CN113654976A - 一种航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，涉及航空发动机叶片服役环境模拟设备技术领域，包括样品旋转台及加热系统，样品旋转台上固定有叶片样品，加热系统包括用于对叶片样品进行加热，并同时对叶片样品表面喷射腐蚀介质的主喷枪与若干用于对叶片样品的旋转区域进行加热的辅助喷枪；本发明通实现腐蚀介质对叶片样品的热冲击，真实模拟高压转子叶片的恶劣服役环境，对叶片样品表面热障涂层的失效机理进行更准确的研究；本发明中还设置有若干辅助喷枪对叶片样品的旋转区域进行加热，从而能够保证叶片样品旋转区域保持在较高温度，保证了服役环境模拟的准确性，避免了叶片样品表面温度反复变化对热障涂层失效过程的影响。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机叶片服役环境模拟设备技术领域，特别是涉及一种航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置。
背景技术
航空发动机被誉为是“工业皇冠上的明珠”，是衡量一个国家工业水平的重要标志。随着航空发动机推重比的不断提高，涡轮前端进口温度也不断的提高，美国五代机F22的航空发动机F119涡轮前端进口温度已达到1900K。镍基单晶高温合金和Ni3Al基单晶合金目前承温能力在1400K～1500K之间，剩下400K～500K的温度差距通过气膜孔冷却技术和热障涂层技术填补。高压转子叶片直接面对燃烧室出气口，不仅要承受高温高压燃气的热冲击和巨大的转动载荷，还要经受颗粒冲蚀，钙镁铝硅氧化物腐蚀，服役条件十分恶劣，气膜孔和热障涂层引入的同时也增加了涡轮叶片失效的原因和可能，增加了航空发动机的失效隐患。所以，研究近服役条件下高压涡轮导向叶片热障涂层的失效形式和机理是十分重要的。然而，通常的拉伸、弯曲、疲劳、热冲击等力学性能试验并无法提供近服役状态下的恶劣条件，而发动机试车则会消耗大量的人力、物力和财力。
申请号为“201310009293.5”，名称为“一种模拟热障涂层服役环境并实时检测其失效的试验装置”的发明专利中，工作叶片固定在试验台上，工作叶片两侧均设置加热装置对其进行加热，同时喷射腐蚀介质，以研究工作叶片的热证涂层在模拟环境下的失效过程；但是其将工作叶片固定设置的方式难以研究叶片在高速转动情况下，服役环境对其热证涂层失效的影响；申请号为“201811506720.X”，名称为“一种工作叶片热障涂层服役载荷的等效加载装置及方法”的发明专利中设置有多个喷枪，并且每个喷枪均正对一个筒形通道，而筒形通道的另一端正对导向叶片，还设置有驱动机构，驱动结构通过涡轮盘带动涡轮盘上的工作叶片转动，通过采用沿燃气通道周向设置的多个喷枪，模拟了航空发动机的真实工作环境，喷枪产生的高温高速气体在喷至工作叶片的过程中与导向叶片互相作用，产生尾流、湍流和热斑，同时通过拉力加载机构对工作叶片进行拉伸，实现了工作叶片热障涂层离心力、高温燃气冲击、热斑、尾迹、湍流等载荷的模拟；但是其不仅缺少使用腐蚀介质对工作叶片冲击过程的模拟，而且其通过筒形通道对工作叶片进行加热，工作叶片在转动的过程中，尤其是在脱离喷枪的加热火焰后，工作叶片的温度会急剧下降，当进入喷枪的火焰范围时，温度重新上升，导致工作叶片表面温度是反复变化的，与真实的服役环境差别较大。
所以，研制出能够模拟高压转子叶片服役环境的测试装置具有重要工程意义和科学价值
发明内容
本发明的目的是提供一种航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，以解决现有技术存在的问题，真实模拟高压转子叶片的恶劣服役环境，对叶片样品表面热障涂层的失效机理进行更准确的研究。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，包括样品旋转台及加热系统，所述样品旋转台上固定有叶片样品，所述加热系统包括用于对叶片样品进行加热，并同时对叶片样品表面喷射腐蚀介质的主喷枪与若干用于对叶片样品的旋转区域进行加热的辅助喷枪。
