CN211291960U - 一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，包括高速旋转试验台、电磁感应电源、感应加热线圈、冷却罩、冷却水管、循环冷却水机、热电偶和温度显示器；利用金属的电磁感应加热原理，通过设计合理形式的感应装置实现高速旋转状态下涡轮叶片叶冠处的局部加热，叶冠局部温度升高后，通过热传导使叶根处关键考核部位的温度发生变化，调节感应加热线圈电流和频率实现叶片温度的精确控制，使之达到试验要求。同时，在涡轮盘上下两侧布置循环水冷却装置，确保叶片和涡轮盘形成梯度温度场；保证高速旋转状态下涡轮盘材料强度达标，而不会先于叶片发生低循环疲劳失效。可用于航空发动机燃气涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验。

Description

一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于实现航空发动机涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，用于航空发动机涡轮叶片的高温旋转疲劳试验领域。

背景技术

航空发动机燃气涡轮转子包括涡轮盘、涡轮轴、涡轮叶片等零件组成，其中涡轮叶片是把高温燃气转变为转子机械能的关键部件。其工作时，不仅被经常变化的高温燃气所包围，产生温度应力；还会承受高速旋转所带来的巨大离心应力，气动力以及振动载荷。这种恶劣的工作环境使得燃气涡轮叶片成为决定航空发动机寿命的主要部件之一，叶片一旦发生破坏失效将导致极其严重的后果，因此涡轮叶片的结构强度十分重要。

航空发动机在服役期间发生多次启停工况，会产生所谓的低循环疲劳问题，考虑到涡轮叶片的高温工作状态，需要开展涡轮叶片高温下的低循环疲劳试验。针对涡轮叶片高温低循环疲劳中同时存在高温、高离心应力的特点，目前的试验方法主要有三种：模拟件试验、试车台试验以及高速旋转试验台试验。模拟件试验的主要问题为：模拟件设计困难，与真实涡轮转子叶片的几何、工艺、应力状态均有一定差异。在发动机试车台上进行挂片试验能够较准确的模拟叶片的应力场和温度场，但试车台试验时需要在涡轮盘一周均布置叶片，单个叶片发生疲劳破坏失效后在机匣中与其他叶片碰撞，造成大量叶片失效并损坏机匣，试验过程复杂、试验成本巨大，且试车过程中叶片失效影响因素过多，很难专门分析高温低循环疲劳机理。在实验室利用高速旋转试验台开展叶片高温低循环旋转疲劳试验时，可以在涡轮盘上布置少数对称叶片并添加配重块，试验成本低、试验后便于收集检测和分析叶片失效模式。此时，为了模拟叶片高温工作状态，需要将燃气涡轮转子整体置于高温炉中，将涡轮盘和叶片加热到同一温度。但涡轮叶片转子在实际工作时，在叶片温度较高，涡轮盘温度较低，存在一个梯度温度场。基于此梯度温度场分布特征，实际涡轮盘所用材料与叶片材料有所不同，其适用温度范围小于叶片实际温度，若在试验中使用与实际情况相同的涡轮盘和叶片，则可能会出现涡轮盘先于叶片发生低循环疲劳失效的情况，从而无法达到考核叶片低循环疲劳寿命的目的，导致试验失败。如果选用与叶片相同材料制作试验用涡轮盘，不仅与发动机真实结构不符，还会显著增大试验成本、延长试验周期。

由此可见，目前航空发动机涡轮转子叶片高温低循环旋转疲劳试验中无法实现涡轮叶片转子的梯度温度场，从而导致试验成本巨大、试验效率较低，甚至会出现涡轮盘先于叶片发生提前失效的情况。

