CN115165337A - 一种涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡轮叶片旋转热‑机械疲劳试验装置及方法，属于涡轮叶片高温旋转热‑疲劳试验领域。包括试验腔、载荷施加系统、加热系统、气冷系统、测温系统和控制系统；试验腔为涡轮叶片旋转热‑机械疲劳测试提供安全的试验空间，被测叶片通过载荷施加系统置于试验腔内，载荷施加系统用于为被测叶片提供旋转离心载荷；加热系统、气冷系统和测温系统布置在被测叶片的周围；所述的控制系统用于控制载荷施加系统的转速，以及控制加热系统和气冷系统的工作参数；该装置实现了高速旋转状态下涡轮叶片快速升温和降温，通过调节感应加热功率和吹气流量实现叶片温度的精确控制，通过设计温度和转速载荷谱，实现在模拟真实工况下的全方位测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于航空发动机涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置及方法，属于涡轮叶片高温旋转热-疲劳试验领域。
背景技术
燃气涡轮叶片作为航空发动机转子件的最为关键零件，其工作温度可达1000℃以上，离心应力超过100kN-150kN(15吨)，工作环境极端恶劣。在发动机启停、巡航、加速、开加力等各种工作剖面下，叶片温度载荷和离心载荷随之发生改变，因此在设计和使用管理上需要考虑其热-机械疲劳性能，也就是温度和载荷耦合作用下的寿命问题。
目前，涡轮叶片的热-机械疲劳性能试验研究方法主要有三种：材料试验、模拟件级单轴试验、部件级单轴试验。材料试验是设计标准疲劳试样，然后挂载在材料疲劳试验机上，开展温度-载荷耦合的疲劳测试，这种方法只能反应材料的基本热-机械疲劳性能，难以推广到叶片寿命分析上；模拟件单轴试验考虑了结构引起的应力分布，但存在模拟件设计困难，与真实涡轮叶片的几何、工艺、应力状态均有较大差异等问题；部件级单轴试验是将真实叶片直接挂载到单轴拉压疲劳试验机上进行试验研究，但这种方法只能研究指定单一截面上的热-机械疲劳性能，无法真实反映叶片高速旋转状态下的离心应力(体力)分布情况与榫头接触边界条件，对叶片实际的复杂温度、载荷状态、接触边界表征不足，所建立的寿命模型准确性和适用性有限。此外，航空发动机适航规章要求，发动机叶片等关键寿命限制件在投入使用前必须开展全面的试验考核，以保证发动机的安全性和可靠性，而满足适航规章要求的试验考核必须尽量接近叶片的真实工作条件，也就是榫头接触和高温以及高速旋转离心载荷状态。
因此，亟需一种接近真实工况的涡轮叶片热-机械疲劳性能试验装置及测试方法，满足涡轮叶片高温、高速旋转耦合作用的要求，具有转速与温度可实时耦合、控制精度好、安全性高、适应范围宽的特点，解决现有叶片的热-机械疲劳无法实现高速旋转测试的问题，使得涡轮叶片的热-机械疲劳试验条件更接近发动机工况，考核更真实。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，本发明设计在高速旋转试验台上，将装配后的叶片进行局部感应加热和吹气冷却，实现了叶片的快速升温和降温控制，提供了一种可用于涡轮叶片高速旋转状态的热-机械疲劳试验系统及方法。本发明的基本原理是通过在高速旋转试验台上设计合理结构的感应加热和吹气装置，实现高速旋转状态下涡轮叶片快速升温和降温，通过调节感应加热功率和吹气流量实现叶片温度的精确控制，使之达到试验要求，通过布置真空泵和红外测温仪实现试验真空度要求和叶片温度监测。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置，包括试验腔、载荷施加系统、加热系统、气冷系统、测温系统和控制系统。
所述的试验腔为涡轮叶片旋转热-机械疲劳测试提供安全的试验空间，被测叶片通过载荷施加系统置于试验腔内，所述的载荷施加系统用于为被测叶片提供旋转离心载荷；所述的加热系统、气冷系统和测温系统布置在被测叶片的周围，分别用于为待测试的涡轮叶片提供加热和冷却功能，以及实时测量叶片温度；所述的控制系统用于控制载荷施加系统的转速，以及控制加热系统和气冷系统的工作参数。
所述的加热系统采用电磁感应加热的方式实现被测叶片的快速升温，包括感应电源、感应线圈和固定机构；所述的感应线圈通过固定机构悬挂于试验腔内部，分布于被测叶片的上端面和下端面外围，为双层结构；感应电源位于试验腔外部，感应线圈的接电线通过试验腔上设置的穿接法兰与外部的感应电源连接。
