CN114354334A - 一种涡轮叶片成型用材料长时服役工况模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种涡轮叶片成型用材料长时服役工况模拟试验装置，包括蠕变试验机、试样组件、冷却气氛模拟系统和做功气氛模拟系统；试样组件装夹在蠕变试验机上，主要由试样本体、外管、上夹具、下夹具组成，试样本体的合金基材以所要试验的高温合金材料制成，试样本体的内孔构成冷却气氛模拟腔，试样本体与外管之间组成做功气氛模拟腔；冷却气氛模拟系统用作向冷却气氛模拟腔输送要求压力、流量和温度的冷却气体；做功气氛模拟系统用作向做功气氛模拟腔输送要求压力、流量和温度的燃气。本发明对涡轮叶片成型用材料，可实现在长时服役过程中的热、力、化等因素耦合作用下的长时蠕变性能测试，能真实反映出所成型涡轮叶片在燃气轮机中的服役工况。

Description

一种涡轮叶片成型用材料长时服役工况模拟试验装置

技术领域

本发明涉及材料服役性能测试设备，具体为一种燃气轮机涡轮叶片（透平叶片）成型用的材料，长时服役工况模拟试验装置。

背景技术

涡轮叶片作为燃气轮机涡轮段的重要组成部件，其长期服役于高温高压的极端工况环境，是燃气轮机的典型热端部件。由于涡轮叶片长期处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，是燃气轮机工作环境最恶劣、结构最复杂的零件之一，也是燃气轮机断裂故障多发部件之一。

为了满足运行技术要求，燃气轮机的涡轮叶片内部设置有冷却气体的流道，外部表面制备有抗氧化耐腐蚀的热障涂层结构。在服役过程中，涡轮叶片外表面热障涂层至高温合金基材之间存在温度梯度，同时，涡轮叶片外表面热障涂层需要承受高温燃气的腐蚀。因而，用作成型涡轮叶片的材料（包括高温合金材料和涂层材料），应满足对应模拟试验的性能测试考核，具体而言，用作成型涡轮叶片的高温合金材料，应满足长时氧化/蠕变等性能测试考核；用作成型涡轮叶片外表面热障涂层的材料，应满足热循环、热冲击等性能测试考核。

目前，对于涡轮叶片成型用材料的性能测试考核，主要有两种模拟试验方式。其中，方式一是模拟服役工况的某一参数环境（如热、力、化），对试样进行单一性能测试；方式二是以整机试验台，对试样进行多参数环境的性能测试。

方式一的性能测试，无法针对真实服役工况对多参数环境同时、同空间开展模拟测试，从而不能真实反映出所成型涡轮叶片在燃气轮机中的服役工况。

方式二的性能测试，虽能真实反映出所成型涡轮叶片在燃气轮机中的服役工况，但其测试成本巨大，且耗时长。

发明内容

本发明的技术目的在于：针对上述涡轮叶片的特殊性，以及现有模拟测试技术的不足，提供一种结构简单、成本较低的模拟试验装置，该模拟试验装置可实现燃气轮机涡轮叶片成型用材料，在长时服役过程中的热、力、化等因素耦合作用下的长时蠕变性能测试。

本发明的技术目的通过下述技术方案实现，一种涡轮叶片成型用材料长时服役工况模拟试验装置，包括蠕变试验机，所述模拟试验装置还包括：

试样组件，所述试样组件主要由试样本体、处在所述试样本体外侧的外管、密封连接在所述试样本体和所述外管上端处的上夹具、密封连接在所述试样本体和所述外管下端处的下夹具组成，所述试样本体为中空结构，所述试样本体的合金基材以所要试验的涡轮叶片成型用高温合金材料制成，所述试样本体的内孔构成冷却气氛模拟腔，所述试样本体与所述外管之间组成做功气氛模拟腔；所述试样组件通过上夹具和下夹具装夹在所述蠕变试验机的试验机架上；

