CN114088223A - 薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置及其方法，属于高温结构材料高温力学性能测试技术领域。目的是为了解决薄壁空心圆管在高温条件下的内部冷却气体与测温装置互不干涉的技术难题，从而实现通冷却气体薄壁空心圆管内壁温度的准确测量。通过工作热电偶、热电偶盖板、定位销钉和标定热电偶在标定试件上的装配，开展高温条件下通冷却气体的标定试验，从而获得标定热电偶和工作热电偶的温度响应对比图。根据试验任务要求，确定待测试件的外部施加温度和内壁温度，查阅相应标定热电偶和工作热电偶的温度响应对比图，通过控制和微调空气压缩机的冷却气体压力和流速，在待测试件上即可实现带有指定温度梯度的加热方法。
Description
技术领域
本发明涉及高温结构材料高温力学性能测试技术领域，具体提供薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置及其方法，适用于航空发动机涡轮部件材料在温度梯度条件下的综合力学性能试验。
背景技术
现代先进航空发动机的涡轮叶片和涡轮盘等核心部件在其服役条件下通常采用气体冷却技术实现降温，温度降低可以有效改善涡轮叶片和涡轮盘的使役环境，提高涡轮叶片和涡轮盘的强度并延长其使用寿命。气体冷却技术在国内外高性能航空发动机研制、生产中占有非常重要的地位。一般而言，气体冷却技术将会在涡轮叶片和涡轮盘的表面与内部之间产生一定的温度梯度。国内外相关文献研究表明，金属材料在均温和温度梯度条件下的失效机理和力学性能存在一定的差异。为了充分理解和掌握涡轮叶片和涡轮盘在温度梯度条件下的失效机理和力学性能，国内外相关研究人员在实验室通常采用通冷却气体的薄壁空心圆管开展涡轮叶片和涡轮盘材料的静力、疲劳、持久和蠕变等综合力学性能试验与分析。薄壁空心圆管具有加热效率高、温度更加均匀和所需材料少等优点，但是也存在着加工技术复杂、内壁温度不易准确测定等缺点，尤其是在薄壁空心圆管内部通冷却气体后，受薄壁空心圆管管径狭小且试样较长的双重制约，以及薄壁空心圆管内部不能安装影响冷却气体均匀流动的辅助测温装置，其内壁温度更加难以有效确定。
发明专利CN 105157864A《空心圆棒试件内壁温度的测量方法》提出了一种采用弹簧片弧形面焊接热电偶与空心圆棒试件内壁紧密接触进行温度测量的方法。发明专利CN111707390A《一种空心圆管试件内壁多点温度测量杆及其测温方法》提出了一种采用多个弹簧片和测温元件相配合并在空心圆管试件内壁上实现多点接触的方法，可实现空心圆管试件内壁的多点温度测量方法。发明专利CN 111707390A的技术实施途径与发明专利CN105157864A的技术实施途径较为相似，主要区别在于空心圆管试件内壁上温度点的数量。尽管以上测量方法可以准确测定空心圆棒试件的内壁温度，但是该测量方法不适用于通冷却气体的薄壁空心圆管内壁温度测量。这是因为长度较长的弹簧片在管径内将干扰冷却气体的稳定流动，冷却气体在管径内特定横截面上的分布并不均匀，容易产生因冷却效果不一致而影响内壁温度准确测量的技术难题。发明专利CN108507864B《一种TGMF试验中试件考核段壁厚方向温度梯度的获取方法》提出了空心圆管试件与试验机夹具、空气压缩机装配连接的试验方法，采用温度循环并开展零应力条件下的通气试验，借助于有限元软件进行流固耦合计算，获得考核段壁厚方向的温度梯度。该测量方法需要采用流固耦合有限元仿真技术确定考核段壁厚方向的温度梯度，由于流固耦合有限元仿真技术需要准确的边界条件和物理参数才能获得合理的试验结果，但是在现实中，空心圆管细长管道内的气流状态非常复杂，其进出口气流的边界条件与气体物理参数难以准确获得，从而容易造成流固耦合有限元仿真精度下降，不能准确确定空心圆管试件考核段壁厚方向的温度梯度。
发明内容
本发明的目的是：解决了在高温条件下薄壁空心圆管内部冷却气体与测温装置互不干涉以及流固耦合有限元仿真技术不易获得准确结果的技术难题，实现了薄壁空心圆管内壁温度的准确测量。
本发明的技术方案是：
提供薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置，薄壁空心圆管的厚度≤2mm，所述标定测量方法中使用标定试件，所述标定试件中间为薄壁空心圆管100，所述标定试件两端为圆管安装端101；所述标定试件中心为连续平滑空心圆管腔102；至少一个圆管安装端101开有测温孔103，所述测温孔103用于测量对应圆管安装端101的管腔温度。