发明内容

本实用新型针对现有试验技术的不足，创造性的提出通过在叶片叶冠部位进行局部感应加热，实现了从叶片顶部到叶根到涡轮盘的梯度温度分布特征，提供了一种可用于航空发动机燃气涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置。本实用新型的基本原理是利用金属的电磁感应加热原理，通过设计合理形式的感应装置实现高速旋转状态下涡轮叶片叶冠处的局部加热，叶冠局部温度升高后，通过热传导使叶根处关键考核部位的温度发生变化，调节感应加热线圈电流和频率实现叶片温度的精确控制，使之达到试验要求。同时，在涡轮盘上下两侧布置循环水冷却装置，确保叶片和涡轮盘形成梯度温度场，保证高速旋转状态下涡轮盘材料强度达标，而不会先于叶片发生低循环疲劳失效。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，包括高速旋转试验台、电磁感应电源、感应加热线圈、冷却罩、冷却水管、循环冷却水机、热电偶和温度显示器；

所述的高速旋转试验台包括由盖板和底座围成的试验腔体、电机、增速头、芯轴、涡轮盘和涡轮叶片；所述增速头的一端与电机连接，另一端穿过盖板中心的开孔伸入试验腔体中，通过连接件与芯轴连接；涡轮盘安装在芯轴上，涡轮盘与涡轮叶片榫接固定；

涡轮叶片的外圈设有带开口的环形感应加热线圈；带开口的环形感应加热线圈通过底座上的支架固定，并与试验腔体外部的变频感应电源连接；

涡轮盘的外围设有冷却罩，冷却罩通过支撑座固定在试验腔体内；冷却罩的外壁上缠绕冷却水管，冷却水管与试验腔体外部的循环冷水机连接；

涡轮叶片侧壁、涡轮盘和冷却罩表面靠近涡轮叶片的位置安装热电偶，热电偶引线与试验腔体外部的温度显示器连接。

优选的，所述带开口的环形感应加热线圈到涡轮叶片顶部的距离为1.8～5.8mm，优选为1.8～3.8mm。

优选的，所述高速旋转试验台的盖板上设有供冷却水管穿过的通孔，通孔处填塞绝缘胶。

优选的，所述带开口的环形感应加热线圈包括绕成4/5～5/6圆环状的上下双层感应铜管，双层感应铜管由一根感应铜管来回绕制而成；感应铜管周围布置U型束磁装置，U型束磁装置开口向内；感应铜管的上方和下方分别设有绝缘上固定板和下固定板，上、下固定板之间通过螺栓紧固。

优选的，所述高速旋转试验台的盖板上设有安装孔，安装孔处安装绝缘法兰，绝缘法兰上设有连接感应加热线圈中的感应铜管的接头，变频感应电源与感应铜管的接头连接。

优选的，所述冷却罩包括上冷却罩和下冷却罩，所述上冷却罩套设在位于涡轮叶片上方的涡轮盘的外壁外围，下冷却罩套设在位于涡轮叶片下方的涡轮盘的外壁外围；上冷却罩和下冷却罩分别通过支撑座固定在试验腔体内。

优选的，所述上冷却罩和下冷却罩的内壁与涡轮盘的外壁平行，上、下冷却罩内壁与涡轮盘外壁之间的缝隙为2～8mm，优选为2～4mm。

优选的，所述冷却罩和冷却水管的材质为铜。

本实用新型具备的有益效果：

1)本实用新型采用感应加热线圈对叶片叶冠局部位置进行加热，使局部温度迅速升高；在热传导作用下，热量向叶根及涡轮盘方向扩展，从根本上实现了整个转子的温度梯度场分布特征。盖板上的绝缘法兰确保感应加热线圈在通过盖板时其感应磁场不会对盖板产生明显的感应加热效应。变频感应电源自带电流和功率显示器，可以监测感应线圈的电流和功率变化情况；试验中，可以调节感应频率或电流的大小从而改变叶片局部位置温度场，实现叶片考核部位温度精确控制。

2)本实用新型在涡轮盘的外壁上套设冷却罩，冷却罩固定在试验腔体中不随涡轮盘旋转，在铜制冷却罩上缠绕铜管，内通冷水以带走涡轮盘辐射到冷却罩上的热量，从而降低涡轮盘温度。循环冷水机可通过改变水管内压力差确保冷水在水管内具有足够的流速以带走足够热量，进一步保证了涡轮转子的梯度温度场分布特征。