冷却气氛模拟系统，所述冷却气氛模拟系统用作向所述试样组件的冷却气氛模拟腔内，输送试验要求压力、流量和温度的冷却气体；

做功气氛模拟系统，所述做功气氛模拟系统用作向所述试样组件的做功气氛模拟腔内，输送试验要求压力、流量和温度的燃气。

上述技术措施针对于燃气轮机涡轮叶片的特殊性，对涡轮叶片成型用高温合金材料，可实现在长时服役过程中的热、力、化等因素耦合作用下的长时蠕变性能测试，从而能真实反映出所成型涡轮叶片在燃气轮机中的服役工况。

作为优选方案之一，所述试样本体的外壁具有涂层，所述涂层以所要试验的涡轮叶片用涂层材料成型。该技术措施，可实现在长时服役过程中的热、力、化等因素耦合作用之下，热障涂层的隔热效率变化规律测试，从而能进一步真实的反映出所成型涡轮叶片在燃气轮机中的服役工况。

作为优选方案之一，所述试样本体的内孔内装有中空结构的内衬管，所述内衬管的外表面开设有至少一道能够排布内测温热电偶的测温通道。该技术措施通过内衬管将热电偶设置在合金基材的内壁，避免了在合金基材内部开设测温通道而对力学性能测试造成的影响；此外，通过内衬管在合金基材内壁安装热电偶的技术措施，可以灵活的在试样本体的不同位置沿圆周方向排布多根热电偶，以实现针对合金基材不同区域的温度检测，有利于试验更为灵活、全面。

作为优选方案之一，所述外管为陶瓷管、石英或铂筒管结构，所述外管的上端和下端分别以动密封组件对应连接上夹具和下夹具；

所述动密封组件主要由动密封法兰盘和耐高温波纹管组成，所述动密封法兰盘连接在所述外管的对应端部处，所述耐高温波纹管的一端连接所述动密封法兰盘、另一端连接对应的上夹具/下夹具，所述耐高温波纹管的变形量大于试样本体的蠕变变形量。

上述技术措施的外管，能够确保加热器稳定地对做功气氛模拟腔进行热辐射，进而确保做功气氛模拟腔内的温度可靠地维持在试验设计要求范围内。

上述技术措施的动密封组件，能够确保外管的上、下端与对应夹具之间形成相对活动的密封连接，以保障试样本体受力发生蠕变，满足力学测试。

作为优选方案之一，所述上夹具上设有燃气进气接头，所述燃气进气接头的外端用作与做功气氛模拟系统的做功燃气管线密封连接，所述燃气进气接头的内端连通做功气氛模拟腔；

所述下夹具上设有燃气出气接头，所述燃气出气接头的外端用作与做功气氛模拟系统的做功废气管线密封连接，所述燃气出气接头的内端连通做功气氛模拟腔。该技术措施有利于排布结构简单化，避免试样本体和外管受进、出气结构的影响，稳定性好。

进一步的，所述上夹具上的燃气进气接头为周向对称排布的多个；

所述下夹具上的燃气出气接头为周向对称排布的多个。该技术措施，可以有效避免因单点进、出而对夹具带来的周向温度差，避免夹具在长时测试过程中发生变形。

作为优选方案之一，所述上夹具上设有冷却进气接头，所述冷却进气接头的外端用作与冷却气氛模拟系统的冷却气体管线密封连接，所述冷却进气接头的内端连通冷却气氛模拟腔；

所述下夹具上设有冷却出气接头，所述冷却出气接头的外端用作对冷却气体进行排放，所述冷却出气接头的内端连通冷却气氛模拟腔。该技术措施有利于排布结构简单化，避免试样本体和外管受进、出气结构的影响，稳定性好。

进一步的，所述上夹具上的冷却进气接头为周向对称排布的多个；

所述下夹具上的冷却出气接头为周向对称排布的多个。该技术措施，可以有效避免因单点进、出而对夹具带来的周向温度差，避免夹具在长时测试过程中发生变形。

作为优选方案之一，所述做功气氛模拟系统的做功燃气管线上设置有海水模拟器，进入做功气氛模拟腔的燃气流经海水模拟器携带腐蚀介质。该技术措施可使进入做功气氛模拟腔的燃气携带Cl、Na、S、Ca等离子，模拟涡轮叶片成型用材料受到燃气的腐蚀工况环境。