所述薄壁空心圆管100开有台阶通孔104，所述台阶通孔104的上开口为渐扩型，且上开口形状为非圆形，所述台阶通孔104的台阶面开有多个销孔105。
所述台阶通孔104配合有盖板，所述盖板为凸台结构，且所述盖板与所述台阶通孔104形状配合；所述盖板外表面106为圆柱面，与所述薄壁空心圆管100外表面形成连续表面，所述盖板内表面107为圆柱面，与所述薄壁空心圆管100内壁面形成连续表面；所述盖板开有多个销孔108，所述盖板的销孔108与所述台阶通孔104的销孔105一一对应，对应盖板的销孔108和所述台阶通孔104的销孔105中插有固定销109；所述盖板外缘形状与所述台阶通孔104的上开口形状相同，以保证位置对齐。
所述盖板开设有热电偶引线孔110，可嵌入热电偶，使得热电偶能够测量对应薄壁空心圆管100的管腔温度。
进一步的，所述台阶通孔104通过微细电火花方法加工。
进一步的，所述盖板的销孔108与所述台阶通孔104的销孔105均开有键槽111，所述固定销109设有凸键112，形成形状配合，防止插错。
进一步的，所述台阶通孔104的销孔105为盲孔。
进一步的，所述台阶通孔103与盖板之间配合面的间隙不超过0.1mm。
进一步的，所述标定试件为高温合金。
提供基于上述的薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置的标定方法，包括如下步骤：
步骤1、将所述薄壁空心圆管100内壁温度标定测量装置安装到高温环境中，且在一个圆管安装端101通入冷却气体。
步骤2、在高温环境的温度T0下，多次改变冷却气体的压力p，同步测量对应薄壁空心圆管100的管腔温度T2以及圆管安装端101的管腔温度T1。
步骤3、根据冷却气体的压力p的变化规律，建立薄壁空心圆管100的管腔温度T2与圆管安装端101的管腔温度T1之间的对应关系。
进一步的，根据冷却气体的压力p的变化规律，以及薄壁空心圆管100的管腔温度T2与圆管安装端101的管腔温度T1之间的对应关系，也可以通过插值计算获得圆管安装端101的某一特定管腔温度T1对应薄壁空心圆管100的管腔温度T2。
提供基于上述的薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置的标定方法，包括如下步骤：
步骤1、将所述薄壁空心圆管100内壁温度标定测量装置安装到高温环境中，且在一个圆管安装端101通入冷却气体；
步骤2、在冷却气体的压力p不变的情况下，多次改变高温环境的温度T0，同步测量对应的薄壁空心圆管100的管腔温度T2以及圆管安装端101的管腔温度T1；
步骤3、根据高温环境的温度T0的变化规律，建立薄壁空心圆管100的管腔温度T2与圆管安装端101的管腔温度T1之间的对应关系。
进一步的，根据高温环境的温度T0的变化规律，以及薄壁空心圆管100的管腔温度T2与圆管安装端101的管腔温度T1之间的对应关系，也可以通过插值计算获得任意圆管安装端101的管腔温度T1对应薄壁空心圆管100的管腔温度T2。
利用上述的标定方法，测量薄壁空心圆管内腔温度的试验方法，包括如下步骤：
步骤1、将试验件安装在高温环境中，所述试验件中间为薄壁空心圆管113，所述试验件两端为圆管安装端114；所述试验件中心为连续平滑空心圆管腔115；至少一个圆管安装端开有测温孔116，所述测温孔116用于测量对应圆管安装端114的管腔温度T1；在一个圆管安装端114通入冷却气体；所述试验件的圆管安装端114的测温孔116位置与所述标定试件的圆管安装端101的测温孔103位置相同；
步骤2、通过测温孔116获得圆管安装端114实时的管腔温度T1；
步骤3、以步骤2测量的圆管安装端114的管腔温度T1，以及所述对应关系，得到对应的薄壁空心圆管113的管腔温度T2。
本发明的优点是：本发明可有效克服背景技术中的不足：使用标定试件进行薄壁空心圆管内壁温度测量，无需在试验件内壁焊接热电偶或采用其他技术在试验件内壁固定热电偶，有效解决了在细长的薄壁空心圆管内部焊接热电偶的传统技术难题，同时也成功解决了采用其他技术安装热电偶及其附属测温装置对薄壁空心圆管内部均匀分布冷却气体的扰动以及流固耦合有限元仿真技术不易获得准确结果的技术难题，从而提高了薄壁空心圆管内壁温度的测量精度。
2.该种通冷却气体薄壁空心圆管内壁温度间接测量方法避免了在待测试件标距段内壁安装热电偶，一方面解决了在细长的薄壁空心圆管内部安装热电偶的传统技术难题，另一方面也消除了由于安装热电偶及其附属装置对薄壁空心圆管内部均匀分布冷却气体的扰动，从而提高了薄壁空心圆管内壁温度的测量精度。
附图说明
图1是标定试件结构示意图；
图2是台阶孔结构示意图；