作为本发明的优选，所述的载荷施加系统包括动力装置、驱动轴、转接工装和轮盘，所述的驱动轴一端与外部的动力装置连接，另一端伸入到试验腔内；所述的轮盘通过转接工装安装在驱动轴上，被测叶片与轮盘通过榫接结构连接。
作为本发明的优选，所述的感应线圈由束磁芯和截面为矩形的空心管构成。
作为本发明的优选，双层的感应线圈通过调距螺栓转接在固定机构上，所述的调距螺栓用于调节感应线圈与被测叶片间的轴向距离和径向距离。
作为本发明的优选，所述的气冷系统包括气泵、电磁阀、吹气喷嘴、喷嘴安装盘和管路；所述的吹气喷嘴通过喷嘴安装盘沿驱动轴的周向均布，位于待测叶片的上方，且吹气喷嘴的喷气角度可调；所述的气泵位于试验腔外部，喷气喷嘴与气泵通过管路连接，电磁阀设置在外部管路上，用于调节气泵的吹气流量。
作为本发明的优选，所述的吹气喷嘴的喷气方向为叶片根部到叶片叶冠。
作为本发明的优选，所述的测温系统采用红外测温仪，所述红外测温仪的焦距在50～500mm范围调节，测温斑点直径小于1mm，具有温度显示峰值保持功能，峰值保持时间为1～5s。
作为本发明的优选，还包括摄像机，所述的摄像机布置于试验腔底部的透明观察窗下方。
一种上述的涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)将被测叶片通过载荷施加系统置于试验腔内，进行冷态试车并调整叶片，直至载荷施加系统的转子稳定运行并能达到指定转速；
2)安装加热系统，调节感应线圈的位置，保证感应线圈与叶片轴向间距不小于3mm，径向间距不小于6mm；之后进行热态试车，在载荷施加系统的变速过程中动态调整感应电源功率，根据运行结果调整感应线圈的位置，直至稳定运行并能达到指定转速；
3)安装气冷系统，调整气冷系统的喷气角度，使喷气方向为叶片根部到叶片叶冠；之后进行吹气试车，在载荷施加系统的变速过程中动态调整吹气量，根据运行结果调整喷气位置和喷气方向，直至稳定运行并能达到指定转速；
4)安装测温系统，将测温系统对准叶片测点位置；设定温度和转速载荷谱，通过控制器调节加热系统中的感应电源功率以及气冷系统的吹气量，实时显示转速和温度，记录叶片状态；
所述的温度和转速载荷谱包括同向耦合载荷谱、反向耦合载荷谱、恒温耦合载荷谱和恒速耦合载荷谱；所述的同向耦合载荷谱是指温度和转速同时上升或下降，所述的反向耦合载荷谱是指温度和转速反向上升或下降，所述的恒温耦合载荷谱是指温度不变的同时转速循环上升和下降，所述的恒速耦合载荷谱是指转速不变的同时温度循环上升和下降。
进一步的，在步骤3)所述的吹气试车过程中，设置吹气试车载荷谱包含以下三种工况：
a.首先将吹气流量加至最大并保持恒定，之后逐渐将转子增速至最大，保持一段时间后转子降速至最小，最后将吹气流量降至最小；
b.同时增大吹气流量和转速，并在吹气流量和转速均加至最大后保持一段时间，再同时降低吹气流量和转速；
c.首先将吹气流量加至最大，之后在逐渐降低吹气流量的同时逐渐增大转速，当吹气流量降至零后转子转速增至最大并保持一段时间，再逐渐增大吹气流量的同时逐渐降低转速，当转速降为零时吹气流量增至最大，循环上述过程。
本发明具备的有益效果：
1)本发明在高速旋转试验台上设计安装特殊结构的感应线圈和吹气喷嘴，实现对叶片局部位置的快速加热和快速冷却，同时通过榫接结构安装在轮盘上的叶片通过转接工装和驱动轴实现了高速旋转，最终实现了涡轮叶片高速旋转热-机械疲劳试验，同时整个系统在试验腔内部真空环境下工作，具有转速、温度可实时耦合、安全性高、适应范围宽等优点，使得涡轮叶片的热-机械疲劳试验条件更接近发动机工况，考核更真实。
2)本发明设计了专门的温度实时监测和控制系统，通过非接触式红外测温仪、控制器与感应电源、电磁阀的实时联动，能够实现叶片温度的精确调控，并能将各种转速、温度、电流、气流量等参数实时显示到计算机中供试验人员实时判断，进一步保证了叶片热-机械疲劳试验的可靠性和科学性。
附图说明
图1为涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置的结构示意图；
图2为图1的试验装置的结构组成框图；
图3为叶片局部加热冷却结构布置细节示意图；
图4涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验方法的流程图；