作为优选方案之一，所述蠕变试验机的加热器设置在所述试样组件的外管外周，通过所述外管对做功气氛模拟腔进行热辐射。该技术措施将加热器排布于做功气氛模拟腔的外部，以热辐射对做功气氛模拟腔进行加热，使加热器本身不受做功气氛模拟腔所受热量的影响，从而可靠延长了加热器的使用寿命，保证了加热器在长时高温工况下运行的安全性。

本发明的有益技术效果是：上述技术措施针对于燃气轮机涡轮叶片的特殊性，对涡轮叶片成型用材料，可实现在长时服役过程中的热、力、化等因素耦合作用下的长时蠕变性能测试，以及隔热效率变化规律测试，从而能够真实地反映出所成型涡轮叶片在燃气轮机中的服役工况。相较于整机试验台而言，其结构简单、成本较低，模拟试验效率高。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图。

图2为图1中的试样组件结构示意图。

图3为图2中的试样本体的结构示意图。

图中代号含义：

1—蠕变试验机；11—立柱；12—横梁；13—上接头；14—下接头；15—测控器；16—加热器；

2—冷却气氛模拟系统；21—冷却气体管线；22—压流调控器；23—预热器；

3—做功气氛模拟系统；31—做功燃气管线；32—压流调控器；33—海水模拟器；34—预热器；35—做功废气管线；36—废气处理器；

4—试样组件；41—试样本体；411—合金基材；412—涂层；413—内衬管；414—气体流道三；42—上夹具；421—上法兰盘；422—冷却进气接头；423—气体流道一；424—燃气进气接头；43—下夹具；431—下法兰盘；432—冷却出气接头；433—气体流道二；434—燃气出气接头；44—动密封组件；441—动密封法兰盘；442—波纹管；45—外测温热电偶；46—内测温热电偶；47—外管。

具体实施方式

本发明涉及材料服役性能测试设备，具体为一种燃气轮机涡轮叶片（透平叶片）成型用的材料，长时服役工况模拟试验装置，下面以多个实施例对本发明的主体技术内容进行详细说明。其中，实施例1结合说明书附图-即图1、图2和图3对本发明的技术方案内容进行清楚、详细的阐释；其它实施例虽未单独绘制附图，但其主体结构仍可参照实施例1的附图。

在此需要特别说明的是，本发明的附图是示意性的，其为了清楚本发明的技术目的已经简化了不必要的细节，以避免模糊了本发明贡献于现有技术的技术方案。

实施例1

参见图1、图2和图3所示，本发明包括蠕变试验机1、试样组件4、冷却气氛模拟系统2和做功气氛模拟系统3。

蠕变试验机1主要由主机、试验机架、测控器15、加热器16等组成。其中，试验机架主要由两组立柱11、及处在两组立柱11之间的横梁12组成，横梁12上连接有上接头13。主机用作对试验机架所装夹试样组件4输出蠕变性能测试的拉拔力，主机的输出端连接有下接头14。测控器15集成了各温度传感器和各应变传感器，主要用作控制并采集各试验设计点位的温度信号及形变检测信号。加热器16为马弗炉或感应加热装置，其温控范围为400～1700℃。

试样组件4主要由试样本体41、上夹具42、下夹具43、外管47、动密封组件44等组成。

具体的，试样本体41为高温合金材料成型的中空管结构，高温合金材料构成了试样本体41的合金基材411，该高温合金材料即为所要试验的涡轮叶片成型用高温合金材料，也就是说，合金基材411是以所要试验的涡轮叶片成型用高温合金材料制成。合金基材411的上、下两端外壁分别加工有螺纹结构，上、下螺纹之间的合金基材411外壁具有涂层412，该涂层412是以所要试验的涡轮叶片用涂层材料成型。试样本体41的内孔内，紧接装配有中空结构的内衬管413，在该内衬管413的外壁，根据试验测温设计要求，开设有至少一道能够排布内测温热电偶46的测温通道，排布其间的内测温热电偶46能够与合金基材411内壁面相接触。

