延伸段14连接的一端向远离第二延伸段15的一端逐渐增加。

第二过渡段17可以与第二延伸段15远离第一延伸段14的一侧连接，并向远离第一延伸段14的方向延伸，且第二过渡段17的横截面的直径可以由于第二延伸段15连接的一端向远离第一延伸段14的一端逐渐增加。

通过设置第一过渡段16和第二过渡段17，并且使得第一过渡段16的第二过渡段17的直径逐渐变化，从而能够避免延伸段和模拟件的夹持段之间的的连接处产生应力集中。

在本公开的一个实施例中，层板冷却结构试验模拟件1还可以包括：第一夹持段18和第二夹持段19。其中，第一夹持段18可以与第一过渡段16远离第二延伸段15的一端连接，并向远离第二延伸段15的方向延伸，且第一夹持段18可以具有第一夹持部。

第二夹持段19可以与第二过渡段17远离第一延伸段14的一端连接，并向远离第一延伸段14的方向延伸，且第二夹持段19可以具有第二夹持部。

上述第一夹持部和第二夹持部可以具有螺纹结构，但不限于此，该第一夹持部和第二夹持部也可以为其他结构，例如：卡扣等，可以根据实际需要设置。

该第一夹持段18和第二夹持段19的横截面的半径可以为第一环状壁11被第二环状壁12外径的1～2倍，以用于提高第一夹持段18和第二夹持段19的强度和疲劳寿命，从而能够承受和传递更大的载荷。

如图6所示，本公开另一方面提供了一种层板冷却结构试验模拟件的设计方法，该设计方法可以用于设计上述所述的层板冷却结构试验模拟件1，其中层板冷却结构可以用于发动机涡轮叶片，但不限于此，也可以用于其他结构。

该层板冷却结构试验模拟件的设计方法可以包括：

步骤S10、分析层板冷却结构的结构特征，以得出层板冷却结构试验模拟件的初步模型；

步骤S20、对层板冷却结构进行热-固耦合分析，以得到层板冷却结构的表面温度场分布和应力场分布；

步骤S30、根据层板冷却结构的表面温度场分布和应力场分布，对层板冷却结构试验模拟件的初步模型进行热-固耦合分析，以得到层板冷却结构试验模拟件。

下面对上述步骤进行详细说明：

在步骤S10中，可以分析层板冷却结构的结构特征。由于层板冷却结构应用于涡轮叶片中，涡轮叶片的叶身为双腔环形柱状结构，由此可以得知涡轮叶片具有双层壁，因而层板冷却结构也具有双层壁。因此，可以根据层板冷却结构具有双层壁这一结构特征，得出层板冷却结构试验模拟件1的初步模型也具有双层壁，且该双层壁可以为环形柱状结构，即上述所述的第一环状壁11和第二环状壁12。

进一步的，层板冷却结构双层壁内设置有扰流柱，内壁分布有冲击孔，外壁分布有气膜孔。因而，可以根据该结构特征得出，层板冷却结构的试验模拟件的初步模型也具有扰流柱、冲击孔和气膜孔。即：上述所述的第一冷却孔131、第二冷却孔132和柱状结构133。

在步骤S20中，可以对层板冷却结构进行热-固耦合分析，以得到层板冷却结构的表面温度场分布和应力场分布。

具体地，可以在有限元软件中对层板冷却结构施加热载荷和疲劳载荷，以模拟层板冷却结构真实的工作环境，从而得到层板冷却结构的表面温度场分布和应力场分布。

另外，当该层板冷却结构应用于涡轮叶片时，也可以对涡轮叶片施加热载荷和疲劳载荷以模拟涡轮叶片真实的工作环境，得到涡轮叶片的表面温度场分布和应力场分布。

在步骤S30中，可以根据层板冷却结构的表面温度场分布和应力场分布，对层板冷却结构试验模拟件1的初步模型进行热-固耦合分析，以得到层板冷却结构试验模拟件1。

具体地，可以根据层板冷却结构的表面温度场分布和应力场分布，在有限元软件中对层板冷却结构的试验模拟件1的初步模型施加热载荷和疲劳载荷，并对层板冷却结构的试验模拟件1的初步模型的结构进行调整。当层板冷却结构试验模拟件1的初步模型的温度场分布和应力场分布与层板冷却结构的表面温度场分布和应力场分布相同时，可以根据此时层板冷却结构试验模拟件1的初步模型的结构，得到上述层板冷却结构试验模拟件1，并能够确定层板冷却结构试验模拟件1的疲劳试验载荷、高温炉的温度、冷气温度等。其中，该层板冷却结构试验模拟件1可以为上述所述的层板冷却结构试验模拟件1。

另外，当该层板冷却结构应用于涡轮叶片时，也可以根据涡轮叶片的表面温度场分布和应力场分布，在有限元软件中对层板冷却结构的试验模拟件1的初步模型施加热载荷和疲劳载荷，并对层板冷却结构试验模拟件1的初步模型的结构进行调整。当层板冷却结构试验模拟件1的初步模型的温度场分布和应力场分布与涡轮叶片的表面温度场分布和应力场分布相同时，可以根据此时层板冷却结构试验模拟件1的初步模型的结构，得到上述层板冷却结构试验模拟件1。