图5为喷气试车载荷谱；
图6为热-机械疲劳同向耦合载荷谱；
图7为热-机械疲劳反向耦合载荷谱；
图8为热-机械疲劳恒温耦合载荷谱；
图9为热-机械疲劳叶片恒速耦合载荷谱；
图中，1、试验腔，2、驱动装置，3、转速传感器，4、驱动轴，5、轮盘，6、感应线圈，7、被测涡轮叶片，8固定机构，9、真空计，10、感应电源，11、真空泵，12、气泵，13、电磁阀，14、管路，15、吹气喷嘴，16、喷嘴安装盘，17、红外测温仪，18、红外测温仪保护壳，19、观察窗，20、摄像机，21、穿接法兰，22、控制器，23、显示器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。
如图1和图2所示，一种涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置，用于对被测涡轮叶片7开展温度-转速耦合作用下的热-机械疲劳性能测试，包括试验腔1、驱动装置2、转速传感器3、驱动轴4、轮盘5、被测涡轮叶片7、感应线圈6、感应电源10、固定机构8、真空计9、真空泵11、气泵12、电磁阀13、管路14、吹气喷嘴15、喷嘴安装盘16、红外测温仪17和控制器22。
其中，所述的试验腔1、驱动装置2、转速传感器3、驱动轴4和轮盘5组成载荷施加系统，在高速旋转作用下对待测试的涡轮叶片施加离心载荷，轮盘5根据被测涡轮叶片的试验要求进行设计加工，与被测涡轮叶片通过榫接结构连接。
所述的感应线圈6、固定机构8、感应电源10组成加热系统，用于实现涡轮叶片热-机械疲劳过程中的升温控制，保证温度载荷谱满足测试需求。本实施例中，所述的感应线圈截面为6mm×8mm矩形空心管，外部安装束磁芯，以提高叶片加热效率；所述的感应线圈以同轴结构穿过绝缘法兰与感应电源连接，以降低穿接区域的漏磁情况。
红外测温仪18、控制器22等组成测温系统，用于实时测量叶片温度。
所述的真空计9、真空泵11、气泵12、电磁阀13、管路14、吹气喷嘴15、喷嘴安装盘16组成气冷系统，用于叶片热-机械疲劳过程中的快速冷却控制；其中，吹气喷嘴15数目以偶数个周向对称安装于喷嘴安装盘16上，喷嘴径向位置和气体喷出方式可调，以适应不同叶片测试需求；电磁阀用于调节吹气流量以控制降温速度。
本实施例中，真空泵11选用离心式真空泵和柱塞式真空泵并联，以提高抽真空效率，同时与气泵12相连，保证气泵工作时真空泵同时工作。
需要说明的是，加热系统中的固定机构8和气冷系统中的喷嘴安装盘16均安装于试验腔1中的轮盘5上部空间，如果轮盘较小，可将固定机构和喷嘴安装盘统一综合设计，并同时实现感应线圈的固定和喷嘴的安装。
如图3所示，给出了一种本实施例中采用的喷嘴安装盘16、吹气喷嘴15和感应线圈6的设计和安装结构，其中喷嘴安装盘16安装于试验腔上盖板，截面为倒置的近T型结构，内侧用于防止驱动轴4产生过大的不平衡量而导致转子掉落，外侧用于安装吹气喷嘴15和感应线圈6。
其中，所述的吹气喷嘴15通过安装连杆24和安装竖杆25转接到喷嘴安装盘16上，在安装竖杆25上加工U形通孔并通过螺栓连接安装连杆24，实现吹气喷嘴上下和旋转两个自由度移动，径向移动则通过安装连杆在喷嘴安装盘上移动来实现，最终实现吹气喷嘴的自由活动，以适用不同的叶片结构和尺寸，提高试验装置适配性。
所述的固定机构8安装于喷嘴安装盘上，感应线圈6通过调距螺栓26转接在固定机构8上，并可实现上下和左右的位置调节，感应线圈6在被测叶片7的上下端面对称布置，其间距由调距螺栓26调节，实现对不同叶片尺寸的加热功能。
在本发明的一个具体实施例中，考虑到叶片疲劳后期可能发生失效飞断导致转子不平衡，造成可能发生的转子掉落情况，本实施例将喷嘴安装盘16设计为中间通孔结构，驱动轴穿过通孔，喷嘴安装盘16的内侧与通孔保持1-2mm间隙，防止转子不平衡发生来回摆动而掉落。
红外测温仪17置于试验腔内部并在外安装保护壳，保护壳具有隔热功能，保证红外测温仪正常工作；所述的红外测温仪17作为测温系统，通过控制器22接受红外测温仪17测得的温度信号并与试验设置信号不断比较，进而控制电源功率和气泵流量，调节温度变化，保证测量温度与设置温度一致。
显示器23用于实时显示试验过程信息，包括转速、温度、真空度、振动特性等信号；摄像机20布置于试验腔1的底部透明观察窗下方，通过试验腔底部安装的观察窗19实时监视试验腔内部情况，并传输到显示器上。此外，还可以包括真空泵和真空计，用于保证试验腔内的真空度等。