3)本实用新型布置多个热电偶用于检测涡轮盘和涡轮叶片典型位置处的温度，作为转子梯度温度场检测参数；由于涡轮盘和涡轮叶片上的热电偶不能随涡轮盘旋转，因此本实用新型还在冷却罩上的参考位置布置热电偶，通过涡轮盘、涡轮叶片和冷却罩上不同位置的温度值之间的关系，在试验过程中也能够通过冷却罩上的参考温度值对涡轮盘、涡轮叶片上的温度进行调控，保证了试验过程中的温度场稳定。

附图说明

图1为涡轮叶片梯度温度场旋转疲劳试验装置结构示意图；

图2(a)为感应加热线圈结构示意图；

图2(b)为感应加热线圈原理图；

图3为冷却罩和冷却水管的结构示意图；

图4热电偶布置位置示意图；

图5为叶片旋转疲劳试验过程中温度和转速变化曲线图；

图6为叶片叶冠局部加热后温度场分布图；

图中，1、真空腔盖板，2、小支撑底座，3、大支撑底座，4、小安装环，5、涡轮叶片，6、大安装环，7、热电偶引线，8热电偶，9、固定支架，10、增速头，11、柔性轴，12、涡轮盘，13、冷却水管，14、冷却罩，15、感应加热线圈，16、感应线圈引线，17、温度显示器，18、变频感应电源，19、循环冷水机，20、固定螺母，21、绝缘法兰，22、感应铜管，23、绝缘固定板，24、束磁装置，25、上冷却罩，26、下冷却罩，27、试验器底座，28、转接芯轴。

具体实施方式

本实用新型基于感应加热原理和水冷原理设计了一种实现涡轮叶片转子梯度温度场旋转疲劳试验的装置。其中感应加热线圈、变频感应电源、循环水冷机、冷却罩和冷却水管组成加热冷却系统，热电偶和温度显示器组成温度监测系统。在高速旋转试验台的真空腔盖板上预留用于连接感应加热线圈和冷却水管的通孔，感应加热线圈设计成带开口环形回路用以加热涡轮叶片的叶冠，并通过盖板上的绝缘法兰与腔外变频感应电源相连接。冷却水管通过通孔与腔外冷水机相连，并在通孔处填塞绝缘胶以防止漏气。根据试验要求的不同，将热电偶布置于不同位置，并通过热电偶引线引出试验腔体外，连接到温度显示器上。下面结合附图和实施例进一步阐述本实用新型。

如图1所示，一种实现航空发动机燃气涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，主要包括感应加热线圈15、冷却罩14、热电偶8及其引线、变频感应电源18、冷却水机19、温度显示表17、涡轮盘12和涡轮叶片5。

盖板1、试验器底座27围成试验腔体，在试验过程中将试验腔体抽真空形成真空腔；所述试验器底座为柱体，其横截面为圆环，大安装环6通过螺钉安装在大支撑底座3的底面，可拆卸；大支撑底座3的顶面螺钉安装在真空腔盖板1上；真空腔盖板与试验器底座之间安装橡胶圈保证密封效果。增速头10穿过真空腔盖板中心的开孔伸入试验腔体中，通过柔性轴11与转接芯轴28连接；涡轮盘安装在芯轴上，涡轮盘与涡轮叶片榫接固定；

涡轮叶片的外围设有感应加热线圈15，大安装环上设有固定支架9，感应加热线圈15安装于固定支架9上，与涡轮叶片的安装高度一致。感应加热线圈15导线穿过真空腔盖板与外部的变频感应电源18相连接，通过220V电压供电，加热功率可达48kW，能够使叶片顶部局部区域温度迅速由室温升高至800℃以上。

涡轮盘的外壁外围套设有冷却罩，冷却罩通过支撑座固定在试验腔体内；冷却罩的外壁上缠绕冷却水管；冷却罩14和冷却水管13均为铜制并焊接在一起，通过螺钉与小支撑底座2、小安装环4、大安装环6固定在旋转试验台试验腔体中。在真空腔盖板上开孔将冷却水管引出，与外部循环冷水机19相连，从而形成冷却水环路。将热电偶8焊接于涡轮叶片叶根侧壁和冷却罩侧壁上，用于监测感应加热过程中的不同位置温度变化，热电偶引线7穿过真空腔盖板，与试验腔体外部的温度显示器连接。