本公开通过该设计方法设计出的层板冷却结构试验模拟件1不仅具备与真实层板冷却结构相似的结构，同时还可以在外部加热、内部冷却的条件下开展高周、低周、高低周、拉压等拉、弯、扭组合加载情况的试验，进而能够准确模拟真实层板冷却结构服役状态下的受力、温度，最终实现对真实层板冷却结构服役状态下寿命的预测。

如图7和图8所示，本公开的再一方面提供了一种层板冷却结构疲劳试验装置，该疲劳试验装置能够模拟涡轮叶片层板冷却结构的工作环境，并对层板冷却结构试验模拟件1施加载荷，以模拟真实层板冷却结构在服役状态夏的受力、温度，从而最终实现对层板冷却结构服役状态下的疲劳寿命的预测。

该层板冷却结构疲劳试验装置可以包括：进气装置2、加热装置3、层板冷却结构试验模拟件1、环境模拟设备4、排气装置5和疲劳试验机。

具体地，如图9所示，上述进气装置2可以具有第一进气口和第一出气口，该第一进气口以用于通入空气。进一步的，第一进气口的直径可以大于第一出气口的直径，该进气装置2还可以包括集气段21，该集气段21的一端可以与第一进气口连接，另一端可以与第一出气口连接。并且，该集气段21的横截面的直径可以由与第一进气口连接的一端向与第一出气口连接的一端逐渐减小。从而该集气段21可以为收缩状，当空气流经集气段21时，会加速通过，从而使得模拟件的夹持段和延伸段可以获得流速较快的空气，以减少试验的边界影响。

上述加热装置3可以包括第二进气口和第二出气口，其中第二进气口可以与第一出气口连接。通过设置加热装置3，能够对空气进行加热，从而模拟真实工况下通入层板冷却结构的空气温度。进一步的，在试验的过程中，该加热装置3还可以具有温度、压力和流量的测量器件，以用于对进入层板冷却结构的空气进行调控。

上述层板冷却结构试验模拟件1可以为上述所述的层板冷却结构试验模拟件1，且第一环状壁11的一端可以与所述第二出气口连接，以用于通入加热后的空气。

如图11和图12所示，上述环境模拟设备4可以具有中空腔111，该层板冷却结构试验模拟件1可以位于该中空腔111内，以用于给层板冷却结构试验模拟件1施加所需的环境条件。该环境模拟设备4可以为高温炉，其可以对层板冷却结构在工作状态下其表面附着的高温燃气进行模拟。但本公开对环境模拟设备4的种类不做限制，可以根据实际试验的需要进行选择。

上述排气装置5可以包括第三进气口和第三出气口，其中第三进气口可以与第一环状壁11的另一端连接，第三出气口以用于排出从层板冷却结构试验模拟件1中流出的空气。

疲劳试验机可以与层板冷却结构试验模拟件1连接，以用于向层板冷却结构试验模拟件1施加高周、低周、高低周、拉压等载荷。

进一步的，如图10所示，本公开所提供的层板冷却结构疲劳试验装置还可以包括夹具6。其中，如图9和图10所示，该夹具6可以包括第三夹持部62和通气孔61，该第三夹持部62可以和第一夹持部和第二夹持部连接，以用于夹紧第一夹持部和第二夹持部。当第一夹持部和第二夹持部上设置有螺纹时，该第三夹持部62上设置有与该螺纹相配合的螺纹。通气孔61可以和第二出气口和第三进气口连接，且该通气孔61的形状可以为圆形。

在本公开的一个实施例中，夹具6的外壁可以与环境模拟设备4的开口相贴合。并且，当层板冷却结构疲劳试验装置具有夹具6的时候，疲劳试验机可以和夹具6连接，从而通过夹具6向层板冷却结构试验模拟件1进行加载。

除此之外，层板冷却结构疲劳试验装置还可以包括冷气回收装置7，该冷却气体回收装置具有第四进气口和第四出气口，其中第四进气口可以与第三出气口连接，以用于接收由层板冷却结构试验模拟件1冷却的气体，并通过冷却气体回收装置进行处理和再利用，以防止高温的冷却气体对试验人员和设备造成影响。

通过该层板冷却结构疲劳试验装置能够真实模拟层板冷却结构的工作环境，进而能够模拟真实模拟层板冷却结构的服役状态，实现对层板冷却结构的疲劳寿命和危险部位进行准确的预测和研究。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、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公开的一般性原理并包括本公开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，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种层板冷却结构试验模拟件，其特征在于，包括：

第一环状壁；

第二环状壁，所述第二环状壁环绕所述第一环状壁设置，且所述第二环状壁和所述第一环状壁之间具有间隙；

冷却单元，包括第一冷却孔、第二冷却孔和柱状结构；所述第一冷却孔设置于所述第一环状壁，并沿第一方向贯穿所述第一环状壁；所述第二冷却孔设置于所述第二环状壁，并沿第二方向贯穿所述第二环状壁；所述柱状结构位于所述间隙内，并向所述第一环状壁和所述第二环状壁延伸；