上夹具42的上端用作与试验机架上的上接头13螺纹连接。上夹具42内部的中下部区域，开设有通至下端面的气体通道一423，在该气体通道一423的下端处设置有能够连接试样本体41上端部的螺纹接头，当试样本体41连接于上夹具42下端时，试样本体41的内孔-即气体通道三414与气体通道一423保持相通。在气体通道一423上端处所对应的上夹具42上，径向开设有两个冷却进气接头422，这两个冷却进气接头422形成周向基本对称的排布结构。上夹具42的中部处外周设置有法兰盘结构-即上法兰盘421，其处在冷却进气接头422的下侧处，上法兰盘421的内圈处沿轴向开设有两个燃气进气接头424，这两个燃气进气接头424形成周向基本对称的排布结构。

下夹具43的下端用作与试验机架上的下接头14螺纹连接。下夹具43内部的中上部区域，开设有通至上端面的气体通道二433，在该气体通道二433的上端处设置有能够连接试样本体41下端部的螺纹接头，当试样本体41连接于下夹具43上端时，试样本体41的内孔-即气体通道三414与气体通道二433保持相通。在气体通道二433下端处所对应的下夹具43上，径向开设有两个冷却出气接头432，这两个冷却出气接头432形成周向基本对称的排布结构。下夹具43的中部处外周设置有法兰盘结构-即下法兰盘431，其处在冷却出气接头432的上侧处，下法兰盘431的内圈处沿轴向开设有两个燃气出气接头434，这两个燃气出气接头434形成周向基本对称的排布结构。

上述试样本体41通过上端与上夹具42连接、通过下端与下夹具43连接，试样本体41内的气体通道三414、上夹具42内的气体通道一423、下夹具43内的气体通道二433依次连通，组成了冷却气氛模拟腔。

外管47为中空的陶瓷管结构（或石英管结构、亦或铂筒结构），其内径大于上述试样本体41的外径、亦大于上夹具42和下夹具43的外径（上、下法兰盘除外），外管47的长度对应于试验前上、下夹具通过试样本体41的相对位置。外管47套在试样本体41的外部，二者之间形成环空间隙，外管47的上端靠近于上夹具42的上法兰盘421底面、下端靠近于下夹具43的下法兰盘431的顶面，外管47的上端通过动密封组件44连接在上夹具42的上法兰盘421上，并将上法兰盘421内圈处的燃气进气接头424围罩；外管47的下端通过动密封组件44连接在下夹具43的下法兰盘431上，并将下法兰盘431内圈处的燃气出气接头434围罩。从而使外管47与试样本体41、上夹具42、下夹具43之间组成做功气氛模拟腔。

动密封组件44为两组，分置在上夹具42与外管47上端的连接处，及下夹具43与外管47下端的连接处。动密封组件44主要由动密封法兰盘441和耐高温波纹管442组成，动密封法兰盘441连接在外管47的对应端部处，耐高温波纹管442的一端通过螺栓连接动密封法兰盘441、另一端通过螺栓连接对应的上法兰盘421/下法兰盘431，耐高温波纹管442的变形量应大于试样本体41在试验中的蠕变变形量。

上述结构的试样组件4，上端通过上夹具42装夹在试验机架的上接头13上，下端通过下夹具43装夹在试验机架的下接头14上。蠕变试验机1的加热器16处在试样组件4的外周，加热器16通过对外管47的热辐射以保证做功气氛模拟腔内的温度保持在试验设计要求的800～1200℃之间。蠕变试验机1的主机通过下接头14对试样组件4施加试验力。

通过上述结构可知，上夹具42上的冷却进气接头422外端用作连通外部设备、内端连通冷却气氛模拟腔，上夹具42上的燃气进气接头424外端用作连通外部设备、内端连通做功气氛模拟腔，下夹具43上的冷却出气接头外端用作连通外部设备、内端连通冷却气氛模拟腔，下夹具43上的燃气出气接头434外端用作连通外部设备、内端连通做功气氛模拟腔。