高速旋转试验台的外部有变频感应电源18、循环冷水机19和温度显示器17。温度显示器17用于实时显示多个热电偶所测不同位置处的温度，并输出4-20mV电压信号。变频感应电源18通过改变功率大小调节加热效果，接入温度显示器17输出电压信号后，还可以实时检测温度变化，实现功率自动控制。循环冷水机19通过控制循环水流量，调节冷却罩的冷却能力。

作为本实用新型的优选实施方式，真空腔盖板上设有供冷却水管穿过的通孔，通孔处填塞绝缘胶，防止漏气。

作为本实用新型的优选实施方式，如图2(a)所示，所述带开口的环形感应加热线圈包括绕成4/5～5/6圆环状的双层感应铜管，其中开口便于在叶片上布置热电偶并观察，开口过小会导致热电偶安装测试困难，开口过大则会降低线圈整体加热效率。双层铜管由一根铜管来回绕制而成，铜管周围布置开口向内的U型束磁装置；双层铜管和U型束磁装置能够保证产生的磁场集中在铜管局部位置，只能加热到叶片顶端叶冠军而无法加热整个涡轮盘，局部磁场分布如图2(b)所示，线圈中心无磁场。感应铜管的上方和下方分别设有绝缘上固定板和下固定板，上、下固定板之间通过螺栓紧固。与感应铜管连接的绝缘法兰用于安装在真空腔盖板上的安装孔处，绝缘法兰上设有连接感应加热线圈中的感应铜管的接头，通过固定螺母与试验腔体外部的变频感应电源连接。

作为本实用新型的优选实施方式，如图3所示，所述冷却罩包括上冷却罩25和下冷却罩26，所述上冷却罩套设在位于涡轮叶片上方的涡轮盘外壁的外围，下冷却罩套设在位于涡轮叶片下方的涡轮盘外壁的外围，上冷却罩和下冷却罩分别通过小安装环4和大安装环6固定在试验腔体内，所述小安装环通过小支撑底座2与真空腔盖板连接；上冷却罩和下冷却罩的内壁与涡轮盘的外壁平行，其材质为铜，与涡轮盘的外壁之间的缝隙为2-8mm；上冷却罩和下冷却罩的外壁上均匀布置冷却水管13，冷却水管的材质为铜。

通过上述装置实现梯度温度场旋转疲劳试验的过程为：

1)根据带叶片涡轮盘尺寸确定感应加热线圈和冷却罩结构和尺寸，感应线圈距叶片顶部为2mm，冷却罩表面与涡轮盘表面距离为4mm。感应线圈设计为4/5圆环并在感应铜管上包覆束磁装置24，如图2所示，以保证磁感应线仅能加热叶片顶端局部位置；设计绝缘法兰21以防止感应线圈加热真空腔盖板；设计绝缘固定板23以保证感应线圈圆度。

2)将多个热电偶分别焊接于叶片和涡轮盘不同部位，如图4所示。叶片顶部，叶片中部和叶片根部分别布置一个热电偶，涡轮盘榫槽和腹板处各布置一个热电偶。在冷却罩上焊接一个热电偶作为参考热电偶。

3)将带叶片涡轮盘安装到试验台芯轴上，将感应线圈和冷却罩固定在试验腔体内部，调节间隙，使三者相对位置合理，其中感应加热线圈的安装高度与涡轮叶片的安装高度一致。

4)分别将热电偶引线7、冷却水管13和感应加热线圈15通过真空腔盖板引出到外部温度显示器17、循环冷水机19和变频感应电源18上，并在真空腔盖板相应位置做好真空密封工作。

5)开启变频感应电源和循环冷水机，观察温度显示器上热电偶测温结果。若涡轮叶片的温度过低，则增大感应电流，若涡轮盘温度过高，则增大冷却水流量，当考核部位温度达到目标温度时，记录叶片、涡轮盘以及参考位置温度。