优选的，所述主喷枪与若干所述辅助喷枪呈圆形轨迹分布，且均正对所述叶片样品的旋转路径。
优选的，所述样品旋转台包括涡轮盘及驱动部，所述驱动部通过皮带连接有中空转轴，所述中空转轴的端部固定所述涡轮盘，所述涡轮盘上固定有叶片样品；所述中空转轴与所述涡轮盘的内部设置有相连通的冷却通道，所述冷却通道一端连接冷却介质管路，另一端延伸至所述涡轮盘上用于固定叶片样品的固定端。
优选的，所述样品旋转台还包括筒状护罩，所述涡轮盘位于所述护罩的一端开口处，所述驱动部位于所述护罩外侧。
优选的，所述涡轮盘的一侧还设置有挡热板，所述挡热板的直径大于所述涡轮盘中心至叶片样品端部的距离，且中部具有供所述中空转轴穿过的通孔。
优选的，所述主喷枪与若干所述辅助喷枪均固定在喷枪夹具上，所述喷枪夹具固定在三轴移动台上。
优选的，所述主喷枪为等离子体炬喷枪，所述辅助喷枪为氧丙烷喷枪。
优选的，所述模拟装置还包括空气储罐、煤油储罐、水储罐、盐水储罐与乙醇储罐，所述煤油储罐、所述水储罐、所述盐水储罐、所述乙醇储罐的出液管均与所述空气储罐上设置的第一排气管连通，所述出液管与所述主喷枪中的用于向叶片样本喷射腐蚀介质的排液管道连通。
优选的，所述第一排气管与若干所述出液管上均设置有第一阀门。
优选的，还包括氮气储罐与送粉器，所述氮气储罐的第二排气管与所述送粉器的送粉管连通，所述第二排气管与所述主喷枪中用于向叶片样本喷射腐蚀介质的喷粉管道连通；所述第二排气管道与所述送粉管道上均设置有第二阀门。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明通过设置能够喷射腐蚀介质的主喷枪对叶片样品进行加热，可实现腐蚀介质对叶片样品的热冲击，真实模拟高压转子叶片的恶劣服役环境，对叶片样品表面热障涂层的失效机理进行更准确的研究；
2、本发明中还设置有若干辅助喷枪对叶片样品的旋转区域进行加热，从而能够保证叶片样品旋转区域保持在较高温度，使得叶片样品在远离主喷枪喷射火焰之后，在旋转区域的高温氛围下，温度不会迅速下降，仍然保持在较高温度水平，从而保证了服役环境模拟的准确性，避免了叶片样品表面温度反复变化对热障涂层失效过程造成的影响；
3、本发明中的中空转轴与涡轮盘中设置有连通的冷却通道，通过设置冷却通道，不仅能够对涡轮盘、中空转轴进行冷却，防止其在高温下过热，还能够将冷却介质通过涡轮盘端部通入叶片样品内部，从而在叶片样品内外形成温度梯度，更能够模拟转子叶片在实际服役环境中存在的温度梯度，便于研究温度梯度对热障涂层失效的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1省略实验室的结构示意图；
图3为本发明中样品旋转台与加热系统的配合结构示意图；
图4为样品旋转台的主视图；
图5为图4的侧剖视图；
图6为加热系统的结构示意图；
其中，1、叶片样品；2、主喷枪；3、辅助喷枪；4、涡轮盘；5、中空转轴；6、冷却通道；7、冷却介质管路；8、护罩；9、驱动电机；10、挡热板；11、喷枪夹具；12、三轴移动台；13、实验室；14、损伤探测器；15、排风系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，以解决现有技术存在的问题，真实模拟高压转子叶片的恶劣服役环境，对叶片样品表面热障涂层的失效机理进行更准确的研究。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1～图5所示，本实施例提供一种航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，包括样品旋转台及加热系统，样品旋转台上固定有叶片样品1，加热系统包括用于对叶片样品1进行加热，并同时对叶片样品1表面喷射腐蚀介质的主喷枪2与若干用于对叶片样品1的旋转区域进行加热的辅助喷枪3。