图3是盖板结构示意图；
图4是固定销结构示意图；
图5是试验件结构示意图；
图6是圆管安装端管腔温度T1与对应的薄壁空心圆管管腔温度T2关系示意图；
其中：100－薄壁空心圆管、101－圆管安装端、102－空心圆管腔、103－测温孔、104－台阶通孔、105－销孔、106－盖板外表面、107－盖板内表面、108－销孔、109－固定销、110－热电偶引线孔、111－键槽、112－凸键、113－薄壁空心圆管、114－圆管安装端、115－空心圆管腔、116－测温孔。
具体实施方式
将参照附图更充分地描述所公开的示例，在附图中示出了所公开示例中的一些(但并非全部)。事实上，可描述许多不同的示例并且这些示例不应该被解释为限于本文中阐述的示例。相反，描述这些示例，使得本公开将是彻底和完全的，并且将把本公开的范围充分传达给本领域的技术人员。
实施例1，提供薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置，薄壁空心圆管的厚度≤2mm，所述标定测量方法中使用标定试件，所述标定试件中间为薄壁空心圆管100，所述标定试件两端为圆管安装端101；所述标定试件中心为连续平滑空心圆管腔102；至少一个圆管安装端开有测温孔103，所述测温孔103用于测量对应圆管安装端101的管腔温度；
所述薄壁空心圆管100开有台阶通孔104，所述台阶通孔104的上开口为渐扩型，且上开口形状为非圆形，所述台阶通孔104的台阶面开有多个销孔105；
所述台阶通孔104配合有盖板，所述盖板为凸台结构，且所述盖板与所述台阶通孔104形状配合；所述盖板外表面106为圆柱面，与所述薄壁空心圆管100外表面形成连续表面，所述盖板内表面107为圆柱面，与所述薄壁空心圆管100内壁面形成连续表面；所述盖板开有多个销孔108，所述盖板的销孔108与所述台阶通孔104的销孔105一一对应，对应盖板的销孔108和所述台阶通孔104的销孔105中插有固定销109；所述盖板外缘形状与所述台阶通孔104的上开口形状相同，以保证位置对齐；
所述盖板开设有热电偶引线孔110，可嵌入热电偶，使得热电偶能够测量对应薄壁空心圆管100的管腔温度。
所述台阶通孔104通过微细电火花方法加工。
所述盖板的销孔108与所述台阶通孔104的销孔105均开有键槽111，所述固定销109设有凸键112，形成形状配合，防止插错。
所述台阶通孔104的销孔105为盲孔。
所述台阶通孔103与盖板之间配合面的间隙不超过0.1mm。
所述标定试件为高温合金。
提供基于上述的薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置的标定方法，包括如下步骤：
步骤1、将所述薄壁空心圆管100内壁温度标定测量装置安装到1000℃的高温环境中，且在一个圆管安装端101通入冷却气体；
步骤2、在1000℃的高温环境中，多次改变冷却气体的压力p(分别为0.2MPa、0.4MPa和0.6MPa)，同步测量对应薄壁空心圆管100的管腔温度T2(952℃、940℃和932℃)以及圆管安装端101的管腔温度T1(688℃、679℃和674℃)；
步骤3、根据冷却气体的压力p的变化规律，建立薄壁空心圆管100的管腔温度T2与圆管安装端101的管腔温度T1之间的对应关系。
根据冷却气体的压力p的变化规律，以及薄壁空心圆管100的管腔温度T2与圆管安装端101的管腔温度T1之间的对应关系，也可以通过插值计算获得圆管安装端101的某一特定管腔温度T1对应薄壁空心圆管100的管腔温度T2。
利用上述的标定方法，测量薄壁空心圆管内腔温度的试验方法，包括如下步骤，
步骤1、将试验件安装在1000℃的高温环境中，所述试验件中间为薄壁空心圆管113，所述试验件两端为圆管安装端114；所述试验件中心为连续平滑空心圆管腔115；至少一个圆管安装端开有测温孔116，所述测温孔116用于测量对应圆管安装端114的管腔温度T1；在一个圆管安装端114通入冷却气体；所述试验件的圆管安装端114的测温孔116位置与所述标定试件的圆管安装端101的测温孔103位置相同；
步骤2、通过测温孔116获得圆管安装端114实时的管腔温度T1为688℃；
步骤3、以步骤2测量的圆管安装端114的管腔温度T1，以及所述对应关系，得到对应的薄壁空心圆管113的管腔温度T2为952℃，也可以通过插值计算获得圆管安装端101的某一特定管腔温度T1(例如683.5℃)对应薄壁空心圆管100的管腔温度T2(约为946℃)。