6)停止加热，取下涡轮叶片和涡轮盘上的热电偶，保留冷却罩上的参考位置热电偶，开启高速旋转试验台，在涡轮叶片高速旋转状态下通过调节变频感应电源电流/功率和冷却水流量，使参考位置温度达标。

7)保证温度不变，正式开启旋转疲劳试验，达到目标循环数或试样破坏后疲劳试验结束，关闭变频感应电源和循环冷水机，试验过程中温度和转速变化曲线如图5所示，其中虚线表示冷却罩上参考位置的温度值，实线表示涡轮盘的转速，当参考位置的温度值达到目标温度后处于稳定状态，疲劳试验开始，控制增速头先加速，然后稳定，再降速，当疲劳试验结束后，涡轮盘停止转动，变频感应电源关闭后使得参考位置开始降温直至达到常温状态。

本实用新型中，试验叶片材料为DZ125高温合金，工作温度可达1000℃以上，而涡轮盘材料为GH4169，正常工作温度为650℃以下。图6表示叶片顶部感应加热和涡轮盘循环水冷却后，从叶片顶部到叶片榫头部位的温度场分布。从图6中可以看出，在本实用新型的加热冷却装置下，叶片随叶身高度形成了明显的梯度温度场，缘板以下尤其是榫头区域温度显著降低，在600℃以下，从而保证了涡轮盘榫槽与榫头连接部位以及副板和芯轴处温度满足材料GH4169的使用要求。

Claims (8)

1.一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，包括高速旋转试验台、电磁感应电源、感应加热线圈、冷却罩、冷却水管、循环冷却水机、热电偶和温度显示器；

所述的高速旋转试验台包括由盖板和底座围成的试验腔体、电机、增速头、芯轴、涡轮盘和涡轮叶片；所述增速头的一端与电机连接，另一端穿过盖板中心的开孔伸入试验腔体中，通过连接件与芯轴连接；涡轮盘安装在芯轴上，涡轮盘与涡轮叶片榫接固定；

涡轮叶片的外圈设有带开口的环形感应加热线圈；带开口的环形感应加热线圈通过底座上的支架固定，并与试验腔体外部的变频感应电源连接；

涡轮盘的外围设有冷却罩，冷却罩通过支撑座固定在试验腔体内；冷却罩的外壁上缠绕冷却水管，冷却水管与试验腔体外部的循环冷水机连接；

涡轮叶片侧壁、涡轮盘和冷却罩表面靠近涡轮叶片的位置安装热电偶，热电偶引线与试验腔体外部的温度显示器连接。

2.如权利要求1所述的一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，所述带开口的环形感应加热线圈到涡轮叶片顶部的距离为1.8～5.8mm。

3.如权利要求1所述的一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，所述高速旋转试验台的盖板上设有供冷却水管穿过的通孔，通孔处填塞绝缘胶。

4.如权利要求1所述的一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，所述带开口的环形感应加热线圈包括绕成4/5～5/6圆环状的上下双层感应铜管，双层感应铜管由一根感应铜管来回绕制而成；感应铜管周围布置U型束磁装置，U型束磁装置开口向内；感应铜管的上方和下方分别设有绝缘上固定板和下固定板，上、下固定板之间通过螺栓紧固。

5.如权利要求4所述的一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，所述高速旋转试验台的盖板上设有安装孔，安装孔处安装绝缘法兰，绝缘法兰上设有连接感应加热线圈中的感应铜管的接头，变频感应电源与感应铜管的接头连接。

6.如权利要求1所述的一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，所述冷却罩包括上冷却罩和下冷却罩，所述上冷却罩套设在位于涡轮叶片上方的涡轮盘的外壁外围，下冷却罩套设在位于涡轮叶片下方的涡轮盘的外壁外围；上冷却罩和下冷却罩分别通过支撑座固定在试验腔体内。

7.如权利要求6所述的一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，所述上冷却罩和下冷却罩的内壁与涡轮盘的外壁平行，上、下冷却罩内壁与涡轮盘外壁之间的缝隙为2～8mm。

8.如权利要求1所述的一种实现涡轮叶片梯度温度场的旋转疲劳试验装置，其特征在于，所述冷却罩和冷却水管的材质为铜。

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