其中，所述第一方向由所述第一环状壁指向所述第一环状壁的轴线，所述第二方向由所述第二环状壁指向所述第二环状壁的轴线。

2.根据权利要求1所述的层板冷却结构试验模拟件，其特征在于，

所述第一冷却孔、所述第二冷却孔和所述柱状结构在第三方向上的投影交错设置；

所述第一冷却孔的中心点、所述第二冷却孔的中心点和所述柱状结构沿所述第三方向的横截面的中心点在所述第一环状壁的轴线上的投影相互远离；

其中，所述第三方向为所述第一环状壁的轴线的延伸方向或所述第二环状壁的轴线的延伸方向。

3.根据权利要求2所述的层板冷却结构试验模拟件，其特征在于，所述柱状结构具有第一端和第二端，所述第一端与所述第一环状壁靠近所述第二环状壁的一侧连接，所述第二端与所述第二环状壁靠近所述第一环状壁的一侧连接。

4.根据权利要求2所述的层板冷却结构试验模拟件，其特征在于，

所述层板冷却结构试验模拟件包括多个冷却单元组，且所述多个冷却单元组沿所述第三方向排布；

每个冷却单元组中包括多个冷却单元，且所述多个冷却单元沿所述层板冷却结构试验模拟件的周向排布。

5.根据权利要求1所述的层板冷却结构试验模拟件，其特征在于，所述第一环状壁具有第三端和第四端，所述第二环状壁具有第五端和第六端，且所述第三端和所述第五端位于同一侧，所述第四端和所述第六端位于同一侧，所述层板冷却结构试验模拟件还包括：

第一延伸段，所述第一延伸段具有第一延伸壁和第二延伸壁，所述第一延伸壁与所述第三端连接并向远离第四端的方向延伸，所述第二延伸壁与所述第五端连接，并向远离所述第六端的方向延伸；

第二延伸段，所述第二延伸段具有第三延伸壁和第四延伸壁，所述第三延伸壁与所述第四端连接并向远离第三端的方向延伸，所述第四延伸壁与所述第六端连接，并向远离所述第五端的方向延伸。

6.根据权利要求5所述的层板冷却结构试验模拟件，其特征在于，所述层板冷却结构试验模拟件还包括：

第一过渡段，所述第一过渡段与所述第一延伸段远离第二延伸段的一侧连接，并向远离第二延伸段的方向延伸，且所述第一过渡段的横截面的直径由与所述第一延伸段连接的一端向远离所述第二延伸段的一端逐渐增加；

第二过渡段，所述第二过渡段与所述第二延伸段远离第一延伸段的一侧连接，并向远离第一延伸段的方向延伸，且所述第二过渡段的横截面的直径由与所述第二延伸段连接的一端向远离所述第一延伸段的一端逐渐增加。

7.根据权利要求6所述的层板冷却结构试验模拟件，其特征在于，所述层板冷却结构试验模拟件还包括：

第一夹持段，所述第一夹持段与所述第一过渡段远离第二延伸段的一端连接，并向远离所述第二延伸段的方向延伸，且所述第一夹持段具有第一夹持部。

8.一种层板冷却结构试验模拟件的设计方法，其特征在于，包括：

分析层板冷却结构的结构特征，以得出所述层板冷却结构试验模拟件的初步模型；

对所述层板冷却结构进行热-固耦合分析，以得到所述层板冷却结构的表面温度场分布和应力场分布；

根据所述层板冷却结构的表面温度场分布和应力场分布，对所述层板冷却结构试验模拟件的初步模型进行热-固耦合分析，以得到所述层板冷却结构试验模拟件；

其中，所述层板冷却结构试验模拟件为上述权利要求1～7任意一项所述的层板冷却结构试验模拟件。

9.一种层板冷却结构疲劳试验装置，其特征在于，包括：

进气装置，所述进气装置包括第一进气口和第一出气口；

加热装置，所述加热装置包括第二进气口和第二出气口，所述第二进气口与所述第一出气口连接；

层板冷却结构试验模拟件，所述层板冷却结构试验模拟件为上述权利要求1～7任意一项所述的层板冷却结构试验模拟件，且所述第一环状壁的一端与所述第二出气口连接；

环境模拟设备，所述环境模拟设备具有中空腔，所述层板冷却结构试验模拟件设置于所述中空腔内；

排气装置，所述排气装置包括第三进气口和第三出气口，所述第三进气口与所述第一环状壁的另一端连接；

疲劳试验机，与所述层板冷却结构试验模拟件连接，以用于向所述层板冷却结构试验模拟件施加载荷。

10.根据权利要求9所述的层板冷却结构疲劳试验装置，其特征在于，所述第一进气口的直径大于所述第一出气口的直径，所述进气装置还包括：

集气段，所述集气段的一端与所述第一进气口连接，所述集气段的另一端与所述第一出气口连接，且所述集气段的横截面的直径由与所述第一进气口连接的一端向与所述第一出气口连接的一端逐渐减小。

Images