如图4所示，上述的一种涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)根据涡轮叶片的待测转速、温度范围确定驱动轴、轮盘材料，设计并加工驱动轴、轮盘结构；
2)根据叶片结构、尺寸、空间位置等，在高速旋转试验台上安装待试验叶片转子；
3)进行冷态试车，若冷态试车时转子稳定运行并达到指定转速，驱动轴振动小于50um，可以进行下一步试验，否则，重新安装叶片转子，并冷态试车，直至满足稳定运行要求；
4)安装喷嘴安装盘、吹气喷嘴、连接管路和气泵，连接电磁阀、流量计，根据叶片位置，调节吹气喷嘴位置和角度，使喷嘴吹气方向聚焦于叶片考核部位；
5)进行吹气试车，设定转速从最小开至最大，之后线性降速至最小，期间改变吹气流量，观察试车时转子是否稳定运行并达到指定转速，若驱动轴振动小于50um，可以进行下一步试验，否则，重新调节吹气喷嘴位置和角度，并继续试车，直至满足稳定运行要求；
图5给出了吹气试车载荷谱，包括：a)首先将吹气流量加至最大并保持恒定，然后逐渐将转子增速至最大，保持一段时间后降低至最小，最后将吹气流量降至最小；b)将吹气流量加至最大，保持一段时间后降至最小，期间转子转速同步增至最大保载一段时间后降至最小；c)首先将吹气流量加至最大，然后将吹气流量降至最小，期间转子转速增至最大，之后保持一段时间，转子转速逐渐降低过程中，吹气流量逐渐增加至最大，最后将吹气流量降至最小；
6)安装感应线圈、感应电源和固定机构，调节感应线圈位置，保证线圈和叶片位置满足试验要求，本实施例中，线圈与叶片轴向间距不小于3mm，径向间距不小于6mm；
7)开启感应电源，调整电源功率使叶片达到较高温度，且低于试验温度100℃，然后开始热态试车，设定转速从最小开至最大，之后线性降速至最小，观察试车时转子是否稳定运行并达到指定转速，若驱动轴振动小于50um，可以进行下一步试验，否则，重新安装加热系统，并继续试车，直至满足稳定运行要求；
8)在试验腔内安装红外测温仪，并连接到温度测控仪上，将所有信号输入到控制器，控制器可根据温度调节加热功率和吹气流量，给定温度-转速耦合载荷谱，开始一次热-机械耦合试车，观察试车时转子是否稳定运行并达到指定转速，若驱动轴振动小于50um，可以进行下一步试验，否则，检测试验装置并继续试车，直至满足稳定运行要求。
10)若试车时各仪器和参数工作正常，开始正式试验，并记录试验过程中各参数数据，同时用摄像机监控记录试验现场情况。
图6-图9给出了本发明的试验方法可实现的热-机械疲劳耦合载荷谱，图6为同向耦合，温度和转速同步上升和下降，图7为反向耦合，温度和转速异步上升和下降，图8为恒温耦合，温度不变，转速循环上升和下降，图9为恒速耦合，转速不变，温度循环上升和下降。
通过上述试验，可以在接近真实工况下模拟待测涡轮叶片热-机械疲劳性能，满足涡轮叶片高温与高速旋转耦合作用的要求，具有转速、温度可实时耦合、控制精度好、安全性高、适应范围宽的特点，测试数据更全面、准确。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置，其特征在于，包括试验腔(1)、载荷施加系统、加热系统、气冷系统、测温系统和控制系统；
所述的试验腔(1)为涡轮叶片旋转热-机械疲劳测试提供安全的试验空间，被测叶片(7)通过载荷施加系统置于试验腔(1)内，所述的载荷施加系统用于为被测叶片提供旋转离心载荷；所述的加热系统、气冷系统和测温系统布置在被测叶片(7)的周围，分别用于为待测试的涡轮叶片提供加热和冷却功能，以及实时测量叶片温度；所述的控制系统用于控制载荷施加系统的转速，以及控制加热系统和气冷系统的工作参数；
所述的加热系统采用电磁感应加热的方式实现被测叶片的快速升温，包括感应电源(10)、感应线圈(6)和固定机构(8)；所述的感应线圈(6)通过固定机构(8)悬挂于试验腔(1)内部，分布于被测叶片的上端面和下端面外围，为双层结构；感应电源位于试验腔(1)外部，感应线圈(6)的接电线通过试验腔(1)上设置的穿接法兰与外部的感应电源连接。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置，其特征在于，所述的载荷施加系统包括动力装置、驱动轴(4)、转接工装和轮盘(5)，所述的驱动轴(4)一端与外部的动力装置连接，另一端伸入到试验腔(1)内；所述的轮盘(5)通过转接工装安装在驱动轴(4)上，被测叶片与轮盘(5)通过榫接结构连接。