冷却气氛模拟系统2用作向试样组件4的冷却气氛模拟腔内，输送试验要求压力、流量和温度的冷却气体。冷却气氛模拟系统2主要由压缩空气气源、冷却气体管线21、压流调控器22、预热器23组成。

压缩空气气源的压力为0.2～0.8Mpa，流量≥1m³/min。

其中，冷却气体管线21为不锈钢材质，其连接在压缩空气气源与上述试样组件4之间，即冷却气体管线21密封连接在试样组件4的各冷却进气接头422上。

压流调控器22连接在冷却气体管线21上，用作调节冷却气体管线21所输送冷却气体的压力和流量，使进入试样组件4的冷却气体压力和流量满足试验设计要求，例如压流调控器22应对所输送压缩空气的压力在0.01～0.5Mpa范围内可调，对所输送压缩空气的流量在5～100L/min范围内可调。

预热器23连接在冷却气体管线21上，用作调节冷却气体管线21所输送冷却气体的温度，使进入试样组件4的冷却气体温度满足试验设计要求，预热器23处在压流调控器22的下游。例如预热器23对所输送压缩空气的温度在室温～550℃范围内可调。

做功气氛模拟系统3用作向试样组件4的做功气氛模拟腔内，输送试验要求压力、流量和温度的燃气。做功气氛模拟系统3主要由气源、做功燃气管线31、压流调控器32、海水模拟器33、预热器34、做功废气管线35、废气处理器36组成。

其中，气源是将压缩空气与天然气按约1：40～1：70的比例范围混合，混合后的气体作为试验做功用的燃气，向做功气氛模拟腔内输送。

做功燃气管线31为高温合金材质，其连接在气源与上述试样组件4之间，即做功燃气管线31密封连接在试样组件4的各燃气进气接头424上。

压流调控器32连接在做功燃气管线31上，用作调节做功燃气管线31所输送燃气的压力和流量，使进入试样组件4的燃气压力和流量满足试验设计要求。例如压流调控器32应对所输送燃气的压力在0.01～0.5Mpa范围内可调，对所输送燃气的流量在1～100L/min范围内可调。

海水模拟器33作为人工模拟海水设备，其连接在做功燃气管线31上，处在压流调控器32的下游，为流经而过的燃气提供Cl、Na、S、Ca等离子，以模拟燃气轮机燃气的腐蚀介质。

预热器34连接在做功燃气管线31上，用作调节做功燃气管线31所输送燃气的温度，使进入试样组件4的燃气温度满足试验设计要求，预热器34处在压流调控器32的下游。例如预热器34对所输送燃气的温度在800～1200℃范围内可调。

做功废气管线35采用高温合金制成，其上游端密封连接在试样组件4的燃气出气接头434上，下游端与废气处理器36连接。

废气处理器36内盛装有弱碱性水溶液，用作对所排放的做功废气进行环保处理。

在试验过程中，上述做功气氛模拟腔内根据试验设计要求装有至少一根（通常为2～4根）外测温热电偶45，外测温热电偶45相较靠近试样本体41的涂层412。在试样组件4内根据试验设计要求装有至少一根（通常为2～4根）内测温热电偶46。这些热电偶与蠕变试验机1的测控器15连接，用于对加热器16辐射温度的控制反馈。

实施例2

本实施例的其它内容与实施例1相同，不同之处在于：试样组件的试样本体无涂层结构，即仅模拟试验高温合金材料的性能，不涉及涂层。

以上各实施例仅用以说明本发明，而非对其限制。

尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述实施例进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片成型用材料长时服役工况模拟试验装置，包括蠕变试验机（1），其特征在于，所述模拟试验装置还包括：

试样组件（4），所述试样组件（4）主要由试样本体（41）、处在所述试样本体（41）外侧的外管（47）、密封连接在所述试样本体（41）和所述外管（47）上端处的上夹具（42）、密封连接在所述试样本体（41）和所述外管（47）下端处的下夹具（43）组成，所述试样本体（41）为中空结构，所述试样本体（41）的合金基材（411）以所要试验的涡轮叶片成型用高温合金材料制成，所述试样本体（41）的内孔构成冷却气氛模拟腔，所述试样本体（41）与所述外管（47）之间组成做功气氛模拟腔；所述试样组件（4）通过上夹具（42）和下夹具（43）装夹在所述蠕变试验机（1）的试验机架上；