进行模拟实验时，将至少一个叶片样品1固定在样品旋转台上，样品旋转台带动叶片样品1转动，打开主喷枪2，利用主喷枪2对叶片样品1进行加热，并同时喷射腐蚀介质冲击叶片样品1表面，辅助喷枪3喷射火焰对叶片样品1的旋转区域进行加热。
由此，本实施例通过设置能够喷射腐蚀介质的主喷枪2对叶片样品1进行加热，可实现腐蚀介质对叶片样品1的热冲击，真实模拟高压转子叶片的恶劣服役环境，对叶片样品1表面热障涂层的失效机理进行更准确的研究；并且本实施例中还设置有若干辅助喷枪3对叶片样品1的旋转区域进行加热，从而能够保证叶片样品1旋转区域保持在较高温度，使得叶片样品1在远离主喷枪2的喷射火焰之后，在旋转区域的高温氛围下，温度不会迅速下降，仍然保持在较高温度水平，从而保证了服役环境模拟的准确性，避免了叶片样品1在主喷枪2处进行加热，远离主喷枪2后在空气的作用下冷却，表面温度反复变化对热障涂层失效过程的影响。
为了保证辅助喷枪3对叶片样品1的旋转区域进行覆盖加热，本实施例中主喷枪2与若干辅助喷枪3呈圆形轨迹分布，且均正对叶片样品1的旋转路径；具体的主喷枪2为等离子体炬喷枪，可以采用申请号为“201922401977.5”，名称为“一种模拟航空发动机服役环境的高温高速焰流发生装置”的实用新型公开的发生装置，辅助喷枪3为氧丙烷喷枪，并且可以沿圆周方向均匀设置4～6把，当然，辅助喷枪3同样采用等离子体炬喷枪也是可行的，但是价格较为昂贵，采用价格较低的氧丙烷喷枪对叶片样品1的旋转区域进行加热，使得加热系统结构简化的同时还能够降低加热系统的整体制造成本。辅助喷枪3的数量对影响旋转区域的温度的均匀程度会有所影响，本领域技术人员可以根据实际情况对辅助喷枪3的数量进行合理调整。并且本领域技术人员应当得知，虽然辅助喷枪3的数量与温度变化有一定影响，但是其对降低叶片样品1表面温度变化对热障涂层的影响仍然是有促进作用的。
为了对叶片样品1的表面热障涂层进行观测，本实施例中还设置有对叶片样品1表面的热障涂层失效过程进行监测、记录的损伤探测器14，损伤探测器14为本领域的常用装置，其采集方式也是本领域技术人员所熟知的，本实施例对此不进行赘述。
进一步的，本实施例样品旋转台还包括涡轮盘4及驱动部，驱动部通过皮带连接有中空转轴5，中空转轴5的端部固定涡轮盘4，涡轮盘4上固定有叶片样品1；中空转轴5与涡轮盘4的内部设置有相连通的冷却通道6，冷却通道6一端连接冷却介质管路7，另一端延伸至涡轮盘4上用于固定叶片样品1的固定端；其中，冷却介质优选冷却气体，并且冷却介质管路7一端连接空气压缩机，另一端与冷却通道6的端部连通，冷却通道6的端部位于中空转轴5的轴向端部；通过设置冷却通道6，不仅能够对涡轮盘4、中空转轴5进行冷却，防止其在高温下过热，还能够将冷却介质通过涡轮盘4端部通入叶片样品1内部，从而在叶片样品1内外形成温度梯度，更能够模拟转子叶片在实际服役环境中存在的温度梯度，便于研究温度梯度对热障涂层失效的影响。
本实施例中的样品旋转台还包括筒状护罩8，涡轮盘4位于护罩8的一端开口处，护罩8的另一端通过管路对内部气体进行引导，用于将主喷枪2喷出的腐蚀介质及腐蚀介质燃烧产生的废气引出室外进行处理；同时驱动部位于护罩8外侧，通过将驱动部设置在护罩8外侧，能够避免驱动部收到高温影响，其中驱动部可以为驱动电机9，驱动电机9通过皮带与中空转轴5传动连接。
为了进一步降低高温对中空转轴5等其他构件的影响，本实施例中涡轮盘4的一侧还设置有挡热板10，挡热板10的直径大于涡轮盘4中心至叶片样品1端部的距离，且中部具有供中空转轴5穿过的通孔。
为了便于移动本实施例中主喷枪2与辅助喷枪3的位置，调整加热距离，本实施例中主喷枪2与若干辅助喷枪3均固定在喷枪夹具11上，喷枪夹具11固定在三轴移动台12上，而三轴移动台12是本领域的常用设备，对其结构本实施例不作赘述。
本实施例还包括空气储罐、煤油储罐、水储罐、盐水储罐与乙醇储罐，煤油储罐、水储罐、盐水储罐、乙醇储罐的出液管均与空气储罐上设置的第一排气管连通，出液管与主喷枪2中的用于向叶片样本喷射腐蚀介质的排液管道连通；第一排气管与若干出液管上均设置有第一阀门。