3.根据权利要求1所述的涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置，其特征在于，所述的感应线圈(6)由束磁芯和截面为矩形的空心管构成。
4.根据权利要求1所述的涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置，其特征在于，双层的感应线圈通过调距螺栓转接在固定机构(8)上，所述的调距螺栓用于调节感应线圈与被测叶片间的轴向距离和径向距离。
5.根据权利要求1所述的涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置，其特征在于，所述的气冷系统包括气泵(12)、电磁阀(13)、吹气喷嘴(15)、喷嘴安装盘(16)和管路(14)；所述的吹气喷嘴(15)通过喷嘴安装盘(16)沿驱动轴的周向均布，位于待测叶片的上方，且吹气喷嘴(15)的喷气角度可调；所述的气泵(12)位于试验腔(1)外部，喷气喷嘴与气泵通过管路连接，电磁阀(13)设置在外部管路上，用于调节气泵的吹气流量。
6.根据权利要求1所述的涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置，其特征在于，所述的吹气喷嘴(15)的喷气方向为叶片根部到叶片叶冠。
7.根据权利要求1所述的涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置，其特征在于，所述的测温系统采用红外测温仪，所述红外测温仪的焦距在50mm～500mm范围调节，测温斑点直径小于1mm，具有温度显示峰值保持功能，峰值保持时间为1～5s。
8.根据权利要求1所述的涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置，其特征在于，还包括摄像机，所述的摄像机布置于试验腔(1)底部的透明观察窗下方。
9.一种基于权利要求5所述的涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将被测叶片(7)通过载荷施加系统置于试验腔(1)内，进行冷态试车并调整叶片，直至载荷施加系统的转子稳定运行并能达到指定转速；
2)安装加热系统，调节感应线圈的位置，保证感应线圈与叶片轴向间距不小于3mm，径向间距不小于6mm；之后进行热态试车，在载荷施加系统的变速过程中动态调整感应电源功率，根据运行结果调整感应线圈的位置，直至稳定运行并能达到指定转速；
3)安装气冷系统，调整气冷系统的喷气角度，使喷气方向为叶片根部到叶片叶冠；之后进行吹气试车，在载荷施加系统的变速过程中动态调整吹气量，根据运行结果调整喷气位置和喷气方向，直至稳定运行并能达到指定转速；
4)安装测温系统，将测温系统对准叶片测点位置；设定温度和转速载荷谱，通过控制器调节加热系统中的感应电源功率以及气冷系统的吹气量，实时显示转速和温度，记录叶片状态；
所述的温度和转速载荷谱包括同向耦合载荷谱、反向耦合载荷谱、恒温耦合载荷谱和恒速耦合载荷谱；所述的同向耦合载荷谱是指温度和转速同时上升或下降，所述的反向耦合载荷谱是指温度和转速反向上升或下降，所述的恒温耦合载荷谱是指温度不变的同时转速循环上升和下降，所述的恒速耦合载荷谱是指转速不变的同时温度循环上升和下降。
10.根据权利要求9所述的涡轮叶片旋转热-机械疲劳试验装置的试验方法，其特征在于，在步骤3)所述的吹气试车过程中，设置吹气试车载荷谱包含以下三种工况：
a.首先将吹气流量加至最大并保持恒定，之后逐渐将转子增速至最大，保持一段时间后转子降速至最小，最后将吹气流量降至最小；
b.同时增大吹气流量和转速，并在吹气流量和转速均加至最大后保持一段时间，再同时降低吹气流量和转速；
c.首先将吹气流量加至最大，之后在逐渐降低吹气流量的同时逐渐增大转速，当吹气流量降至0后转子转速增至最大并保持一段时间，再逐渐增大吹气流量的同时逐渐降低转速，当转速降为0时吹气流量增至最大，循环上述过程。
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