冷却气氛模拟系统（2），所述冷却气氛模拟系统（2）用作向所述试样组件（4）的冷却气氛模拟腔内，输送试验要求压力、流量和温度的冷却气体；

做功气氛模拟系统（3），所述做功气氛模拟系统（3）用作向所述试样组件（4）的做功气氛模拟腔内，输送试验要求压力、流量和温度的燃气。

2.根据权利要求1所述涡轮叶片成型用材料长时服役工况模拟试验装置，其特征在于，所述试样本体（41）的外壁具有涂层（412），所述涂层（412）以所要试验的涡轮叶片用涂层材料成型。

3.根据权利要求1或2所述涡轮叶片成型用材料长时服役工况模拟试验装置，其特征在于，所述试样本体（41）的内孔内装有中空结构的内衬管（413），所述内衬管（413）的外表面开设有至少一道能够排布内测温热电偶（46）的测温通道。

4.根据权利要求1所述涡轮叶片成型用材料长时服役工况模拟试验装置，其特征在于，所述外管（47）为陶瓷管、石英管或铂筒管结构，所述外管（47）的上端和下端分别以动密封组件（44）对应连接上夹具（42）和下夹具（43）；

所述动密封组件（44）主要由动密封法兰盘（441）和耐高温波纹管（442）组成，所述动密封法兰盘（441）连接在所述外管（47）的对应端部处，所述耐高温波纹管（442）的一端连接所述动密封法兰盘（441）、另一端连接对应的上夹具（42）/下夹具（43），所述耐高温波纹管（442）的变形量大于试样本体（41）的蠕变变形量。

5.根据权利要求1或4所述涡轮叶片成型用材料长时服役工况模拟试验装置，其特征在于，所述上夹具（42）上设有燃气进气接头（424），所述燃气进气接头（424）的外端用作与做功气氛模拟系统（3）的做功燃气管线（31）密封连接，所述燃气进气接头（424）的内端连通做功气氛模拟腔；

所述下夹具（43）上设有燃气出气接头（434），所述燃气出气接头（434）的外端用作与做功气氛模拟系统（3）的做功废气管线（35）密封连接，所述燃气出气接头（434）的内端连通做功气氛模拟腔。

6.根据权利要求5所述涡轮叶片成型用材料长时服役工况模拟试验装置，其特征在于，所述上夹具（42）上的燃气进气接头（424）为周向对称排布的多个；

所述下夹具（43）上的燃气出气接头（434）为周向对称排布的多个。

7.根据权利要求1或4所述涡轮叶片成型用材料长时服役工况模拟试验装置，其特征在于，所述上夹具（42）上设有冷却进气接头（422），所述冷却进气接头（422）的外端用作与冷却气氛模拟系统（2）的冷却气体管线（21）密封连接，所述冷却进气接头（422）的内端连通冷却气氛模拟腔；

所述下夹具（43）上设有冷却出气接头（432），所述冷却出气接头（432）的外端用作对冷却气体进行排放，所述冷却出气接头（432）的内端连通冷却气氛模拟腔。

8.根据权利要求7所述涡轮叶片成型用材料长时服役工况模拟试验装置，其特征在于，所述上夹具（42）上的冷却进气接头（422）为周向对称排布的多个；

所述下夹具（43）上的冷却出气接头（432）为周向对称排布的多个。

9.根据权利要求1所述涡轮叶片成型用材料长时服役工况模拟试验装置，其特征在于，所述做功气氛模拟系统（3）的做功燃气管线（31）上设置有海水模拟器（33），进入做功气氛模拟腔的燃气流经海水模拟器（33）携带腐蚀介质。

10.根据权利要求1所述涡轮叶片成型用材料长时服役工况模拟试验装置，其特征在于，所述蠕变试验机（1）的加热器（16）设置在所述试样组件（4）的外管（47）外周，通过所述外管（47）对做功气氛模拟腔进行热辐射。

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