实施例2，提供薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置，薄壁空心圆管的厚度≤2mm，所述标定测量方法中使用标定试件，所述标定试件中间为薄壁空心圆管100，所述标定试件两端为圆管安装端101；所述标定试件中心为连续平滑空心圆管腔102；至少一个圆管安装端开有测温孔103，所述测温孔103用于测量对应圆管安装端101的管腔温度；
所述薄壁空心圆管100开有台阶通孔104，所述台阶通孔104的上开口为渐扩型，且上开口形状为非圆形，所述台阶通孔104的台阶面开有多个销孔105；
所述台阶通孔104配合有盖板，所述盖板为凸台结构，且所述盖板与所述台阶通孔104形状配合；所述盖板外表面106为圆柱面，与所述薄壁空心圆管100外表面形成连续表面，所述盖板内表面107为圆柱面，与所述薄壁空心圆管100内壁面形成连续表面；所述盖板开有多个销孔108，所述盖板的销孔108与所述台阶通孔104的销孔105一一对应，对应盖板的销孔108和所述台阶通孔104的销孔105中插有固定销109；所述盖板外缘形状与所述台阶通孔104的上开口形状相同，以保证位置对齐；
所述盖板开设有热电偶引线孔110，可嵌入热电偶，使得热电偶能够测量对应薄壁空心圆管100的管腔温度。
所述台阶通孔104通过微细电火花方法加工。
所述盖板的销孔108与所述台阶通孔104的销孔105均开有键槽111，所述固定销109设有凸键112，形成形状配合，防止插错。
所述台阶通孔104的销孔105为盲孔。
所述台阶通孔103与盖板之间配合面的间隙不超过0.1mm。
所述标定试件为高温合金。
提供基于上述的薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置的标定方法，包括如下步骤：
步骤1、将所述薄壁空心圆管100内壁温度标定测量装置安装到高温环境中，且在一个圆管安装端101通入冷却气体；
步骤2、在冷却气体的压力0.2MPa不变的情况下，多次改变高温环境的温度T0(分别为900℃、1000℃和1100℃)，同步测量对应的薄壁空心圆管100的管腔温度T2(分别为863℃、952℃和1037℃)以及圆管安装端101的管腔温度T1(分别为611℃、688℃和755℃)；
步骤3、根据高温环境的温度T0的变化规律，建立薄壁空心圆管100的管腔温度T2与圆管安装端101的管腔温度T1之间的对应关系。
根据高温环境的温度T0的变化规律，以及薄壁空心圆管100的管腔温度T2与圆管安装端101的管腔温度T1之间的对应关系，也可以通过插值计算获得任意圆管安装端101的管腔温度T1对应薄壁空心圆管100的管腔温度T2。
利用上述的标定方法，测量薄壁空心圆管内腔温度的试验方法，包括如下步骤，
步骤1、将试验件安装在1000℃的高温环境中，所述试验件中间为薄壁空心圆管113，所述试验件两端为圆管安装端114；所述试验件中心为连续平滑空心圆管腔115；至少一个圆管安装端开有测温孔116，所述测温孔116用于测量对应圆管安装端114的管腔温度T1；在一个圆管安装端114通入冷却气体；所述试验件的圆管安装端114的测温孔116位置与所述标定试件的圆管安装端101的测温孔103位置相同；
步骤2、通过测温孔116获得圆管安装端114实时的管腔温度T1为688℃；
步骤3、以步骤2测量的圆管安装端114的管腔温度T1，以及所述对应关系，得到对应的薄壁空心圆管113的管腔温度T2为952℃，也可以通过插值计算获得在特定高温环境的温度T0(例如1050℃)下，圆管安装端101的管腔温度T1(约为721.5℃)对应薄壁空心圆管100的管腔温度T2(约为994.5℃)。
已出于例示和描述的目的展示了对不同有利布置的描述，但是该描述并不旨在是排他性的或限于所公开形式的示例。许多修改形式和变化形式对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。另外，不同的有利示例可描述与其他有利示例相比不同的优点。选择和描述所选择的一个示例或多个示例，以便最佳地说明示例的原理、实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开有进行了适于所料想特定使用的各种修改的各种示例。
Claims (11)
1.薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置，其特征在于：薄壁空心圆管的厚度≤2mm，所述标定测量方法中使用标定试件100，所述标定试件中间为薄壁空心圆管101，所述标定试件两端为圆管安装端102；所述标定试件中心为连续平滑空心圆管腔103；至少一个圆管安装端开有测温孔104，所述测温孔104用于测量对应圆管安装端102的管腔温度；