还包括氮气储罐与送粉器，氮气储罐的第二排气管与送粉器的送粉管连通，第二排气管与主喷枪2中用于向叶片样本喷射腐蚀介质的喷粉管道连通，利用氮气将粉末喷至叶片样品1表面；第二排气管道与送粉管道上均设置有第二阀门。
具体的，本实施例中样品旋转台及加热系统均设置在一实验室13中，将空气储罐、煤油储罐、水储罐、盐水储罐、氮气储罐与送粉器等均设置在实验室13外部，见附图1-2，但并未对其进行标注；并且实验室13外还设置有用于对实验室13内进行排气、除尘的排风系统15。
根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，其特征在于，包括样品旋转台及加热系统，所述样品旋转台上固定有叶片样品，所述加热系统包括用于对叶片样品进行加热，并同时对叶片样品表面喷射腐蚀介质的主喷枪与若干用于对叶片样品的旋转区域进行加热的辅助喷枪。
2.根据权利要求1所述的航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，其特征在于，所述主喷枪与若干所述辅助喷枪呈圆形轨迹分布，且均正对所述叶片样品的旋转路径。
3.根据权利要求2所述的航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，其特征在于，所述样品旋转台包括涡轮盘及驱动部，所述驱动部通过皮带连接有中空转轴，所述中空转轴的端部固定所述涡轮盘，所述涡轮盘上固定有叶片样品；所述中空转轴与所述涡轮盘的内部设置有相连通的冷却通道，所述冷却通道一端连接冷却介质管路，另一端延伸至所述涡轮盘上用于固定叶片样品的固定端。
4.根据权利要求3所述的航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，其特征在于，所述样品旋转台还包括筒状护罩，所述涡轮盘位于所述护罩的一端开口处，所述驱动部位于所述护罩外侧。
5.根据权利要求4所述的航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，其特征在于，所述涡轮盘的一侧还设置有挡热板，所述挡热板的直径大于所述涡轮盘中心至叶片样品端部的距离，且中部具有供所述中空转轴穿过的通孔。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，其特征在于，所述主喷枪与若干所述辅助喷枪均固定在喷枪夹具上，所述喷枪夹具固定在三轴移动台上。
7.根据权利要求5所述的航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，其特征在于，所述主喷枪为等离子体炬喷枪，所述辅助喷枪为氧丙烷喷枪。
8.根据权利要求1所述的航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，其特征在于，所述模拟装置还包括空气储罐、煤油储罐、水储罐、盐水储罐与乙醇储罐，所述煤油储罐、所述水储罐、所述盐水储罐、所述乙醇储罐的出液管均与所述空气储罐上设置的第一排气管连通，所述出液管与所述主喷枪中的用于向叶片样本喷射腐蚀介质的排液管道连通。
9.根据权利要求8所述的航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，其特征在于，所述第一排气管与若干所述出液管上均设置有第一阀门。
10.根据权利要求9所述的航空发动机高压转子叶片服役环境模拟装置，其特征在于，还包括氮气储罐与送粉器，所述氮气储罐的第二排气管与所述送粉器的送粉管连通，所述第二排气管与所述主喷枪中用于向叶片样本喷射腐蚀介质的喷粉管道连通；所述第二排气管道与所述送粉管道上均设置有第二阀门。
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