所述薄壁空心圆管100开有台阶通孔103，所述台阶通孔103的上开口为渐扩型，且上开口形状为非圆形，所述台阶通孔103的台阶面开有多个销孔；
所述台阶通孔103配合有盖板200，所述盖板为凸台结构，且所述盖板与所述台阶通孔103形状配合；所述盖板的外表面为圆柱面，与薄壁空心圆管外表面形成连续表面，所述盖板的内表面为圆柱面，与薄壁空心圆管内壁面形成连续表面；所述盖板开有多个销孔，盖板的销孔与台阶通孔的销孔一一对应，对应的盖板的销孔和台阶通孔的销孔中插有固定销；所述盖板外缘形状与台阶通孔的上开口形状相同，以保证位置对齐；
所述盖板嵌入有热电偶，使得热电偶能够测量对应薄壁空心圆管的管腔温度。
2.如权利要求1所述的薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置，其特征在于：所述台阶通孔通过微细电火花方法加工。
3.如权利要求1所述的薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置，其特征在于：所述盖板的销孔与台阶通孔的销孔均开有键槽，所述固定销设有凸键，形成形状配合。
4.如权利要求1所述的薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置，其特征在于：所述台阶通孔的销孔为盲孔。
5.如权利要求1所述的薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置，其特征在于：所述台阶通孔与盖板之间配合面的间隙不超过0.1mm。
6.如权利要求1所述的薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置，其特征在于：所述标定试件为高温合金。
7.基于上述的薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将所述薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置安装到高温环境中，且在一个圆管安装通入冷却气体；
步骤2、在高温环境的温度TO下，多次改变冷却气体的流速和压力，同步测量对应的薄壁空心圆管的管腔温度以及圆管安装端的管腔温度；
步骤3、根据冷却气体的流速和压力的变化规律，建立薄壁空心圆管的管腔温度与圆管安装端的管腔温度之间的对应关系。
8.根据权利要求7所述的基于上述的薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置的标定方法，其特征在于：根据冷却气体的流速和压力的变化规律，以及薄壁空心圆管的管腔温度与圆管安装端的管腔温度之间的对应关系，通过插值计算建立对应关系曲线。
9.基于上述的薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将所述薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置安装到高温环境中，且在一个圆管安装通入冷却气体；
步骤2、在冷却气体的流速和压力不变的情况下，多次改变高温环境的温度TO，同步测量对应的薄壁空心圆管的管腔温度以及圆管安装端的管腔温度；
步骤3、根据高温环境的温度TO的变化规律，建立薄壁空心圆管的管腔温度与圆管安装端的管腔温度之间的对应关系。
10.根据权利要求9所述的基于上述的薄壁空心圆管内壁温度标定测量装置的标定方法，其特征在于：根据高温环境的温度TO的变化规律，以及薄壁空心圆管的管腔温度与圆管安装端的管腔温度之间的对应关系，通过插值计算建立对应关系曲线。
11.利用权利要求7至10之一的标定方法，测量薄壁空心圆管内腔温度的试验方法，包括如下步骤：
步骤1、将试验件安装在高温环境中，所述试验件中间为薄壁空心圆管100，所述试验件两端为圆管安装端；所述试验件中心为连续平滑空心圆管腔；至少一个圆管安装端开有测温孔，所述测温孔用于测量对应圆管安装端的管腔温度；在一个圆管安装通入冷却气体；所述试验件的圆管安装端的测温孔位置与所述标定试件的圆管安装端的测温孔位置相同；
步骤2、通过测温孔获得实时的圆管安装端的管腔温度；
步骤3、以步骤2测量的圆管安装端的管腔温度，以及所述对应关系，得到对应的薄壁空心圆管的管腔温度。
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